- 万有引力与航天
- 共16469题
我国“嫦娥一号”月球探测器在绕月球成功运行之后,为进一步探测月球的详细情况,又发射了一颗绕月球表面飞行的科学试验卫星.假设卫星绕月球作圆周运动,月球绕地球也作圆周运动,且轨道都在同一平面内.己知卫星绕月球运动周期T0,地球表面处的重力加速度g,地球半径R0,月心与地心间的距离为rom,引力常量G,试求:
(1)月球的平均密度ρ
(2)月球绕地球运转的周期T.
正确答案
解:(1)设卫星质量为m,对于绕月球表面飞行的卫星,由万有引力提供向心力
得
又据
得
(2)月球的球心绕地球的球心运动的周期为T.
地球的质量为M,对于在地球表面的物体m表
有
即
月球绕地球做圆周运动的向心力来自地球引力
即
得
答:(1)月球的平均密度ρ为.
(2)月球绕地球运转的周期T为.
解析
解:(1)设卫星质量为m,对于绕月球表面飞行的卫星,由万有引力提供向心力
得
又据
得
(2)月球的球心绕地球的球心运动的周期为T.
地球的质量为M,对于在地球表面的物体m表
有
即
月球绕地球做圆周运动的向心力来自地球引力
即
得
答:(1)月球的平均密度ρ为.
(2)月球绕地球运转的周期T为.
近一段时间,“嫦娥一号”卫星是国人乃至全世界最关注的事件之一.某同学在新闻报道中收集了一些关于“嫦娥一号”的数据:“嫦娥一号”卫星最终进入的工作轨道是距离月球表面h=200km、周期T1=127min的极月圆轨道,但他没有找到月球半径的数据报道,于是他想利用自己学过的物理知识来算出月球的半径R月.他又从学习资料上查到一些数据:月球的质量M月=7.4×1022kg,月球绕地球作圆周运动的周期T2=30天、轨道半径r月=3.8×105km,万有引力恒量G=6.67×10-11N•m2/kg2.
根据以上数据,他写出了求解月球半径的表达式:=
你认为他的这个表达式正确吗?如果正确,请利用万有引力和圆周运动公式写出推导上述表达式的过程,并求出R月的表达式(用字母表示);如果你认为这个表达式是错误的,请利用上述物理量写出正确的月球半径R月的表达式(只需用字母表示)及推导过程.
正确答案
解:这个表达式是错误的.因为卫星绕月球转和月球绕地球转的中心天体不同,则轨道半径的三次方和周期的二次方比值不同.
G=m卫星
(R月+h)
(R月+h)3=
解得 R月=-h.
答:该同学表达式是错的,R月的表达式 R月=-h.
解析
解:这个表达式是错误的.因为卫星绕月球转和月球绕地球转的中心天体不同,则轨道半径的三次方和周期的二次方比值不同.
G=m卫星
(R月+h)
(R月+h)3=
解得 R月=-h.
答:该同学表达式是错的,R月的表达式 R月=-h.
有一质量为m的卫星,在以半径为R、周期为T绕地球作匀速圆轨道运动,求:
(1)求地球的质量M;
(2)求卫星的环绕速度v.
正确答案
解:(1)人造卫星绕地球做匀速圆周运动,根据万有引力提供向心力,
解得:M=
(2)根据圆周运动知识得
卫星的环绕速度v=.
答:(1)地球的质量M是.
(2)卫星的环绕速度是.
解析
解:(1)人造卫星绕地球做匀速圆周运动,根据万有引力提供向心力,
解得:M=
(2)根据圆周运动知识得
卫星的环绕速度v=.
答:(1)地球的质量M是.
(2)卫星的环绕速度是.
一颗人造地球卫星在离地面高度等于地球半径的圆形轨道上运行,已知卫星的第一宇宙速度是v1=7.9km/s,求:
(1)这颗卫星运行的线速度多大?
(2)它绕地球运行的向心加速度多大?
(3)质量为1kg的仪器放在卫星内的平台上,仪器所受的重力多大?它对平台的压力多大?
正确答案
解:(1)人造地球卫星在圆形轨道上运行时,由万有引力提供向心力,则有
G=m
解得,v==
对于卫星的第一宇宙速度,有v1=
所以 v=v1=5.6km/s
(2)根据牛顿第二定律得:
ma=G,得加速度为a=
=
又mg=G
联立是两式得 a==2.5m/s2
(3)仪器所受的重力G′=F=ma=2.5N
卫星处于失重状态,仪器对平台的压力FN=0
答:
(1)这颗卫星运行的线速度为5.6km/s.
(2)它绕地球运行的向心加速度为2.5m/s2.
(3)质量为1kg的仪器放在卫星内的平台上,仪器所受的重力是2.5N.它对平台的压力为零.
解析
解:(1)人造地球卫星在圆形轨道上运行时,由万有引力提供向心力,则有
G=m
解得,v==
对于卫星的第一宇宙速度,有v1=
所以 v=v1=5.6km/s
(2)根据牛顿第二定律得:
ma=G,得加速度为a=
=
又mg=G
联立是两式得 a==2.5m/s2
(3)仪器所受的重力G′=F=ma=2.5N
卫星处于失重状态,仪器对平台的压力FN=0
答:
(1)这颗卫星运行的线速度为5.6km/s.
(2)它绕地球运行的向心加速度为2.5m/s2.
(3)质量为1kg的仪器放在卫星内的平台上,仪器所受的重力是2.5N.它对平台的压力为零.
2014年3月8日,“马航MH370”客机失联后,我国巳紧急调动多颗卫星,利用高分辨率对地成像、可见光拍照等技术对搜寻失联客机提供支持.把地球看作质量分布均匀的球体,关于环绕地球运动的低轨卫星(环绕地球运动的半径比地球同步卫星的环绕半径小得多)和同步卫星;下列说法正确的是( )
正确答案
解析
解:A、根据得,v=
,第一宇宙速度的轨道半径等于地球的半径,所以低轨卫星的线速度小于第一宇宙速度7.9km/s.故A错误;
B、同步卫星的轨道一定在赤道平面内,所以低轨卫星和地球同步卫星的轨道平面不一定重合,故B错误;
C、根据地球卫星万有引力提供向心力得:
解得:T=,所以地球同步卫星比低轨卫星的转动周期大,故C错误;
D、同步卫星的周期与地球的周期相同,相对地球静止,可以固定对一个区域拍照,但由于它距地面较远,照片的分辨率会差一些.故D正确.
故选:D
发射地球同步卫星时,先将卫星发射到近地圆轨道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与2相切于Q点,轨道2与3相切于P点,如图所示,则当卫星分别在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、人造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
解得:
v=
轨道3半径比轨道1半径大,卫星在轨道1上线速度较大,故A错误;
B、ω=
轨道3半径比轨道1半径大,卫星在轨道3上角速度较小,故B正确;
C、从轨道Ⅰ到轨道Ⅱ,卫星在Q点是做逐渐远离圆心的运动,要实现这个运动必须使卫星所需向心力大于万有引力,所以应给卫星加速,增加所需的向心力.所以在轨道Ⅱ上Q点的速度大于轨道上ⅠQ点的速度.故C正确.
D、根据C选项的分析可知D正确.
故选BCD.
在发射某人造地球卫星时,首先让卫星进入低轨道,变轨后进入高轨道,假设变轨前后该卫星始终做匀速圆周运动,不计卫星质量的变化,若变轨后的动能减小为原来的,则卫星进入高轨道后( )
正确答案
解析
解:卫星变轨后仍做匀速圆周运动,动能减小为原来的,根据动能公式Ek=
,所以速度大小减到原来的
.
根据万有引力提供向心力得 G=m
=m
r=mω2r=ma,得 v=
,T=2π
,ω=
,a=
由上式可得:卫星的轨道半径变为原来的4倍,周期为原来的8倍,角速度变为原来的,向心加速度变为原来的
.故A正确,BCD错误.
故选:A.
绕地球做匀速圆周运动的两颗卫星a、b,已知a的轨道半径大于b的轨道半径,则对于两颗卫星下列说法正确的是( )
正确答案
解析
解:根据人造卫星的万有引力等于向心力,得:
G=m
r=mω2r=m
=ma
可得 T=2π,ω=
,v=
,a=
,可知卫星的轨道半径越小,角速度、线速度、向心加速度越大,周期越小
由题a的轨道半径大于b的轨道半径,则知a周期大,a角速度、速度和向心加速度都小,故A正确,BCD错误.
故选:A.
关于第一宇宙速度,下面说法中正确的是( )
正确答案
解析
解:物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动的速度叫做第一宇宙速度,在地面附近发射飞行器,如果速度大于7.9km/s,而小于11.2km/s,它绕地球飞行的轨迹就不是圆,而是椭圆.
故它是人造地球卫星在近地圆轨道上的运行速度,也是卫星进入近地圆形轨道的最小发射速度.
A、第一宇宙速度是绕地球做圆周运动的最大速度,故A错误.
B、根据卫星圆轨道上的速度公式v=可知,当R最小为地球半径时,卫星的速度v最大,故B正确;
C、第一宇宙速度是靠近地球表面圆轨道上的运行速度,故C正确;
D、人造卫星发射速度等于第一宇宙速度时卫星可以在近地轨道上做圆周运动,当飞射速度大于7.9km/s,而小于11.2km/s,它绕地球飞行的轨迹就不是圆,而是椭圆.所以第一宇宙速度是发射卫生所需要的最小地面发射速度.故D正确.
故选CD.
下面说法中正确的是( )
正确答案
解析
解:A、根据万有引力定律F=G可知,当星球质量不变,半径变为原来的
时,引力将变为原来的4倍.故A正确.
B、按照广义相对论可以知道,当星球质量不变,半径变为原来的时,引力将大于原来的4倍.故B正确.
CD、牛顿的万有引力定律适用条件是两个质点间引力的计算,要将星球看成质点才能计算它们间引力的大小,而天体的实际半径远大于引力半径,所以根据爱因斯坦的引力理论和牛顿的引力理论计算出的力差异很大.故C正确,D错误.
故选:ABC.
若神舟九号飞船在地球某高空轨道上做周期为T的匀速圆周运动,已知地球的质量为M,万有引力常量为G.则飞船 运行的线速度大小为______,运行的线速度______第一宇宙速度.(选填“大于”、“小于”或“等于”)
正确答案
小于
解析
解:飞船绕地球飞行时,万有引力提供圆周运动向心力有:
可得飞船轨道半径为:r=
所以飞船的线速度为:=
根据万有引力提供圆周运动向心力有:
得:
知轨道半径越大运行线速度v越小,第一宇宙速度是轨道半径等于地球半径时的速度,故是绕地球做圆周运动的最大速度,故飞船速度小于第一宇宙速度.
故答案为:,小于.
在某行星表面附近自高h处以初速度v0水平抛出的小球,水平射程可达x,已知该行星的半径为R,如果在该行星上发射一颗人造卫星,则它在该行星表面附近做匀速圆周运动的周期T是多少?
正确答案
解:小球在行星表面附近做平抛运动时,竖直方向做自由落体运动,则有
h= ①
水平方向做匀速直线运动,则有
x=v0t ②
由①②得,g=③
人造卫星在该行星表面附近做匀速圆周运动时,由重力提供向心力,由牛顿第二定律得
mg=
得,T=④
将③代入④得,T=
答:人造卫星在该行星表面附近做匀速圆周运动的周期T=.
解析
解:小球在行星表面附近做平抛运动时,竖直方向做自由落体运动,则有
h= ①
水平方向做匀速直线运动,则有
x=v0t ②
由①②得,g=③
人造卫星在该行星表面附近做匀速圆周运动时,由重力提供向心力,由牛顿第二定律得
mg=
得,T=④
将③代入④得,T=
答:人造卫星在该行星表面附近做匀速圆周运动的周期T=.
(2015秋•重庆校级月考)“轨道康复者”是“垃圾卫星”的救星,它可在太空中给“垃圾卫星”补充能量,延长卫星的使用寿命.一颗“轨道康复者”正在地球赤道平面内的圆周轨道上运行,运行方向与地球自转方向一致.轨道半径为地球同步卫星轨道半径的,则( )
正确答案
解析
解:A、根据万有引力提供向心力G=mω2r,得ω=
,“轨道康复者”的轨道半径为地球同步卫星轨道半径的
,可知“轨道康复者”的角速度比同步卫星的角速度大,而同步卫星和地球自转的角速度相同,所以轨道康复者”相对于地球赤道上的城市向东运动,故A错误.
B、由G=ma得 a=
,则得:“轨道康复者”的加速度是地球同步卫星加速度的16倍,故B错误.
C、由T==2π
,可得,“轨道康复者”的周期是地球同步卫星周期的
倍,故C错误.
D、设经过t时间“轨道康复者”会在赤道同一城市的正上方出现,则有
2π=t(-
),而T同步=1天,T康复=
天,解得:t=
天,故D正确.
故选:D
环绕地球做匀速圆周运动的卫星,其离地面越高,则卫星的线速度越______(大或小),角速度越______(大或小),周期越______(大或小)
正确答案
小
小
大
解析
解:人造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
F=F向
F=G
F向=m=mω2r=m(
)2r
解得
v= ①
T==2π
②
ω=③
根据①式,高度越大,轨道半径越大,线速度越小;
根据③式,高度越大,轨道半径越大,角速度越小;
根据②式,高度越大,轨道半径越大,周期越大;
故答案为:小,小,大.
侦察卫星在通过地球两极上空的圆轨道上运动,它的运动轨道距地面高度为h,要使卫星在一天的时间内将地面上赤道各处在日照条件下的情况全都拍摄下来,卫星在通过赤道上空时,卫星上的摄像机至少应拍摄地面上赤道圆周的弧长是______.(设地球的半径为R,地面处的重力加速度为g,地球自转的周期为T.)
正确答案
解析
解:设卫星周期为T1,根据万有引力提供向心力得: ①
又=mg ②
有③
地球自转角速度为ω=④
在卫星绕行地球一周的时间T1内,地球转过的圆心角为
θ=ωT1=T1 ⑤
那么摄像机转到赤道正上方时摄下圆周的弧长为s=θR ⑥
由①②③④⑤⑥得s=
故答案为:
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