- 万有引力与航天
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地球的两颗人造卫星质量之比是1:2,轨道半径之比R1:R2=1:2,则线速度之比v1:v2=______;向心力之比F1:F2=______.
正确答案
:1
2:1
解析
解:卫星围绕地球做匀速圆周运动,万有引力提供圆周运动向心力有:
F==m
v=,
轨道半径之比R1:R2=1:2,
则线速度之比v1:v2=:1,
F=,质量之比是1:2,轨道半径之比为:R1:R2=1:2,
向心力之比为:F1:F2=2:1,
故答案为::1,2:1
我国“神舟六号”宇宙飞船的成功发射和回收,标志着我国的航天技术已达到世界先进水平.如图所示,质量为m的飞船绕地球在圆轨道I上运行时,半径为r1,要进入半径为r2的更高圆轨道Ⅱ,必须先加速进入一个椭圆轨道Ⅲ,然后再进入圆轨道Ⅱ.已知飞船在圆轨道Ⅱ上运动的速度大小为v,在A点通过发动机向后喷出一定质量气体,使飞船速度增加到v’进入椭圆轨道Ⅲ.求飞船在轨道I上的速度和加速度大小.
正确答案
解:在轨道Ⅰ上,有,得
.
同理在轨道Ⅱ上,.
联立得,.
设在轨道Ⅰ上的向心加速度为a1,则
将代入上式,解得
.
答:飞船在轨道I上的速度为,加速度大小
.
解析
解:在轨道Ⅰ上,有,得
.
同理在轨道Ⅱ上,.
联立得,.
设在轨道Ⅰ上的向心加速度为a1,则
将代入上式,解得
.
答:飞船在轨道I上的速度为,加速度大小
.
“黑洞”是近代引力理论所预言的宇宙中的一种特殊天体,研究认为,黑洞可能是由于超中子星发生塌缩而形成的.欧洲航天局由卫星观测发现银河系中心存在一个超大型黑洞并将它命名为:MCG6-30-15r,假设银河系中心仅此一个黑洞.已知太阳系绕银河系中心做匀速圆周运动,则根据下列哪一组数据可以估算出该黑洞的质量 ( )
正确答案
解析
解:太阳绕银河系中心“黑洞”做匀速圆周运动,万有引力提供向心力,设太阳的质量为m、轨道半径为r、“黑洞”质量为M,有
F=F向F=G
F向=m=mω2r=m(
)2r
因而
G=m
=mω2r=m(
)2r=ma
从上式可以看出,要计算、“黑洞”质量,要知道周期T与轨道半径r,或者线速度v与轨道半径r,或者轨道半径r与角速度ω,或者角速度ω与线速度v;
由于太阳质量m在等式左右可以约去,故太阳质量对求银河系中心“黑洞”的质量无用处;
故选BD.
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.天链一号02星”是我国第二颗地球同步轨道数据中继卫星,它将与“天链一号01星”组网运行,为我国神舟飞船以及未来空间实验室、空间站建设提供数据中继和测控服务.若用m表示“天链一号02星”的质量,h表示它离地面的高度,R0表示地球的半径,g0表示地球表面处的重力加速度,T表示地球自转周期,万有引力常量为G.
(1)求“天链一号02星”受到地球对它的万有引力的大小(用含有m、g0、R0、h的字母表示)
(2)求地球赤道表面的物体随地球自转的线速度与“天链一号02星”环绕速度昀比值
(3)利用上述数据计算出地球的质量M(用含有G、T、R0、h的字母表示)
正确答案
解:
(1)“天链一号02星”所受万有引力大小为:
地球表面问题的重力可以近似认为是万有引力,即:
解得:,
带入可得:
(2)地球赤道表面的物体随地球自转的线速度为:
“天链一号02星”环绕速度为:
则二者线速度之比为:v1:v2=R0:(R0+h)
(3)根据万有引力提供向心力得:
解得:
答:
(1)“天链一号02星”受到地球对它的万有引力的大小;
(2)地球赤道表面的物体随地球自转的线速度与“天链一号02星”环绕速度的比值v1:v2=R0:(R0+h);
(3)地球的质量.
解析
解:
(1)“天链一号02星”所受万有引力大小为:
地球表面问题的重力可以近似认为是万有引力,即:
解得:,
带入可得:
(2)地球赤道表面的物体随地球自转的线速度为:
“天链一号02星”环绕速度为:
则二者线速度之比为:v1:v2=R0:(R0+h)
(3)根据万有引力提供向心力得:
解得:
答:
(1)“天链一号02星”受到地球对它的万有引力的大小;
(2)地球赤道表面的物体随地球自转的线速度与“天链一号02星”环绕速度的比值v1:v2=R0:(R0+h);
(3)地球的质量.
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条直线上,它们的轨道半径之比为1:2:3,质量相等,则下列说法中正确的是( )
正确答案
解析
解:A、根据万有引力提供向心力,得
,故
=
=36:9:4,故A错误.
B、卫星发射的越高,需要克服地球引力做功越多,故机械能越大,故EA<EB<EC,故B正确.
C、B卫星加速后做离心运动,轨道半径要变大,不可能与A卫星相遇,故C错误.
D、根据万有引力提供向心力,得
,所以
=
,即
.若A卫星运动27周后,C卫星只经过了
个周期,没有回到原点.故D错误.
故选:B.
“神六”载人航天飞行的圆满成功,是中国在探索太空征程中取得的重大进展,标志着我国载人航天技术的新突破.“神六”飞船在到达预定的圆周轨道之前,运载火箭的末级火箭仍和飞船连接在一起(飞船在前,火箭在后),先在大气层外某一轨道上绕地球做匀速圆周运动,然后启动脱离装置,使飞船加速并实现船箭脱离,最后飞船到达预定轨道.关于船箭脱离后的说法,正确的是( )
正确答案
解析
解:飞船加速并实现船箭脱离后,点火加速后,引力不足以提供其所需向心力,做离心运动并向轨道外侧运动,最后飞船到达预定轨道,所以预定轨道比某一轨道离地面更远,根据解得:a=
,半径变大,加速度变小,故C正确.
故选C
宇航员在月球表面附近自h高处以初速度v0水平抛出一个小球,测出小球的水平射程为L,已知月球半径为R,若在月球上发射一颗卫星,它在月球表面附近绕月球做圆周运动的周期多大?
正确答案
解:设月面重力加速度为g月,
宇航员在月球表面附近自h高处以初速度v0水平抛出一个小球,测出小球的水平射程为L,根据平抛知识有:
水平方向:L=v0t ①
竖直方向:h=g月t2 ②
由以上两式得:g月=③
在月球上近月卫星的向心力由重力提供,据牛顿定律得:mg月=m()2R ④
由③、④得卫星的周期T=
答:它在月球表面附近绕月球做圆周运动的周期是.
解析
解:设月面重力加速度为g月,
宇航员在月球表面附近自h高处以初速度v0水平抛出一个小球,测出小球的水平射程为L,根据平抛知识有:
水平方向:L=v0t ①
竖直方向:h=g月t2 ②
由以上两式得:g月=③
在月球上近月卫星的向心力由重力提供,据牛顿定律得:mg月=m()2R ④
由③、④得卫星的周期T=
答:它在月球表面附近绕月球做圆周运动的周期是.
2007年11月5日,“嫦娥一号”探月卫星沿地月转移轨道达到月球,在距月球表面200km的P点进行第一次“刹车制动”后被月球捕获,进入椭圆轨道Ⅰ绕月飞行,如图所示.之后,卫星在P点经过几次“刹车制动”,最终在距月球表面200km、周期127分钟的圆形轨道Ⅲ上绕月球做匀速圆周运动.若已知月球的半径R月和引力常量G,忽略地球对“嫦娥一号”的引力作用,则由上述已知条件知( )
正确答案
解析
解:A、根据万有引力提供圆周运动向心力可以算得月球的质量M,故A正确;
B、根据在月球表面重力和万有引力相等有月球表面重力加速度,在求出月球质量M的前提下可以计算出重力加速度,故B正确;
C、卫星在轨道III上做匀圆周运动,在轨道I上经P点后做离心运动,根据匀速圆周运动条件和离心运动条件可得,卫星在轨道I上运动的线速度大于在轨道III上经P点的速度,故C错误;
D、卫星的加速度由万有引力产生,根据可知,卫星在轨道I和轨道III上经P点时的加速度相同,故D错误
故选AB.
高空遥感探测卫星在距地球表面高为h处绕地球转动,如果地球质量为M,地球半径为R,人造卫星质量为m,万有引力常量为G,试求:
(1)人造卫星的线速度多大?
(2)人造卫星绕地球转动的周期是多少?
(3)人造卫星的向心加速度多大?
正确答案
解:(1)由题意知,卫星的轨道半径r=R+h,设卫星的质量为m,线速度为v,根据万有引力定律和牛顿第二定律有:
可得卫星的线速度为:
(2)令卫星的质量为m,周期为T,则根据万有引力提供圆周运动向心力有:
可得卫星的周期为:T==
(3)根据万有引力提供圆周运动向心力有:
可得卫星的向心加速度为:a=
答:(1)人造卫星的线速度大小为
(2)人造卫星绕地球转动的周期是;
(3)人造卫星的向心加速度是.
解析
解:(1)由题意知,卫星的轨道半径r=R+h,设卫星的质量为m,线速度为v,根据万有引力定律和牛顿第二定律有:
可得卫星的线速度为:
(2)令卫星的质量为m,周期为T,则根据万有引力提供圆周运动向心力有:
可得卫星的周期为:T==
(3)根据万有引力提供圆周运动向心力有:
可得卫星的向心加速度为:a=
答:(1)人造卫星的线速度大小为
(2)人造卫星绕地球转动的周期是;
(3)人造卫星的向心加速度是.
利用所学知识,推导第一宇宙速度的另一个表达式.
正确答案
解:设地球半径为R,地球质量为M,卫星质量为m,
第一宇宙速度的轨道半径等于地球半径,
由牛顿第二定律得:,
解得,第一宇宙速度;
在地球表面的物体受到的重力等于万有引力,
即:,则GM=gR2,
则第一宇宙速度.
解析
解:设地球半径为R,地球质量为M,卫星质量为m,
第一宇宙速度的轨道半径等于地球半径,
由牛顿第二定律得:,
解得,第一宇宙速度;
在地球表面的物体受到的重力等于万有引力,
即:,则GM=gR2,
则第一宇宙速度.
火星和地球绕太阳的运动可以看作为同一平面内同方向的匀速圆周运动,已知火星的轨道半径R=1.5×1011m,地球的轨道半径r=1.0×1011m,从如图所示的火星与地球相距最近的时刻开始计时,估算火星再次与地球相距最近需多少地球年?(保留两位有效数字)
正确答案
解:设行星质量为m,太阳质量为M,行星与太阳的距离为r,地球的周期为T1,火星的周期为T2,地球的轨道半径为r1,火星的轨道半径为r2.
根据万有引力定律,行星受太阳的万有引力
行星绕太阳做近似匀速圆周运动,
根据牛顿第二定律有F=ma=mω2r
ω═
以上式子联立
故
地球的周期为1年,
火星的周期为T2=1.8年
设经时间t两星又一次距离最近,
根据θ=ωt
则两星转过的角度之差
△θ==2 π
得t=2.3年.
答:火星再次与地球相距最近需2.3地球年.
解析
解:设行星质量为m,太阳质量为M,行星与太阳的距离为r,地球的周期为T1,火星的周期为T2,地球的轨道半径为r1,火星的轨道半径为r2.
根据万有引力定律,行星受太阳的万有引力
行星绕太阳做近似匀速圆周运动,
根据牛顿第二定律有F=ma=mω2r
ω═
以上式子联立
故
地球的周期为1年,
火星的周期为T2=1.8年
设经时间t两星又一次距离最近,
根据θ=ωt
则两星转过的角度之差
△θ==2 π
得t=2.3年.
答:火星再次与地球相距最近需2.3地球年.
(2015秋•赣州期末)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、卫星从北纬30°的正上方,按图示方向第一次运行到南纬60°的正上方时,刚好完成的角度为,则运行的角速度为
,故A正确
B、由黄金代换:GM=gR2,知,则B错误
C、D、因角速度为,其轨道半径为不是R,则C错误;设轨道半径为r,则
,则
=(
)
,其距离地面的高度为r-R,则D错误
故选:A
两颗人造地球卫星A和B,分别在不同轨道上绕地球做匀速圆周运动,两卫星的轨道半径分别为rA和rB,且rA>rB,则A和B两卫星比较,下列说法正确的是( )
正确答案
解析
解:A、由于两卫星的质量关系未知,无法比较引力的大小.故A错误.
B、C、D,设地球的质量为M,任一卫星的轨道半径为r,质量为m.人造地球卫星A和B绕地球做匀速圆周运动时,由地球的万有引力提供向心力,则有:
G=m
=m
=man
得到:卫星运行的速率、周期和向心加速度的表达式分别为:
v=,T=2
,
由题,rA>rB,则得,vA<vB,TA>TB,anA<anB,故B正确,ACD均错误.
故选B
由于某种原因,人造地球卫星的轨道半径减小了,那么( )
正确答案
解析
解:卫星绕地球做圆周运动万有引力提供圆周运动向心力:=ma知:
A、万有引力与距离的二次方成反比,半径减小则万有引力增大,线速度v=知,半径减小,线速度增大,故A错误;
B、,知r减小a增大,T=
,r减小T减小,故B正确;
C、卫星运行的线速度v=知半径减小,线速度v增大,故动能增大,故C错误;
D、卫星运行的线速度v=知半径减小,线速度v增大,故动能增大,卫星轨道高度降低则其重力势能减小,在轨道减小的过程中由于阻力的存在,卫星要克服阻力做功功,机械能减小,故D正确.
故选:BD
人造卫星绕地球做匀速圆周运动,离地面越远的卫星( )
正确答案
解析
解:卫星由地球的万有引力提供圆周运动的向心力,则有:
A、由,得到:T=2π
,故离地面越远的卫星,轨道半径r越大,周期越大,故A错误;
B、由,得到:a=
,故离地面越远的卫星,轨道半径r越大,向心加速度越小,故B正确;
C、由,得到:ω=
,故离地面越远的卫星,轨道半径r越大,角速度越小,故C错误;
D、由,得到:v=
,故离地面越远的卫星,轨道半径r越大,线速度越小,故D错误;
故选:B
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