- 万有引力与航天
- 共16469题
如图所示,发射地球同步卫星时,先将卫星发射至近地圆轨道1,然后经点火将卫星送入椭圆轨道2,然后再次点火,将卫星送入同步轨道3.轨道1、2相切于Q点,2、3相切于P点,则当卫星分别在1、2、3轨道上正常运行时,下列说法中正确的是( )
正确答案
解析
解:A、设卫星和地球的质量分别为m和M,卫星速率为v,轨道半径为r,
则有,得到 v=
,可见半径小,速率大.故A错误.
B、由ω=,半径小,角速度大.故B错误.
C、根据牛顿第二定律,卫星经过Q点时加速度一定.故C错误.
D、从轨道2到轨道3,卫星在P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3上P点的速度大于轨道上2经过P点的速度.故D正确.
故选:D.
关于绕地球运转的近地卫星和同步卫星,下列说法中正确的是( )
正确答案
解析
解;A、万有引力指向地心提供向心力,所以卫星做圆周运动的圆心必须在地心,故A错误
B、它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,同步卫星不可能经过北京上空,故B正确
C、近地卫星或地球同步卫星上的物体,因“完全失重”,其运行加速度不为零,故C错误
D、根据万有引力提供向心力,列出等式:G=m(
)2 (R+h),其中R为地球半径,h为同步卫星离地面的高度.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D错误
故选B.
如图,A、B两行星以不同半径、相同方向绕一恒星作匀速圆周运动,A行星的周期为T1,B行星的周期为T2,若某一时刻两行星相距最近,则( )
正确答案
解析
解:AB、卫星绕地球做匀速圆周运动,万有引力提供向心力有:G=mr(
)2
可得周期为:T=,半径越大周期越大,故由题意知,两卫星周期满足T1<T2
某时刻两卫星相距最近,则可知经过时间t1两卫星再次相距最近时,A卫星比B卫星多转过2π弧度,即有:
(-
)t1=2π
所以可得:t1==
故A错误,B正确;
CD、同理当两颗卫星经过时间t2两卫星相距最远时,A卫星比B卫星多转过π弧度,即有:
(-
)t1=π
所以可得:t2==
故C错误,D正确;
故选:BD
某国家计划发射一颗距离地面高度为地球半径R0的圆形轨道上运行的地球卫星,卫星轨道平面与赤道平面重合,已知地球表面重力加速度为g,引力常量为G.
(1)求出卫星绕地心运动周期T
(2)试推导第一宇宙速度.
正确答案
解:(1)在地球表面有重力等于万有引力 ①
卫星受到地球的万有引力提供卫星运动的向心力有: ②
由①和②可解得T=
(2)第一宇宙速度为近地轨道卫星运行的速度,此时万有引力提供卫星圆周运动的向心力即 ③
由①和③式可得
答:(1)卫星的周期为T=
(2)第一宇宙速度为.
解析
解:(1)在地球表面有重力等于万有引力 ①
卫星受到地球的万有引力提供卫星运动的向心力有: ②
由①和②可解得T=
(2)第一宇宙速度为近地轨道卫星运行的速度,此时万有引力提供卫星圆周运动的向心力即 ③
由①和③式可得
答:(1)卫星的周期为T=
(2)第一宇宙速度为.
有两行星A和B(均可看为匀质球体),质量之比MA:MB=2:1,半径之比RA:RB=1:2.两行星各有一卫星分别为a和b,卫星运动的圆形轨道半径分别为ra和rb,ra:rb=1:3.求两卫星运行周期之比Ta:Tb.
正确答案
解:卫星绕各自行星做圆周运动,向心力为行星对卫星的万有引力
对于卫星a ①
②
由①②可得③同理对于卫星b可得
④
由③④可得⑤
把数据代入⑤得⑥
答:两卫星运行周期之比是.
解析
解:卫星绕各自行星做圆周运动,向心力为行星对卫星的万有引力
对于卫星a ①
②
由①②可得③同理对于卫星b可得
④
由③④可得⑤
把数据代入⑤得⑥
答:两卫星运行周期之比是.
我国自行研制的“神舟五号”载人飞船载着中国第一代宇航员杨利伟,于2003年10月15日9时在酒泉发射场由“长征二号F”大推力运载火箭发射升空,并按预定轨道环绕地球飞行14圈后,于10月16日6时23分安全返回落在内蒙古的主着陆场.
(1)设“神舟五号”飞船在飞行过程中绕地球沿圆轨道运行,已知地球半径为R,地球表面的重力加速度为g,飞船绕地球运行的周期为T.求飞船离地面的平均高度h.
(2)已知将质量为m的飞船在距地球中心无限远处移到距离地球中心为r处的过程中,万有引力做功为W=GMm/r,式中G为万有引力恒量,M为地球的质量.那么将质量为m的飞船从地面发射到距离地面高度为h的圆形轨道上,火箭至少要对飞船做多少功?(为简化计算,不考虑地球自转对发射的影响)
正确答案
解:(1)设飞船质量为m,地球质量为M,
由万有引力定律和牛顿第二定律对飞船的运行过程有
又=mg
解得飞船离地面的高度
(2)若将飞船由距地球无穷远处移至距离地球表面为h处,引力做功为:W1=
若将飞船由距地球无穷远处移至地球表面,引力做功为W2=
所以将飞船由地球表面发射到距离地面h高的轨道上的过程中,引力做功为W3=-
设飞船在距离地面高为h的圆轨道上运动时的速度为v,
根据万有引力定律和牛顿第二定律有:
设将飞船送入沿距地面高度为h的圆形轨道运动的过程中,火箭要对飞船所做的功为W,
根据动能定理有
解得:或
答:(1)飞船离地面的平均高度是
(2)火箭至少要对飞船做功为
解析
解:(1)设飞船质量为m,地球质量为M,
由万有引力定律和牛顿第二定律对飞船的运行过程有
又=mg
解得飞船离地面的高度
(2)若将飞船由距地球无穷远处移至距离地球表面为h处,引力做功为:W1=
若将飞船由距地球无穷远处移至地球表面,引力做功为W2=
所以将飞船由地球表面发射到距离地面h高的轨道上的过程中,引力做功为W3=-
设飞船在距离地面高为h的圆轨道上运动时的速度为v,
根据万有引力定律和牛顿第二定律有:
设将飞船送入沿距地面高度为h的圆形轨道运动的过程中,火箭要对飞船所做的功为W,
根据动能定理有
解得:或
答:(1)飞船离地面的平均高度是
(2)火箭至少要对飞船做功为
一个半径是地球3倍、质量是地球36倍的行星,它表面的重力加速度是地球面重力加速度的(不考虑地球和星球的自转)( )
正确答案
解析
解:在地球表面有,根据G=mg得,
重力加速度g=.
因为行星的半径是地球半径的3倍,质量是地球质量的36倍,则行星表面的重力加速度是地面重力加速度的4倍.
故选:A.
我国航天事业取得了令世界瞩目的成就.其中“嫦娥一号”和“嫦娥二号”已经成功地绕月运行,并对月球进行了近距离探测.它们环绕月球做匀速圆周运动时,距月球表面的高度分别为h1和h2.已知月球的半径为R,月球的质量为M,引力常量为G.求:
(1)月球表面附近的重力加速度;
(2)“嫦娥一号”与“嫦娥二号”环绕月球运动的向心加速度之比.
正确答案
解:(1)根据万有引力等于重力
=m0g,
月球表面附近的重力加速度g=,
(2)根据牛顿第二定律得=ma
a=
“嫦娥一号”与“嫦娥二号”环绕月球运动的向心加速度之比为,
答:(1)月球表面附近的重力加速度是;
(2)“嫦娥一号”与“嫦娥二号”环绕月球运动的向心加速度之比是.
解析
解:(1)根据万有引力等于重力
=m0g,
月球表面附近的重力加速度g=,
(2)根据牛顿第二定律得=ma
a=
“嫦娥一号”与“嫦娥二号”环绕月球运动的向心加速度之比为,
答:(1)月球表面附近的重力加速度是;
(2)“嫦娥一号”与“嫦娥二号”环绕月球运动的向心加速度之比是.
北斗卫星导航系统是中国自行研制开发的三维卫星定位与通信系统(CNSS),它包括5颗同步卫星和30颗非静止轨道卫星,其中还有备用卫星在各自轨道上做匀速圆周运动.设地球半径为R,同步卫星的轨道半径约为6.6R.如果某一备用卫星的运行周期约为地球自转周期的,则该备用卫星离地球表面的高度约为( )
正确答案
解析
解:已知同步卫星的周期是地球自转周期,
备用卫星的运行周期约为地球自转周期的,所以备用卫星的运行周期约为同步卫星周期的
,
根据开普勒第三定律=k得
=
同步卫星的轨道半径约为6.6R,所以备用卫星的轨道半径约为1.65R,
所以该备用卫星离地球表面的高度约为0.65R.
故选A.
据报道,北京时间2013年12月6日17时53分,嫦娥三号探测器成功实施近月制动,顺利进入环月轨道.探测器环月运行轨道可视为圆轨道.已知质量为m的探测器环月运行时可忽略地球及其他天体的引力,其轨道半径为r,运动周期为T,引力常量为G.由以上条件可求得( )
正确答案
解析
解:A、根据题意无法求出月球的半径,故A错误;
B、根据万有引力等于重力得:
=mg
g=,
不知道月球的半径,所以不能求出月球表面的重力加速度,故B错误;
C、轨道半径为r=R+h,不知道月球的半径,所以不能求出离月球表面的高度,故C错误;
D、轨道半径为r,运动周期为T,引力常量为G,
根据万有引力提供向心力,
=m
M=,所以能求出月球的质量,故D正确;
故选:D.
如图所示,在同一轨道平面上的三个人造地球卫星A、B、C 在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、由于三颗的质量关系未知,无法根据万有引力定律F=比较引力的大小.故B错误;
C、卫星的向心加速度等于a=,r越小,a越大,则有aA>aB>aC.故C正确;
D、卫星的周期T═,r越大,T越大,所以运动一周后,A先回到原地点、C最晚回到原地点.故D正确.
故选:CD
石墨烯是近些年发现的一种新材料,其超高强度及超强导电、导热等非凡的物理化学性质有望使21世纪的世界发生革命性的变化,其发现者由此获得2010年诺贝尔物理学奖.用石墨烯制作超级缆绳,人类搭建“太空电梯”的梦想有望在本世纪实现.科学家们设想,通过地球同步轨道站向地面垂下一条缆绳至赤道基站,电梯仓沿着这条缆绳运行,实现外太空和地球之间便捷的物资交换.
(1)有关地球同步轨道卫星,下列表述正确的是______
A.卫星距离地面的高度大于月球离地面的高度
B.卫星的运行速度小于第一宇宙速度
C.卫星运行时可能经过嘉兴的正上方
D.卫星运行的向心加速度小于地球表面的重力加速度
(2)若把地球视为质量分布均匀的球体,已知同步卫星绕地球做匀速圆周运动的向心加速度大小为a1,近地卫星绕地球做匀速圆周运动的向心加速度大小为a2,地球赤道上的物体做匀速圆周运动的向心加速度大小为a3,地球北极地面附近的重力加速度为g1,地球赤道地面附近的重力加速度为g2,则:______
A.a1=g1 B.a2=g1 C.a3=g1 D.g1-g2=a3
(3)当电梯仓停在距地面高度h=4R的站点时,求仓内质量m=50kg的人对水平地板的压力大小.取地面附近重力加速度g取10m/s2,地球自转角速度ω=7.3×10-5rad/s,地球半径R=6.4×103km.(结果保留三位有效数字)
正确答案
解:(1)A、根据开普勒第三定律,周期越大,轨道半径越大,离地球越远,月球的周期为27天,同步卫星为1天,故月球离地球的距离远远大于同步卫星离地球的距离,故A错误.
B、根据万有引力提供向心力,得
,轨道半径越小,速度越大,当轨道半径最小等于地球半径时,速度等于第一宇宙速度,故同步卫星的运行速度小于第一宇宙速度,故B正确.
C、同步卫星只能在赤道正上方,故C错误.
D、根据万有引力提供向心力,所以卫星的向心加速度为
.在地球表面的物体受到的重力等于万有引力
,得地球表面的重力加速度
,因为r>R,故卫星运行的向心加速度小于地球表面的重力加速度,故D正确.
故选:BD.
(2)同步卫星绕地球做匀速圆周运动的向心加速度大小为a1=,近地卫星绕地球做匀速圆周运动的向心加速度大小为a2=
,地球赤道上的物体做匀速圆周运动的向心加速度大小为a3=
,地球北极地面附近的重力加速度为g1=
地球赤道地面附近的重力加速度为g2=
,
故a2=g1,g1-g2=a3,故BD正确、AC错误.
故选:BD.
(3)根据,
因为a=(h2+R)ω2=5Rω2,,
联立解得N=)2≈11.5N.
根据牛顿第三定律知,人对水平地板的压力为11.5N.
答:(1)BD;(2)BD;(3)仓内质量m=50kg的人对水平地板的压力大小为11.5N.
解析
解:(1)A、根据开普勒第三定律,周期越大,轨道半径越大,离地球越远,月球的周期为27天,同步卫星为1天,故月球离地球的距离远远大于同步卫星离地球的距离,故A错误.
B、根据万有引力提供向心力,得
,轨道半径越小,速度越大,当轨道半径最小等于地球半径时,速度等于第一宇宙速度,故同步卫星的运行速度小于第一宇宙速度,故B正确.
C、同步卫星只能在赤道正上方,故C错误.
D、根据万有引力提供向心力,所以卫星的向心加速度为
.在地球表面的物体受到的重力等于万有引力
,得地球表面的重力加速度
,因为r>R,故卫星运行的向心加速度小于地球表面的重力加速度,故D正确.
故选:BD.
(2)同步卫星绕地球做匀速圆周运动的向心加速度大小为a1=,近地卫星绕地球做匀速圆周运动的向心加速度大小为a2=
,地球赤道上的物体做匀速圆周运动的向心加速度大小为a3=
,地球北极地面附近的重力加速度为g1=
地球赤道地面附近的重力加速度为g2=
,
故a2=g1,g1-g2=a3,故BD正确、AC错误.
故选:BD.
(3)根据,
因为a=(h2+R)ω2=5Rω2,,
联立解得N=)2≈11.5N.
根据牛顿第三定律知,人对水平地板的压力为11.5N.
答:(1)BD;(2)BD;(3)仓内质量m=50kg的人对水平地板的压力大小为11.5N.
航天宇航员在月球表面完成了如下实验:如图所示,在月球表面固定一竖直光滑圆形轨道,在轨道内的最低点,放一可视为质点的小球,当给小球水平初速度v0时,小球刚好能在竖直面内做完整的圆周运动.已知圆形轨道半径为r,月球的半径为R.求:
(1)月球表面的重力加速度g;
(2)轨道半径为2R的环月卫星周期T.
正确答案
解:(1)设小球的质量为m,月球的质量为M,因小球在最高点恰好完成圆周运动,设最高点时小球速度为v,由牛顿第二定律得:
mg=①
从最低点带最高点过程中,由动能定理得:
-mg×2r=mv2-
m
②
由①②得g= ③
(2)根据万有引力提供向心力得
对卫星:=m
×2R ④
对小球:
=m′g ⑤
由③④⑤得:T=
答:(1)月球表面的重力加速度是;
(2)轨道半径为2R的环月卫星周期是.
解析
解:(1)设小球的质量为m,月球的质量为M,因小球在最高点恰好完成圆周运动,设最高点时小球速度为v,由牛顿第二定律得:
mg=①
从最低点带最高点过程中,由动能定理得:
-mg×2r=mv2-
m
②
由①②得g= ③
(2)根据万有引力提供向心力得
对卫星:=m
×2R ④
对小球:
=m′g ⑤
由③④⑤得:T=
答:(1)月球表面的重力加速度是;
(2)轨道半径为2R的环月卫星周期是.
2013年10月25日我国成功将:“实践十六号”卫星送入预定轨道.如图所示,“实践十六号”卫星的发射过程可简化为:卫星发射后,先在椭圆轨道上运行一段时间,再稳定在对应的圆轨道上,稳定后,若“实践十六号”卫星的运动可看做在距离地面高度为h的轨道上做匀速圆周运动.已知地球半径为R,地球表面的重力加速度为g.卫星在椭圆轨道上运行时,地心处在椭圆的一个焦点上.则下列说法正确的是( )
正确答案
解析
解:A、根据万有引力提供向心力有:,r=R+h,
根据万有引力等于重力得:
所以“实践十六号”在圆轨道上运行的加速度是,故A错误;
B、根据开普勒周期定律可得,其中T′为近地卫星的周期
,所以
,故“实践十六号”在椭圆轨道上从A到B的运行时间是
=π
,故B正确;
C、根据万有引力提供向心力有:,得
=R
,故C错误;
D、“实践十六号”进入圆轨道前需加速,做离心运动,故D错误;
故选:B.
2013年6月13日13时18分,“神舟10号”载人飞船成功与“天宫一号”目标飞行器交会对接,如图所示,若“神舟10号”对接前从圆轨道Ⅰ变轨至圆轨道Ⅱ,已知地球半径为R,轨道Ⅰ距地面高度h1,轨道Ⅱ距地面高度h2,则关于“神舟10号”的下列判断正确的是( )
正确答案
解析
解:A、在轨道Ⅰ需要减速做近心运动才能变至轨道Ⅱ,故A正确;
B、万有引力提供向心力,故:
解得:
∝
故变轨前后向心加速度大小的比值为:
,故B错误;
C、万有引力提供向心力,故:
故:,故卫星越高越慢,故变轨后“神舟10号”的线速度小于7.9km/s,故C错误;
D、若“天宫一号”与“神舟10号”同轨,且一前一后沿同一方向绕行,飞船向后喷气加速,会做离心运动,不会对接,故D错误;
故选:A
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