- 万有引力与航天
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2011年7月11日23时41分,我国在西昌卫星发射中心用长征三号丙运载火箭,成功将“天链一号02星”送入太空,火箭飞行约26分钟后,西安卫星测控中心传来的数据表明,星箭分离,卫星成功进入地球同步转移轨道.已知地球半径为R,地球表面的重力加速度g,地球自转周期T,求“天链一号02星”的轨道半径.
正确答案
解:“天链一号02星”是地球的同步卫星,处于同步卫星的轨道.它的周期与地球自转周期相等.
①
又在地球的表面时:
得:GM=gR2 ②
联立①②解得:
答:“天链一号02星”的轨道半径.
解析
解:“天链一号02星”是地球的同步卫星,处于同步卫星的轨道.它的周期与地球自转周期相等.
①
又在地球的表面时:
得:GM=gR2 ②
联立①②解得:
答:“天链一号02星”的轨道半径.
要使一颗人造地球通讯卫星(同步卫星)能覆盖赤道上东经75.0°到东经135.0°之间的区域,则卫星应定位在哪个经度范围内的上空?地球半径R0=6.37×106m.地球表面处的重力加速度g=9.80m/s2.(本题可用计算器)
正确答案
解:如图所示,圆为地球赤道,S为卫星所在处,用R表示卫星运动轨道的半径.由万有引力定律、牛顿运动定律和卫星周期T(亦即地球自转周期)可得:
=m
…①式中M为地球质量,G为引力常量,m为卫星质量.
另有:GM=g…②
由图可知Rcosθ=R0…③
由以上各式,可解得:θ=arccos…④
取T=23小时56分4秒(或近似取T=24小时),代入数值,可得θ=81.3°…⑤
由此可知,卫星的定位范围在东经135.0°-81.3°=53.7°到75.0°+81.3°=156.3°之间的上空.
答:卫星的定位范围在东经53.7°到156.3°之间的上空.
解析
解:如图所示,圆为地球赤道,S为卫星所在处,用R表示卫星运动轨道的半径.由万有引力定律、牛顿运动定律和卫星周期T(亦即地球自转周期)可得:
=m
…①式中M为地球质量,G为引力常量,m为卫星质量.
另有:GM=g…②
由图可知Rcosθ=R0…③
由以上各式,可解得:θ=arccos…④
取T=23小时56分4秒(或近似取T=24小时),代入数值,可得θ=81.3°…⑤
由此可知,卫星的定位范围在东经135.0°-81.3°=53.7°到75.0°+81.3°=156.3°之间的上空.
答:卫星的定位范围在东经53.7°到156.3°之间的上空.
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,将卫星送入同步圆轨道3,轨道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、在轨道3和1上卫星都做匀速圆周运动有可得v=
,由于轨道3半径较大,故速率较小,故A错误;
B、在轨道3和1上卫星都做匀速圆周运动有可得
,由于轨道3轨道半径较大,故角速度较小,故B正确;
C、卫星在三个轨道上运行时都只受地球万有引力作用,卫星的机械能均守恒,故C错误;
D、卫星在P点的加速度均由万有引力产生,故在同一点时,不管卫星在哪个轨道由万有引力产生的加速度均相同,故D正确.
故选:BD.
(2015秋•上海月考)甲、乙两颗卫星以相同的轨道半径分别绕质量为M和2M的行星做匀速圆周运动,则两颗卫星运动的角速度之比为______,向心加速度之比为______.
正确答案
1:
1:2
解析
解:万有引力人提供向心力:m 可得
m=G
可得
=
=1:
故答案为:,1:2
“天宫一号”“神舟八号”交会对接成功,标志着我国在对接技术上迈出了重要一步.用M代表“神舟八号”,N代表“天宫一号”,它们对接前做圆周运动的情形如图所示.则( )
正确答案
解析
解:A、第二宇宙速度是脱离地球引力最小的发射速度.故A错误
B、M适度加速将做离心运动,有可能与N实现对接,故B正确
C、万有引力充当向心力,=
v=,对接前,N的运行速度小于M的运行速度,故C错误
D、第一宇宙速度是发射卫星的最小速度,也是最大的环绕速度.对接后,它们的运行速度小于第一宇宙速度,故D错误
故选B.
两颗人造地球卫星质量之比为m1:m2=3:1,绕地球做匀速圆周运动的轨道半径之比为r1:r2=1:2,则它们的线速度大小之比V1:V2=______;角速度之比为ω1:ω2=______;周期之比T1:T2=______;地球对它们的万有引力大小之比F1:F2=______.
正确答案
12:1
解析
解:根据得,
,ω=
,T=
,因为轨道半径之比为r1:r2=1:2,
则线速度大小之比,角速度大小之比为ω1:ω2=
,周期之比为T1:T2=
.
根据万有引力公式F=得,万有引力大小之比为12:1.
故答案为:,
,
,12:1.
如图所示,a是静止在地球赤道地面上的一个物体,b是与赤道共面的地球卫星,c是地球同步卫星,对于a物体和b、c两颗卫星的运动情况,下列说法中正确的是( )
正确答案
解析
解:A、卫星c为同步卫星,周期与a物体周期相等,
根据万有引力提供向心力,列出等式:可得周期T=2
,bc同为卫星,所以b卫星运动的周期小于c卫星运动的周期,所以a物体运动的周期大于b卫星运动的周期,故A正确;
B、b卫星和c卫星的质量关系不清楚,所以b卫星运动受到的万有引力不一定大于c卫星受到的万有引力,故B错误;
C、ac比较,角速度相等,由v=ωr,可知υA<υC 故C正确;
D、b卫星减速后要做近心运动,所以不可能可进入c卫星轨道,故D错误.
故选:AC.
围绕地球旋转的人造卫星,在万有引力的作用下做匀速圆周运动.v和R为人造卫星的线速度和相应的轨道半径,v0和R0为近地卫星的线速度和相应的轨道半径.则下列关系正确的是( )
正确答案
解析
解:人造卫星的向心力由万有引力提供,故有:
①
②
由①②两式得:
由对数运动算可得:
所以
故选:C.
某卫星的发射过程如图所示,先将卫星从地面发射并从A点进入椭圆轨道I运行,然后在B点通过改变卫星的速度,让卫星进入预定圆形轨道II上运行.则下列说法正确的是( )
正确答案
解析
解:A、卫星绕地球做椭圆轨道运动,发射速度大于7.9km/s小于11.2km/s.故A错误.
B、卫星在椭圆轨道I从A点运动到B点过程中,只有万有引力做功,机械能守恒,万有引力做负功,动能减小,则速度减小.故B错误.
C、根据开普勒第三定律得,,因为轨道I的半长轴小于轨道Ⅱ的半径,则在轨道Ⅰ上运行的周期小于在轨道Ⅱ上运行的周期.故C错误.
D、设线速度为v,周期为T,则轨道半径r=,根据万有引力提供向心力有:
,解得M=
.故D正确.
故选D.
北斗卫星导航系统是中国正在实施的自主研发、独立运行的全球卫星导航系统,我国预计在2015年建成由30多颗卫星组成的“北斗二号”卫星导航定位系统,此系统由中轨道(离地最近)、高轨道和同步轨道(离地最远)卫星等组成.现在正在服役的“北斗一号”卫星定位系统的三颗卫星都定位在距地面36000km的地球同步轨道上,而美国的GPS由24颗卫星组成,这些卫星距地面的高度均为20000km.设卫星绕地球都做匀速圆周运动,则下列说法中正确的是( )
正确答案
解析
解:A、据万有引力提供圆周运动向心力可知,周期相同的卫星质量可以不同,故A错误;
B、根据万有引力提供圆周运动向心力有可知卫星运行的线速度
轨道高度低运行速度越小,故B正确;
C、根据可知卫星的周期
,卫星的轨道高度越大,周期越长,故C正确;
D、同步卫星的周期为24h,中轨道卫星的周期为8h,即同步卫星是中轨道卫星周期的3倍,故当同步卫星完成一次圆周运动,而中轨道卫星恰好完成三次圆周运动,故D正确.
故选:BCD.
如图所示,a、b、c是环绕地球的圆形轨道上运行的三颗人造地球卫星,a、c的质量相同且小于b的质量,则有( )
正确答案
解析
解:根据万有引力提供向心力=ma=m
=m
=mω2r,
得ω=,v=
,T=2π
,a=
A、a、b的轨道半径相等,所以角速度大小相等,a、b的轨道半径大于c的轨道半径,所以a、b的线速度小于c的线速度.故A错误.
B、a、b的轨道半径相等,所以周期相同,a、b的轨道半径大于c的轨道半径,所以大于c的周期,故B正确.
C、a、b的轨道半径相等,所以向心加速度大小相等,a、b的轨道半径大于c的轨道半径,所以小于c的向心加速度,故C错误.
D、所需的向心力F=,a、c的质量相同,所以a所需的向心力较小,
a的质量小于b的质量,所以a所需的向心力较小,所以a所需的向心力最小,故D正确.
故选BD.
关于正在轨道上做匀速圆周运动的人造地球同步卫星的说法,不正确的是( )
正确答案
解析
解:A、同步卫星若在除赤道所在平面外的任意点,假设实现了“同步”,那它的运动轨道所在平面与受到地球的引力就不在一个平面上,这是不可能的,故A正确;
B、根据万有引力提供向心力,列出等式:,r=R+h
由于同步卫星的周期必须与地球自转周期相同,所以T为一定值,
根据上面等式得出:同步卫星离地面的高度h也为一定值.故B正确;
C、由于同步卫星的周期必须与地球自转周期相同,所以卫星的运行角速度与地球的自转角速度相同,则线速度的大小也相同,但方向不同.故C错误.
D、同步卫星是指与地球某处相对静止的卫星,周期都相同,故D正确;
本题选错误的
故选:C
2009年2月11日,俄罗斯的“宇宙-2251”卫星和美国“铱-33”卫星在西伯利亚上空约805km处发生碰撞.这是历史上首次发生的完整在轨卫星碰撞事件.碰撞过程中产生的大量碎片可能影响太空环境.假定有甲、乙两块碎片,绕地球运动的轨道都是圆,甲的运行线速度比乙的大,则下列说法中正确的是( )
正确答案
解析
解:卫星绕地球做匀速圆周运动,根据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,有
=m
═m
r=ma
v=,
由于甲的运行速率比乙的大,可以知道甲的轨道半径较小,故A错误;
B、T=2π,所以甲的运行周期一定比乙的小,故B错误;
C、a=,所以甲的加速度一定比乙的大,故C正确;
D、由于未知两碎片的质量,无法判断向心力的大小,故D错误;
故选:C.
探月工程三期飞行试验器于2014年10月24日2时在中国西昌卫星发射中心发射升空,飞行试验器飞抵距月球6万千米附近进入月球引力影响区,开始在月球近旁转向飞行,最终进入距月球表面h=200km的圆形工作轨道.设月球半径为R,月球表面的重力加速度为g,万有引力常量为G,则下列选项错误的是( )
正确答案
解析
解:令月球质量为M,在月球表面重力与万有引力相等有:=mg,
可得GM=gR2
A、万有引力提供向心力,
=m
r=m
=ma
v==R
,故A正确;
B、飞行试验器工作轨道处的重力加速度为g′==(
)2g,故B正确;
C、T=2π=2π
,故C错误;
D、月球的密度ρ==
,故D正确;
本题选错误的,故选:C.
“嫦娥三号”探月卫星于2013年12月2日1点30分在西昌卫星发射中心发射,并成功实现了“落月”.若已知引力常量为G,月球绕地球做圆周运动的半径为r1、周期为T1,“嫦娥三号”探月卫星绕月球做圆周运动的环月轨道半径为r2、周期为T2,不计其他天体的影响,求地球与月球之间的万有引力.
正确答案
解:“嫦娥三号”探月卫星绕月球做圆周运动,由万有引力提供向心力得
月球的质量
根据月球绕地球做圆周运动的半径为r1、周期为T1,
=
答:地球与月球之间的万有引力大小是.
解析
解:“嫦娥三号”探月卫星绕月球做圆周运动,由万有引力提供向心力得
月球的质量
根据月球绕地球做圆周运动的半径为r1、周期为T1,
=
答:地球与月球之间的万有引力大小是.
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