- 万有引力与航天
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如图所示,A是地球的同步卫星.另一卫星B的圆形轨道位于赤道平面内,离地面高度为h.已知地球半径为R,地球自转角速度为ω0,地球表面的重力加速度为g,O为地球中心.关于AB两卫星的下列叙述正确的是( )
正确答案
解析
解:
A、对同步卫星,由万有引力提供向心力:
再由黄金代换:
gR2=GM
解得:
可知其离地高度为:
无法比较与B的高度关系.
故A错误
B、对B由万有引力定律和向心力公式得:
①
对地面物体由万有引力等于重力可得:
②
联立①②得:
故B正确.
C、AB再次相遇的话,B比A多转一周:
又:
代入上式得:
故C正确.
D、由万有引力提供向心力:
再由黄金代换:
gR2=GM
解得:
故A的线速度为:
B的线速度为:
故AB线速度比为::
故D正确.
故选:BCD
一颗在地球赤道上空绕地球运转的同步卫星,距地面高度为h,已知地球半径为R,自转周期为T,地面重力加速度为g,则这颗卫星运转的速度大小错误的是( )
正确答案
解析
解:A、已知同步卫星的周期和轨道半径,据可得线速度
,可得A正确;
B、在地球表面有:,对于同步卫星有
,由两式可解得v=
,故B正确;
CD、在地球表面有:,对于同步卫星有
可得卫星的轨道半径
代入A项有:v=
,故C正确,D错误.
本题选择错误的是,故选:D.
三颗人造地球卫星A、B、C在地球的大气层外沿如图所示的轨道做匀速圆周运动,已知mA=mB>mC,则对于三个卫星下列选项正确的是( )
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
F=F向所以F=
解得:
v=①
a=②
T=③
根据题意
ra<rb=rc ④
由①④式可知,vA>vB=vC,故A正确;
由③④式可知,TA<TB=TC,故B正确;
由④及mA=mB>mC和F=可知FA>FB,FB>FC,故FA>FB>FC故C正确;
由②④式可知:aA>aB=aC,故D错误.
故选ABC
我国首个“太空摆渡车”--中国自主研发的四级火箭“远征一号”将于今年第四季度首飞.以往的三级火箭发射轨道是椭圆形,卫星需要变轨为圆形轨道,而改进后的四级火箭则可以直接将卫星发送至距离更为遥远的目标轨道,卫星不需要变轨,实现“一箭多星”直接入轨发射.假设某次发射有三颗卫星A、B、C,某时刻三颗卫星的位置恰好在同一直线上(如图所示).忽略卫星间的相互作用,下列说法正确的有( )
正确答案
解析
解:根据万有引力提供圆周运动向心力有:
=ma
A、线速度,知半径大的线速度小,故A错误;
B、角速度,知半径大的向心加速度小,故B正确;
C、根据万有引力,因不知道卫星质量关系仅由半径不能确定万有引力的大小,故C错误;
D、周期知,半径大的周期大,A的周期最小,故运动一周后A先回到原点,所以D错误.
故选:B
1957年第一颗人造卫星上天,开辟了人类宇航的新时代.四十多年来,人类不仅发射了人造地球卫星,还向宇宙空间发射了多个空间探测器.空间探测器要飞向火星等其它行星,甚至飞出太阳系,首先要克服地球对它的引力的作用.
理论研究表明,物体在地球附近都受到地球对它的万有引力的作用,具有引力势能,设物体在距地球无限远处的引力势能为零,则引力势能可以表示为E=-G=,其中G是万有引力常量,M是地球的质量,m是物体的质量,r是物体距地心的距离.
现有一个空间探测器随空间站一起绕地球做圆周运动,运行周期为T,已知探测器的质量为m,地球半径为R,地面附近的重力加速度为g.要使这个空间探测器从空间站出发,脱离地球的引力作用,至少要对它作多少功?
正确答案
解:空间探测器绕地球作圆周运动,有
由G=m
=m
得,空间站的轨道半径r=
随空间站一起运动时,空间探测器的动能为=
=
.
随空间站一起运动时,空间探测器具有的机械能为
E1=-G+
=-
空间站要脱离地球的引力,机械能最小值为E∞=0,因此,对探测器做功为
W=E∞-E1=
由地面附近的重力加速度g=G 得W=
答:要使这个空间探测器从空间站出发,脱离地球的引力作用,至少要对它作的功.
解析
解:空间探测器绕地球作圆周运动,有
由G=m
=m
得,空间站的轨道半径r=
随空间站一起运动时,空间探测器的动能为=
=
.
随空间站一起运动时,空间探测器具有的机械能为
E1=-G+
=-
空间站要脱离地球的引力,机械能最小值为E∞=0,因此,对探测器做功为
W=E∞-E1=
由地面附近的重力加速度g=G 得W=
答:要使这个空间探测器从空间站出发,脱离地球的引力作用,至少要对它作的功.
我们在推导第一宇宙速度时,需要做一些假设,下列假设中错误的是( )
正确答案
解析
解:第一宇宙速度(又称环绕速度):是指物体紧贴地球表面作圆周运动的速度(也是人造地球卫星的最小发射速度).所以做出的假设有两个:(1)卫星做匀速圆周运动;(2)贴近地面,即:卫星的轨道半径等于地球半径.
计算方法是:=m
,其中:M是地球的质量,R是地球的半径,得:v=
.
故A、C、D正确,B错误
故选B.
如图所示,三颗人造地球卫星的质量Ma=Mb=Mc,b与c半径相同,下面说法正确的是( )
正确答案
解析
解:卫星的运动由万有引力充当向心力,即F=,即半径越大,向心力越小,故C受到的向心力越小,故D错误;
由=m
可知,v=
,即半径越大,线速度越小,故A错误;
由=m
可知,T=
,即半径越大,周期越大,因b、c半径相同大于a的半径,故Tb=Tc>Ta,故B正确;
而由=ma可知,a=
,即半径越大,向心加速度越小,故bc的加速度小于a的加速度,故C错误;
故选B.
2013年12月2日,牵动亿万中国心的嫦娥三号探测器顺利发射.嫦娥三号要求一次性进入近地点210公里、远地点约36.8万公里的地月转移轨道,如图所示,经过一系列的轨道修正后,在P点实施一次近月制动进入环月圆形轨道I.再经过系列调控使之进人准备“落月”的椭圆轨道II.嫦娥三号在地月转移轨道上被月球引力捕获后逐渐向月球靠近,绕月运行时只考虑月球引力作用.下列关于嫦娥三号的说法正确的是( )
正确答案
解析
解:A、嫦娥三号仍在地月系里,也就是说嫦娥三号没有脱离地球的束缚,故其发射速度需小于第二宇宙速度而大于第一宇宙速度,故A错误;
B、在椭圆轨道上经过P点时将开始做近心运动,月于卫星的万有引力将大于卫星圆周运动所需向心力,在圆轨道上运动至P点时万有引力等于圆周运动所需向心力根据知,在椭圆轨道上经过P点的速度小于圆轨道上经过P点的速度,故B错误;
C、卫星经过P点时的加速度由万有引力产生,不管在哪一轨道只要经过同一个P点时,万有引力在P点产生的加速度相同,故C正确;
D、根据开普勒行星运动定律知,由于圆轨道上运行时的半径大于在椭圆轨道上的半长轴故在圆轨道上的周期大于在椭圆轨道上的周期,故D错误.
故选:C
已知地球赤道上的物体随地球自转的线速度大小为v1,向心加速度大小为a1,近地卫星速度大小为v2,向心加速度大小为a2,地球同步卫星线速度大小为v3,向心加速度大小为a3,设近地卫星距地面高度不计,同步卫星距地面高度约为地球半径的6倍,则以下结论正确的是( )
正确答案
解析
解:A、近地卫星和同步卫星都是绕地球做匀速圆周运动,根据万有引力提供向心力,
两卫星的轨道半径比为1:7,所以,故A错误.
B、地球赤道上的物体和同步卫星具有相同的周期和角速度,根据v=ωr,
地球的半径与同步卫星的轨道半径比为1:7,
所以,故B正确.
C、D、根据万有引力提供向心力得:得
,两卫星的轨道半径比为1:7,
,
同步卫星与随地球自转的物体具有相同的角速度,根据a=rω2得,地球的半径与同步卫星的轨道半径比为1:7,所以.
所以,故C正确,D错误.
故选:BC.
我国发射的“嫦娥一号”探月卫星,经过一系列的加速、制动和变轨,从地球飞向月球,最终进入绕月工作轨道,沿近似于圆形轨道绕月飞行,运动的周期为T.已知月球质量与地球的质量之比约为1:81,月球半径为R月,它与地球的半径之比约为5:18,地球表面的重力加速度为g.求
(1)月球表面的重力加速度g月;
(2)“嫦娥一号”卫星在绕月工作轨道上运动时距月球表面的高度h.
正确答案
解:(1)在任何一个星球表面都有重力,物体受到的重力等于万有引力为:
所以:
对于月球有:
对于地球有:
所以:=
则:.
(2))“嫦娥一号”卫星在绕月工作轨道上运动,沿近似于圆形轨道绕月飞行.
根据万有引力提供向心力:
解得:
有上一问可知:=
代入上式得:
答:(1)月球表面的重力加速度为;
(2)“嫦娥一号”卫星在绕月工作轨道上运动时距月球表面的高度为.
解析
解:(1)在任何一个星球表面都有重力,物体受到的重力等于万有引力为:
所以:
对于月球有:
对于地球有:
所以:=
则:.
(2))“嫦娥一号”卫星在绕月工作轨道上运动,沿近似于圆形轨道绕月飞行.
根据万有引力提供向心力:
解得:
有上一问可知:=
代入上式得:
答:(1)月球表面的重力加速度为;
(2)“嫦娥一号”卫星在绕月工作轨道上运动时距月球表面的高度为.
“天宫一号”和“神舟十号”交会对接成功,标志着我国在对接技术上迈出了重要的一步,用M代表“神舟十号”,N代表“天宫一号”,它们在对接前绕地球做圆周运动的情形如图所示,则( )
正确答案
解析
解:卫星做圆周运动,根据万有引力提供向心力得=
=ma=
=mω2r
A、线速度v=,可知轨道半径越小,速度越大,M的半径小,故M的速度大,故A错误;
B、向心加速度a=,可知轨道半径越小,向心加速度越大,M的半径小,故M的向心加速度大,故B正确;
C、周期T=2π,可知轨道半径越小,周期越小,M的半径小,所以M的周期小,故C错误;
D、角速度ω=,可知轨道半径越小,角速度越大,M的半径小,故M的角速度大,故D错误;
故选:B.
新华社记者报道:“神舟四号”飞船于2002年12月30日凌晨在酒泉载人航天发射场发射升空,按预定计划在太空飞行了6天零18小时,环绕地球108圈.北京时间2003年1月5日19时16分,“神舟四号”飞船在完成预定空间科学和技术试验任务后,在内蒙古中部地区准确着陆,飞船进入返回状态.高度越来越低的过程中.下列物理量变化的情况是①角速度______;②线速度______;③加速度______;④周期______.(填“变大”、“变小”或“不变”)
正确答案
变大
变大
变大
变小
解析
解:根据载人飞船的万有引力等于向心力,
=m
=m
=ma=mω2r,
①角速度ω=,飞船进入返回状态.高度越来越低,所以角速度变大.;
②线速度v=,飞船进入返回状态.高度越来越低,所以线速度变大;
③加速度a=,飞船进入返回状态.高度越来越低,所以加速度变大;
④周期T=2π,飞船进入返回状态.高度越来越低,所以周期变小;
故答案为:变大,变大,变大,变小.
为了探测某星球,载着登陆舱的探测飞船在以该星球中心为圆心,半径为r1的圆轨道上做匀速圆周运动,周期为T1,总质量为m1.随后登陆舱脱离飞船,变轨到离星球更近的半径为r2的圆轨道上做匀速圆周运动,此时登陆舱的质量为m2,则( )
正确答案
解析
解:A、研究飞船绕星球做匀速圆周运动,根据万有引力提供向心力,列出等式:
G=m
得出:M=,故A错误;
B、根据圆周运动知识,a=只能表示在半径为r1的圆轨道上向心加速度,而不等于X星球表面的重力加速度,故B错误.
C、研究登陆舱绕星球做匀速圆周运动,根据万有引力提供向心力,列出等式:
在半径为r的圆轨道上运动:=
得出:T=2π.
表达式里M为中心体星球的质量,R为运动的轨道半径.所以登陆舱在r1与r2轨道上运动时的周期大小之比为:,所以T2=
,故C正确
D、研究登陆舱绕星球做匀速圆周运动,根据万有引力提供向心力有:
在半径为r的圆轨道上运动:=m
得出:v=,
表达式里M为中心体星球的质量,r为运动的轨道半径.
所以登陆舱在r1与r2轨道上运动时的速度大小之比为,故D错误.
故选:C.
2007年11月5日,“嫦娥一号”探月卫星沿地月转移轨道到达月球,在距月球表面200km的P点进行第一次“刹车制动”后被月球俘获,进入椭圆轨道I绕月飞行,然后,卫星在P点又经过两次“刹车制动”,最终在距月球表面200km的圆形轨道Ⅲ上绕月球做匀速圆周运动,如图所示,则下列说法正确的是( )
正确答案
解析
解:AB、根据开普勒第三定律得,,知卫星在轨道Ⅲ上运动的半径小于在轨道I运动的半长轴,则卫星在轨道Ⅲ上运动的周期比沿轨道I运动的周期短.故A错误,B正确.
CD、卫星在轨道Ⅲ上P点的所受的万有引力等于在轨道I运动到P点的万有引力,根据牛顿第二定律,知加速度相等.故C错误,D正确.
故选BD.
5月12日我国四川汶川发生强烈地震,抗震救灾工作分秒必争.“北京一号”小卫星提供了灾区大量的卫星影像,为恢复灾区的道路、评估灾区的损失提供了第一手资料.若“北京一号”卫星到地心的距离为r,已知引力常量G和地球质量M,则这颗卫星的周期为______;已知汶川地理纬度约为北纬31°,在汶川正上方设置一颗与地面相对静止的地球通讯卫星是______的(选填“可能”或“不可能”).
正确答案
2πr
不可能
解析
解:根据得,T=2πr
.因为同步卫星的轨道是一定的,在赤道的上方,所以在汶川正上方设置一颗与地面相对静止的地球通讯卫星是不可能的.
故答案为:2πr.不可能.
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