- 万有引力与航天
- 共16469题
(1)我国的“探月工程”计划于2015年宇航员登上月球.“探月工程”总指挥部向全国中学生征集可在月球完成的航天科技小实验.小军同学设想:宇航员登月前记录贴近月球表面绕月球做匀速圆周运动的飞船飞行一周的时间T,登上月球后,以初速度v0竖直向上抛出一小球,测出小球从抛出到落回所需的时间t,并认为贴近月球表面绕月球做匀速圆周运动的飞船,其向心力近似等于飞船在月球表面时的重力,由此来近似计算月球的半径R0.你认为小军能根据他的设想计算出月球的半径吗?若能,请帮小军算出月球的半径R0;若不能,请说明理由.
(2)为了落实“绿色奥运”的理念,2008年北京在各比赛场馆之间使用了新型节能环保电动车.这种环保电动车总质量m=3×103kg,驱动电机线圈内阻r=1Ω.当它在水平路面上以v=36km/h的速度匀速行驶时,若驱动电机的输入电流I=40A,电压U=250V,求汽车此时所受阻力(不计其它机械损耗).
正确答案
解:(1)小军能计算出月球的半径,解答如下:
设月球表面的重力加速度为g0,小球竖直上抛,有:
v0=g0
重力提供飞船做圆周运动的向心力:
mg0=m
飞船运动周期:T=
联立上式解得:R0=
(2)电机输入功率:P=UI=104W
线圈焦耳热功率:P热=I2r=1600W
机械功率:P机=P-P热
又 P机=F牵v
当匀速运动时 F牵=f
联立上式解得:f=840N
答:(1)小军能计算出月球的半径,R0=
(2)汽车此时所受阻力是840N
解析
解:(1)小军能计算出月球的半径,解答如下:
设月球表面的重力加速度为g0,小球竖直上抛,有:
v0=g0
重力提供飞船做圆周运动的向心力:
mg0=m
飞船运动周期:T=
联立上式解得:R0=
(2)电机输入功率:P=UI=104W
线圈焦耳热功率:P热=I2r=1600W
机械功率:P机=P-P热
又 P机=F牵v
当匀速运动时 F牵=f
联立上式解得:f=840N
答:(1)小军能计算出月球的半径,R0=
(2)汽车此时所受阻力是840N
一颗以华人物理学家“吴健雄”命名的小行星,半径约为16km,认为密度与地球相等.若在此小行星上发射一颗绕其表面运行的人造卫星,它的发射速度约为______.(已知地球的半径R=6.4×103 km,取g=10m/s2)
正确答案
19.75m/s
解析
解:已知地球半径为R=6400km,地球上第一宇宙速度为V=7.9km/s,密度为ρ,吴健雄星半径r=16km,
根据万有引力提供向心力得:则有G=m
,
M=ρπR3,
解得:V==2R
①
吴健雄星其上物体的第一宇宙速度表达式为:v1=2r ②
把①②两式取比值得:v1==19.75m/s,
故答案为:19.75m/s
均匀分布在地球赤道平面上空的三颗同步通信卫星能够实现除地球南北极等少数地区外的“全球通信”.地球半径为R,地球表面的重力加速度为g,地球自转周期为T,下面列出的是关于三颗卫星中任意两颗卫星间距离s的表达式,其中正确的是( )
正确答案
解析
解:根据万有引力提供向心力得:,r为轨道半径
所以可得:
根据地球表面处万有引力等于重力得:
,得:GM=gR2
所以卫星轨道半径
根据题意画出俯视三颗同步通信卫星的几何位置图象:
根据几何关系得:L=r=
所以C正确,ABD错误.
故选:C
北斗卫星系统由地球同步轨道卫星与低轨道卫星两种组成,这两种卫星在轨道正常运行时( )
正确答案
解析
解:根据万有引力提供向心力有:
=
=m
A、T=2π,所以同步轨道卫星运行的周期较大,故A正确;
B、v=,所以同步轨道卫星运行的线速度较小,故B错误;
C、同步卫星只能在赤道上空,故C错误;
D、第一宇宙速度是绕地球做圆周运动的最大速度,故D错误.
故选:A
火星绕太阳公转的半径为r1,是地球绕太阳公转半径r2的1.5倍,地球的公转周期T2=365天,则火星的公转周期T1是多少天?如果火星与地球的半径之比为R1:R2=1:3,火星与太阳间的引力与地球和太阳间的引力之比F1:F2=4:81,求火星与地球的平均密度之比ρ1:ρ2为多少?(设公转轨道看作圆周,只考虑太阳对火星和太阳对地球的作用)
正确答案
解:1.研究火星和地球绕太阳公转,根据万有引力提供向心力得出:
得:,M为太阳的质量,R为轨道半径.
火星的轨道半径是地球的轨道半径的1.5倍,则:天
2.根据万有引力定律的表达式:得:
①
又:F1:F2=4:81,所以: ②
火星与地球的半径之比为R1:R2=1:3,
由体积公式:,质量公式:m=ρV
所以: ③
联立②③得:
答:火星的公转周期T1是670.5天;火星与地球的平均密度之比ρ1:ρ2为3:1.
解析
解:1.研究火星和地球绕太阳公转,根据万有引力提供向心力得出:
得:,M为太阳的质量,R为轨道半径.
火星的轨道半径是地球的轨道半径的1.5倍,则:天
2.根据万有引力定律的表达式:得:
①
又:F1:F2=4:81,所以: ②
火星与地球的半径之比为R1:R2=1:3,
由体积公式:,质量公式:m=ρV
所以: ③
联立②③得:
答:火星的公转周期T1是670.5天;火星与地球的平均密度之比ρ1:ρ2为3:1.
如图所示,A是静止在赤道上的物体,B、C(C未画出)是同一平面内的两颗人造卫星.B位于离地高度等于地球半径的圆形轨道上;C是地球同步卫星.以下判断正确的是( )
正确答案
解析
解:A、根据万有引力等于向心力解得:
,B位于离地高度等于地球半径的圆形轨道上,C是地球同步卫星,则C的半径大于B的半径,所以vB>vC,
对于放在赤道上的物体A和同步卫星C有相同的周期和角速度,根据v=rω,所以vC>vA
所以vB>vA,故A错误,B正确;
C、根据万有引力提供向心力得,解得:
,C的半径大于B的半径,则ωB>ωC,故C错误;
D、若卫星B要靠近C所在轨道,需要先加速,做离心运动,故D正确;
故选:BD
地球因其自转而导致地球上的物体所受的重力与万有引力的大小之间存在差异,其中,两极处最小(差值为零),赤道处最大(差值也仅约为万有引力的),因此,在地球上,我们通常忽略两者的差异,可认为两者相等,而有些星球,却不能忽略.例如,有一个这样的星球,半径为R,绕过两极且与赤道平面垂直的轴自转,测得其赤道上一物体的重力是两极上的
.求:该星球的同步卫星离地高度.
正确答案
解:设星球的质量为M,自转的角速度为ω,
赤道上的物体受到的万有引力与重力之差提供了物体随星球自转而做圆周运动所需要的向心力,
由牛顿第二定律得:
星球赤道上的物体:(1-)•G
=mω2R,
对星球的同步卫星:G=m′ω2r,
同步卫星距地的高度:h=r-R,
解得:h=R;
答:该星球的同步卫星离地高度为R.
解析
解:设星球的质量为M,自转的角速度为ω,
赤道上的物体受到的万有引力与重力之差提供了物体随星球自转而做圆周运动所需要的向心力,
由牛顿第二定律得:
星球赤道上的物体:(1-)•G
=mω2R,
对星球的同步卫星:G=m′ω2r,
同步卫星距地的高度:h=r-R,
解得:h=R;
答:该星球的同步卫星离地高度为R.
2012年6月16日18:37分,我国成功发射了载人航天飞船神舟九号,神舟九号的质量为m,它在圆形轨道上绕地球飞行,距地面的高的为h,地球质量为M,地球半径为R,万有引力常量为G,求:
(1)神舟九号运动的线速度的表达式?
(2)神州九号运动的周期的表达式?
正确答案
解:由万有引力提供向心力有:=m
r=m
,
神舟九号在圆形轨道上绕地球飞行,距地面的高的为h,所以轨道半径r=R+h,
(1)神舟九号运动的线速度的表达式v==
,
(2)神州九号运动的周期的表达式T=2π=2π
.
答:(1)神舟九号运动的线速度的表达式v=,
(2)神州九号运动的周期的表达式T=2π.
解析
解:由万有引力提供向心力有:=m
r=m
,
神舟九号在圆形轨道上绕地球飞行,距地面的高的为h,所以轨道半径r=R+h,
(1)神舟九号运动的线速度的表达式v==
,
(2)神州九号运动的周期的表达式T=2π=2π
.
答:(1)神舟九号运动的线速度的表达式v=,
(2)神州九号运动的周期的表达式T=2π.
如图所示,a、b、c是环绕地球圆形轨道上运行的3颗人造卫星,它们的质量关系是ma=mb<mc,则( )
正确答案
解析
解:人造卫星绕地球做匀速圆周运动,万有引力提供向心力,设卫星的质量为m、轨道半径为r、地球质量为M,
A、根据=m
r=ma=m
得:
v=,因为ra<rb=rc,所以va>vb=vc,故A错误;
B、T=2π,因为ra<rb=rc,所以Ta<Tb=Tc,故B正确;
C、a=,因为ra<rb=rc,所以aa>ab=ac,故C错误;
D、=,因为ra<rb=rc,ma=mb<mc,所以b所需向心力最小,故D正确.
故选:BD.
2009年2月11日,美国和俄罗斯的两颗卫星在西伯利亚上空相撞,这是有史以来首次卫星碰撞事件,碰撞点比相对地球静止的国际空间站高434km.则( )
正确答案
解析
解:万有引力提供卫星运动的向心力有:
=ma向
可得:T=,
,轨道半径v=
A、碰撞点卫星运动的半径R大,则周期越大,故A正确;
B、碰撞点卫星运动的半径R大,则向心加速度小,故B正确;
C、v=,当卫星加速也就是速度发生变化时,卫星的轨道同时发生变化,故同轨道卫星加速后不会在空间相撞,故C错误;
D、11.2km/h,是第二宇宙速度,达到这个发射速度的卫星将逃离地球的束缚,成为绕太阳运行卫星,故发射绕地球飞行卫星发射速度小于第二宇宙速度,故D错误.
故选AB.
我国的航空航天事业取得了巨大成就.2007年10月和2010年10月29日,我国相继成功发射了“嫦娥一号”和“嫦娥二号”探月卫星,它们对月球进行了近距离探测,圆满完成了预定的科研任务.如图所示,“嫦娥一号”和“嫦娥二号”环绕月球做匀速圆周运动时,距月球表面的高度分别为h和
.已知月球的半径为R.
(1)求“嫦娥一号”和“嫦娥二号”环绕月球运动的线速度大小之比;
(2)已知“嫦娥一号”的运行周期为T,求“嫦娥二号”的运行周期.
正确答案
解:(1)“嫦娥一号”和“嫦娥二号”环绕月球做匀速圆周运动,分别根据万有引力定律和牛顿第二定律
--------①
------②
①②相比化简,解得
(2)根据万有引力定律和牛顿第二定律,对“嫦娥一号”和“嫦娥二号”分别有
--------③
--------④
④③两式相比化简,解得
答:(1)“嫦娥一号”和“嫦娥二号”环绕月球运动的线速度大小之比为;
(2)“嫦娥二号”的运行周期为
解析
解:(1)“嫦娥一号”和“嫦娥二号”环绕月球做匀速圆周运动,分别根据万有引力定律和牛顿第二定律
--------①
------②
①②相比化简,解得
(2)根据万有引力定律和牛顿第二定律,对“嫦娥一号”和“嫦娥二号”分别有
--------③
--------④
④③两式相比化简,解得
答:(1)“嫦娥一号”和“嫦娥二号”环绕月球运动的线速度大小之比为;
(2)“嫦娥二号”的运行周期为
发射地球同步卫星时,先将卫星发射至近地圆轨道1,然后经点火,使其沿椭圆轨道2运行,最后再次点火,将卫星送入同步轨道3.轨道1、2相切于Q点,轨道2、3相切于P点,如图.关于这颗卫星分别在1、2、3轨道上正常运行时,以下说法正确的是( )
正确答案
解析
解:A、由轨道知,轨道1的半长轴最小,轨道3的半长轴最大,根据开普勒第三定律=k知,T1<T2<T3.故A错误.
B、对于卫星1、3:根据G=mω2r,得ω=
,轨道半径越大,角速度越小,所以卫星在轨道3上的角速度小于在轨道1上的角速度,故B正确.
C、卫星在轨道1上Q点要经过加速变轨才能进行轨道2上,所以卫星在轨道1上经过Q点时的动能小于它在轨道2上经过Q点时的动能,故C正确.
D、卫星在轨道2上P点要经过加速变轨才能进行轨道3上,所以卫星在轨道2上运动时的机械能小于它在轨道3上运动时的机械能,故D错误.
故选:BC
“天宫一号”和“神舟十号”在对接前,“天宫一号”的运行轨道高度为350km,“神舟十号”的运行轨道高度为343km.它们的运行轨道均视为圆周,则对接前“天宫一号”和“神舟十号”相比( )
正确答案
解析
解:A、根据,解得v=
,天宫一号的轨道半径大于神舟十号的轨道半径,则天宫一号的线速度小.故A错误.
B、根据=
,解得T=
,神舟十号的轨道半径小于天宫一号的轨道半径,则神舟十号的周期小.故B错误.
C、根据,解得ω=
,天宫一号的轨道半径大于神舟十号的轨道半径,则天宫一号的角速度小.故C错误.
D、根据,解得a=
,神舟十号的轨道半径小于天宫一号的轨道半径,则神舟十号的加速度大.故D正确.
故选:D.
如图所示,在同一轨道平面上的几个人造地球卫星A、B、C绕地球做匀速圆周运动,某一时刻恰好在同一直线上,下列说法中正确的是( )
正确答案
解析
解:A、设地球的质量为M,卫星的轨道半径为r,卫星的速度v=,
可见,r越大,v越小,则有vA<vB<vC.故A错误.
B、根据牛顿第二定律得
向心加速度a=,所以aA<aB<aC,故B正确;
C、根据万有引力提供向心力,
=mω2r
ω=,
所以运转角速度满足ωA<ωB<ωC,故C错误;
D、根据T=,r越大,T越大,所以TA>TB>TC,所以运动一周后,C先回到原地点.故D错误.
故选:B.
设月球绕地球转动的轨迹为圆,半径为R1、周期为27天,地球同步卫星的轨道半径为R2,则R1:R2=( )
正确答案
解析
解:根据万有引力提供圆周运动向心力有:G=m
,
得卫星运动的周期:T=2π,
可得月球周期与同步卫星周期的比值:=
所以月球到地球的距离与同步卫星到地球的距离比为:
即月球到地球的距离与同步卫星到地球的距离比为9:1,故A错误,B错误,D错误,C正确;
故选:C
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