- 万有引力与航天
- 共16469题
如图所示a、b、c是在地球大气层外圆形轨道上运动的3颗卫星,则a、b、c三者的线速度大小关系为______;角速度大小关系为______.
正确答案
va>vb=vc
ωa>ωb=ωc
解析
解:卫星绕地球做圆周运动,由万有引力提供向心力,则有 G=m
=mω2r
则得 v=,ω=
由题图知:ra<rb=rc,则由上式可得:va>vb=vc,ωa>ωb=ωc,
故答案为:va>vb=vc,ωa>ωb=ωc.
如图所示,A、B是在地球大气层外圆形轨道上运动的两颗卫星,根据万有引力定律可以判定它们的线速度大小关系是vA______vB;周期大小关系是TA______TB.( 填“>”或“<”)
正确答案
>
<
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
=
=m
v=,
T=2,
由于A的轨道半径小于B的轨道半径,所以线速度大小关系是vA>vB;周期大小关系是TA<TB.
故答案为:>,<.
如图所示,飞行器P绕某星球做匀速圆周运动,星球相对飞行器的张角为θ,下列说法正确的是( )
正确答案
解析
解:A、根据开普勒第三定律=k,可知轨道半径越大,飞行器的周期越长.故A正确;
B、根据卫星的速度公式v=,可知轨道半径越大,速度越小,故B错误;
C、设星球的质量为M,半径为R,平均密度为,ρ.张角为θ,飞行器的质量为m,轨道半径为r,周期为T.
对于飞行器,根据万有引力提供向心力得:G=m
r
由几何关系有:R=rsin
星球的平均密度 ρ=
联立以上三式得:ρ=,则测得周期和张角,可得到星球的平均密度.故C正确;
D、由G=m
r可得:M=
,可知若测得周期和轨道半径,可得到星球的质量,但星球的半径未知,不能求出星球的平均密度.故D错误.
故选:AC.
极地卫星的运行轨道平面通过地球的南北两极(轨道可视为圆轨道).如图所示,若某极地卫星从北纬30°的正上方按图示方向第一次运行至南纬60°正上方,所用时间为t,已知地球半径为R(地球可看做球体),地球表面的重力加速度为g,引力常量为G,由以上条件可知( )
正确答案
解析
解:
A、地球表面的重力和万有引力相等⇒
,故A错误;
B、从北纬30°的正上方按图示方向第一次运行至南纬60°正上方转过的圆心角为θ=,据ω=
,故B正确;
C、据线速度v=rω,由于R是地球半径,故C错误;
D、代入A和B分析结果,万有引力提供圆周运动向心力有:⇒
⇒
而卫星距地面的高度h=r-R=(
)
-R,故D错误.
故选B.
我国已于2011年9月29日发射“天官一号”目标飞行器,11月1日发射“神舟八号”飞船并在11月3日与“天宫一号”实现对接.某同学为此画出“天宫一号”和“神舟八号”绕地球做匀速圆周运动的假想如图所示,A代表“天宫一号”,B代表“神舟八号”,虚线为各自的轨道.由此假想图,可以判定( )
正确答案
解析
解:A、天宫一号和神舟八号绕地球做匀速圆周运动,靠万有引力提供向心力得
=
=ma=
a=,v=
,T=2π
天宫一号的半径大,向心加速度小,线速度小,周期大.故B错误,A、C正确.
D、神舟八号在轨道上减速,由于万有引力大于所需的向心力,神舟八号会做近心运动,离开原轨道,不会和天宫一号对接.故D错误.
故选AC.
如图,我国发射的“嫦娥二号”卫星运行在距月球表面100km的圆形轨道上,到A点时调整成沿椭圆轨道运行,至距月球表面15km的B点作近月拍摄,以下判断正确的是( )
正确答案
解析
解:A、卫星在圆轨道上运行时处于失重状态,但仍受重力作用.故A错误.
B、根据开普勒第三定律 =k,由于椭圆轨道的半长轴小于圆轨道的半径,所以在椭圆轨道上运动的周期小于在圆轨道上运动的周期,故B正确.
C、卫星从圆轨道进入椭圆轨道,卫星要做近心运动,则必须减速制动.故C正确.
D、由G=ma得 a=
,可知同一地点r相等,则加速度大小相等,故D错误.
故选:BC.
伴随着天宫一号发射的成功,中国空间站正在加紧建设,其设计轨道半径为r,绕地球运转的周期为T1,通过查资料又知引力常量G、地球半径R、同步卫星距地面的高度h、地球的自转周期T2以及地球表面的重力加速度g.某同学根据以上条件,提出一种估算地球质量M的方法:设同步卫星绕地球做圆周运动,由G=mh(
)2得M=
(1)请判断上面的结果是否正确,如不正确,请修正解法和结果;
(2)请根据已知条件再提出两种估算地球质量的方法并解得结果.
正确答案
解:(1)上面结果是错误的,地球的半径R在计算过程中不能忽略.
正确的解法和结果是:
得
(2)方法一:国际空间站绕地球做圆周运动,由
得.
方法二:在地面,重力近似等于万有引力,由
得
答:(1)上述计算方法不正确,正确的结果是:;
(2)可以用万有引力提供圆周运动向心力求得地球质量,也可利用地面重力与万有引力相等求得地球质量
.
解析
解:(1)上面结果是错误的,地球的半径R在计算过程中不能忽略.
正确的解法和结果是:
得
(2)方法一:国际空间站绕地球做圆周运动,由
得.
方法二:在地面,重力近似等于万有引力,由
得
答:(1)上述计算方法不正确,正确的结果是:;
(2)可以用万有引力提供圆周运动向心力求得地球质量,也可利用地面重力与万有引力相等求得地球质量
.
两颗人造地球卫星,都绕地球作圆周运动,它们的质量之比m1:m2=2:1,轨道半径之比r1:r2=1:2,则它们的速度大小之比v1:v2等于( )
正确答案
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
得v=,
所以,故B正确、ACD错误.
故选:B.
在四川汶川的抗震救灾中,我国自主研制的“北斗一号”卫星导航系统,在抗震救灾中发挥了巨大作用.北斗导航系统又被称为“双星定位系统”,具有导航、定位等功能.“北斗”系统中两颗工作卫星均绕地心O在同一轨道上做匀速圆周运动,轨道半径为r,某时刻两颗工作卫星分别位于轨道上的A、B两位置(如图所示).若卫星均顺时针运行,地球表面处的重力加速度为g,地球半径为R,不计卫星间的相互作用力.则以下判断中错误的是( )
正确答案
解析
解:A、根据万有引力提供向心力,a=
.而GM=gR2.所以卫星的加速度
.故A错误.
B、卫星向后喷气,速度增大,万有引力不够提供向心力,做离心运动,会离开原来的圆轨道.所以在原轨道加速不会追上卫星2.故B错误.
C、根据万有引力提供向心力,
.所以卫星1由位置A运动到位置B所需的时间t=
=
.故C正确.
D、卫星在运动的过程中万有引力与速度方向垂直,不做功.故D正确.
本题选错误的,故选AB.
近年来,随着对火星的了解越来越多,人类已经开始进行移民火星的科学探索.2013年2月,荷兰一家名为“火星一号”的公司宣布计划在2023年把四名宇航员送上火星,在目前收到的37000多个报名意向中,中国人达到了45个.回答下列问题:
(1)设航天器从地球表面起飞后做加速度为g、竖直向上的匀加速直线运动,上升到某一高度时,仪器显示人对水平座椅的压力为起飞前的
,求此时飞船离地球表面的高度h(不考虑地球的自转,地球的半径为R,表面的重力加速度为g);
(2)若登陆火星后,测得火星半径是地球半径的,火星质量是地球质量的
,求火星的第一宇宙速度与地球的第一宇宙速度的比值.
正确答案
解:(1)飞船起飞前,人对水平座椅的压力
在距离地面高度为h时,地球对人的万有引力
设此时水平座椅对人的支持力为F1,则
又根据
可得:h=
(2)根据万有引力提供向心力,有:
则有:
答:(1)此时飞船离地球表面的高度h为.
(2)火星的第一宇宙速度与地球的第一宇宙速度的比值为.
解析
解:(1)飞船起飞前,人对水平座椅的压力
在距离地面高度为h时,地球对人的万有引力
设此时水平座椅对人的支持力为F1,则
又根据
可得:h=
(2)根据万有引力提供向心力,有:
则有:
答:(1)此时飞船离地球表面的高度h为.
(2)火星的第一宇宙速度与地球的第一宇宙速度的比值为.
“发现”号宇宙飞船曾成功地与环绕地球的国际空间站对接,那么在对接前,飞船为了追上轨道空间站,可以采取的措施是( )
正确答案
解析
解:飞船做匀速圆周运动时,引力提供向心力,根据万有引力等于向心力,可以知道速度与轨道半径的关系为v=;
A、在较低轨道上,当飞船加速时,在原轨道运行所需要的向心力变大,但万有引力大小不变,故引力不足以提供向心力,飞船会做离心运动,可飞到较高的轨道与空间站对接;故A正确.
BD、在较高轨道上或在空间站同一高度的轨道上,当飞船加速时,飞船做离心运动,轨道半径增大,飞到更高的轨道,将不能与空间站对接.故B、D错误
C、由以上分析可知C错误.
故选:A.
如图所示,是飞船控制中心的大屏幕上出现的一幅卫星运行轨迹图,它记录了“神舟”七号飞船在地球表面垂直投影的位置变化;图中表示在一段时间内飞船绕地球圆周飞行四圈,依次飞经中国和太平洋地区的四次轨迹①、②、③、④,图中分别标出了各地点的经纬度(如:在轨迹①通过赤道时的经度为西经157.5°,绕行一圈后轨迹②再次经过赤道时经度为180°…),若地球半径为R=6400km,地球表面处的重力加速度为g=10m/s2.
根据以上信息,试求“神舟”七号飞船运行的周期T、圆轨道的高度H以及运行速度v;“神舟”七号搭载的三名宇航员在24h内可以见到日落日出的次数应为多少?
正确答案
解:由题意可知飞船绕行地球一周的时间和地球自传180°-157.5°=22.5°的时间相同,所以“神舟”七号飞船运行的周期:
飞船做圆周运动,万有引力提供向心力,设地球的质量为M,半径为R,飞船的质量为m,圆轨道的高度为H,则:
(1)
(2)
由(1)得GM=gR2,带入(2)得
m-6.4×106m=3.15×105m.
运行速度为
m/s=7.8×102m/s.
三名宇航员在24h内可以见到日落日出的次数为
答:飞船运行的周期T为1.5h,运行的速度为7.8×102m/s,“神舟”七号搭载的三名宇航员在24h内可以见到日落日出的次数应为16次.
解析
解:由题意可知飞船绕行地球一周的时间和地球自传180°-157.5°=22.5°的时间相同,所以“神舟”七号飞船运行的周期:
飞船做圆周运动,万有引力提供向心力,设地球的质量为M,半径为R,飞船的质量为m,圆轨道的高度为H,则:
(1)
(2)
由(1)得GM=gR2,带入(2)得
m-6.4×106m=3.15×105m.
运行速度为
m/s=7.8×102m/s.
三名宇航员在24h内可以见到日落日出的次数为
答:飞船运行的周期T为1.5h,运行的速度为7.8×102m/s,“神舟”七号搭载的三名宇航员在24h内可以见到日落日出的次数应为16次.
如图所示,a、b两颗人造地球卫星分别在半径不同的轨道上绕地球作匀速圆周运动,则下列说法正确的是( )
正确答案
解析
解:万有引力提供卫星圆周运动的向心力即:
=mω2r=m
=ma=m
r
A、T=2π,知半径大的卫星周期大,所以a的周期小于b的周期,故A正确;
B、a、b两颗质量关系不知道,动能关系无法确定,故B错误;
C、a、b两颗质量关系不知道,势能关系无法确定,故C错误;
D、a=,知轨道半径小的卫星向心加速度大,所以a的加速度大于b的加速度,故D正确.
故选:AD.
两颗人造卫星A、B绕地球做圆周运动的周期之比为1:8,则它们的轨道半径之比为______,速度之比为______.
正确答案
1:4
2:1
解析
解:根据万有引力提供向心力,得
G=m
r=m
可得 T=2,v=
,式中M是地球的质量,r是卫星的轨道半径.
由题意,卫星A、B绕地球做圆周运动的周期之比为1:8,由 T=2,得轨道半径之比为1:4,由v=
,得速度之比为2:1.
故答案为:1:4,2:1.
我国在酒泉卫星发射中心成功发射“神舟”五号载入试验飞船,飞船绕地球14圈后,地面控制中心发出返回指令,飞船启动制动发动机、调整姿态后,在内蒙古中部地区平安降落.假定飞船沿离地面高度为300km的圆轨道运行,(已知地球半径为6.4×103km,地球质量为6.0×1024kg,万有引力常量G=6.67×10-11N•m2/kg2);则:
(1)轨道半径为多大?
(2)运行周期为多少分钟?
(3)在该高度处的重力加速度为多大?
正确答案
解:(1)轨道半径为r=R+h=6.4×103km+300km=6.7×103km.
(2)根据万有引力提供向心力
得=
≈91min
(3)根据万有引力提供向心力,得
=
=8.92m/s2
答:(1)轨道半径为6.7×103km.
(2)运行周期为91min.
(3)在该高度处的重力加速度为8.92m/s2.
解析
解:(1)轨道半径为r=R+h=6.4×103km+300km=6.7×103km.
(2)根据万有引力提供向心力
得=
≈91min
(3)根据万有引力提供向心力,得
=
=8.92m/s2
答:(1)轨道半径为6.7×103km.
(2)运行周期为91min.
(3)在该高度处的重力加速度为8.92m/s2.
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