- 万有引力与航天
- 共16469题
我国发射的“嫦娥一号”探月卫星,实现了国人百年奔月的梦想.
(1)如图1是某同学对“嫦娥一号”探月卫星绕月运行的可能轨道的猜想,其中不可能实现的是哪个图对应的轨道,你的理由是什么?
(2)如果宇航员在月球表面上,测出小物块自由下落h高度所用的时间为t;测出绕月卫星在靠近月球表面圆轨道上飞行时的周期是T,已知万有引力常量为G.请你用上述各量推导出月球质量的表达式.
(3)某学校物理兴趣小组研究“嫦娥一号”探月卫星的发射和运行情况时猜想:卫星要把拍摄到的各种图片信息,持续不断地用微波发回地面时,由于月球的遮挡,在地球上总有一段时间接收不到卫星发来的微波信号.为了验证自己的猜想,他们设计了如图2所示的电脑模拟实验:固定地球和月球模型,让卫星绕月旋转,在地球上安装微波接收器,证实了他们的猜想是正确的.
在实验中他们设计和测量的各类数据是:地球、月球和卫星的质量分别为m地、m月和m卫,卫星绕月球运行的周期为T,轨道半径为r卫=2r,地球和月球的半径分别为r地=3r和r月=r,地球与月球之间的质心距离为L=180r.请你求出:在这个模拟实验中,卫星绕月球运行一个周期的时间内,地球不能接收到卫星发射的微波信号的时间(万有引力恒量为G,cos89°=).
正确答案
(1)其中不可能实现的是D轨道.
因为“嫦娥一号”探月卫星的向心力靠月球与卫星间的万有引力提供,卫星的轨道圆心一定与月球的球心重合.
(2)设月球表面的重力加速度为g,物块自由下落时有h=gt2
卫星在月球的表面绕行时有
重力等于万有引力mg=G
万有引力提供向心力G=m(
2π
T
)2R
三式联立解得月球的质量 M=
(3)根据题意作出运动模型图,如下图所示
设地球不能接收到卫星发射的微波信号的时间t,由图可知=
其中α=∠CO'A
β=∠CO'B
在△DFC中有 Lcosα=r地-r月
在△BO'C中有 r卫cosβ=r月
把L=180r、r地=3r、r卫=2r代入上面两式联立解得
cosα=,所以α=89°
cosβ= ,所以β=60°
把角α和β的值代入=
解得 t=T
答:(1)其中不可能实现的是D轨道. 因为“嫦娥一号”探月卫星的向心力靠月球与卫星间的万有引力提供,卫星的轨道圆心一定与月球的球心重合.
(2)月球质量的表达式为M=.
(3)在这个模拟实验中,卫星绕月球运行一个周期的时间内,地球不能接收到卫星发射的微波信号的时间为T.
A.质量为0.4kg的小球甲以速度3m/s沿光滑水平面向右运动,质量为4kg的小球乙以速度5m/s沿光滑水平面与甲在同一直线上向左运动,它们相碰后,甲球以速度8m/s被弹回,则此时乙球的速度大小为 m/s,方向 。
B.2011年11月3日,中国自行研制的神舟八号飞船与天宫一号目标飞行器在距地球343km的轨道实现自动对接。神舟八号飞船远地点处圆轨道速度 (选填“大于”、“小于”或“等于”)近地点处圆轨道速度;假设神舟八号在近圆轨道做匀速圆周运动时,离地高度为H,地球表面重力加速度为g、地球半径为R,则神舟八号的运行速度为 。
正确答案
A. 3.9 水平向左B.小于
试题分析:A:设向右为正方向,碰撞前后动量守恒,所以有:,解得
,为负,说明向左运动,
B:由公式得
,半径越大,速度越小,所以远地点的速度小于近地点的速度,绕行过程中万有引力充当向心力,所以根据牛顿第二定律可得:
,解得
,根据黄金替代公式
可得
点评:做分析动量守恒定律时,一定要注意正负方向以及正负号,在分析天体运动时,需要选择适当的公式解题
(6分)天宫一号于2011年9月29日成功发射,它将和随后发射的神州飞船在空间完成交会对接,实现中国载人航天工程的一个新的跨越。天宫一号进入运行轨道后,其运行周期为T,距地面的高度为h,已知地球半径为R,万有引力常量为G。若将天宫一号的运行轨道看做圆轨道,求:
(1)地球质量M;
(2)地球的平均密度。
正确答案
(1)(2)
(1)因为天宫一号的运行轨道看做圆轨道,万有引力充当向心力,所以:
(3分)
(2)地球的平均密度
(3分)
目前,我国探月工程已取得重大进展。在不久的将来,我国宇航员将登上月球。假如给你提供三组信息:①一同学在家中用长为L的细线和一个小螺丝帽组成了一个单摆,测得该单摆的振动周期为T;②一宇航员在月球表面上以初速度v0竖直上抛一小球,经过时间t,小球落回原处;③地球的质量约为月球质量的81倍,地球半径为R。
请你根据以上信息求:
(1)地球表面的重力加速度。
(2)月球表面的重力加速度。
(3)月球的半径。
正确答案
略
嫦娥一号探月卫星发射成功在政治、经济、军事、科技乃至文化领域都具有非常重大的意义。下图是嫦娥奔月过程全图。(地球半径R=6400Km,月球半径r="1700" Km)
请根据图中给出的数据
①计算出嫦娥一号卫星在距离月球200Km的圆形轨道上运行的速度。(保留3位有效数字)
②把嫦娥一号卫星工作轨道(即周期为127分钟的圆形轨道)周期近似当作2小时,请根据图中数据计算出卫星在12小时轨道运行时,远月点与月球表面的距离。
(,计算结果保留2位有效数字)
正确答案
①;②
①根据公式,
=(1700+200)
=1.9
解得:
②设卫星在工作轨道上运行的周期为,
长半轴为
设卫星在12小时轨道上运行的周期为,远月点距离月球表面高度为
长半轴为
根据开普勒第三定律得:
解之得:
探月卫星在空中运动的简化示意图如下.卫星由地面发射后,经过发射轨道进入停泊轨道,在停泊轨道经过调速后进入地月转移轨道,再次调速后进入工作轨道.已知卫星在停泊轨道和工作轨道运行半径分别为r和r1,地球半径为R,月球半径为R1,地表面重力加速度为g,月球表面重力加速度为.求:
(1)卫星在停泊轨道上运行的线速度;
(2)卫星在工作轨道上运行的周期.
正确答案
(1)(2)
试题分析:(1)设卫星在停泊轨道上运行的线速度为v,卫星做圆周运动的向心力有地球对它的万有引力提供.得:, 且有:
得: 7分
(2)设卫星在工作轨道上运行的周期为T,则有:
, 又有:
得: 8分
点评:本题是卫星类型的问题,常常建立这样的模型:环绕天体绕中心天体做匀速圆周运动,由中心天体的万有引力提供向心力.重力加速度g是联系星球表面宏观物体运动和天体运动的桥梁.
正确答案
消息是则假消息
(4分)
(3分)
代入数据得:
(3分)
此消息是则假消息(2分)
其它解答,只要正确,同样给分
如图为一质量为m的卫星绕地球运行的椭圆轨道,其中A为近地点,距离地心为R1;B为远地点,距离地心为R2。若已知卫星在近地点的速度为V1,远地点的速度为V2,则:
(1)求卫星从A运动到B万有引力做的功
(2)卫星在A、B处的加速度之比
正确答案
(1)-
(2)
(1)卫星从A到B的过程用动能定理:-
(6分)
(2)在A 处:(3分)同理:
(2分)
所以: (2分)
一宇宙飞船绕地球做匀速圆周运动,运行n圈所用的时间为t,若地球表面的重力加速度为g,地球半径为R,求飞船的圆轨道离地面的高度.
正确答案
飞船的周期T=;
飞船的向心力由万有引力提供,G=m
r=;
而=g,代入得:
r=
飞船离地高度h=r-R=-R.
“神舟”六号载人飞船在空中环绕地球做匀速圆周运动,某次经过赤道的正上空时,对应的经度为θ1(实际为西经157.5°),飞船绕地球转一圈后,又经过赤道的正上空,此时对应的经度为θ2(实际为180°).已知地球半径为R,地球表面的重力加速度为g,地球自转的周期为T0.求飞船运行的圆周轨道离地面高度h的表达式.(用θ1、θ2、T0、g和R表示)
正确答案
h=-R
用r表示飞船圆轨道半径,M表示地球质量,m表示飞船质量,T表示飞船运行的周期,由万有引力定律和牛顿定律得
G=mω2r=m
r ①
飞船绕地球运行的周期
T=T0 ②
对地球表面上的物体m0,有
G=m0g ③
r=R+h ④
解得轨道高度
h=-R. ⑤
在地球表面圆轨道运行的人造地球卫星,绕行一周所用时间为T,那么地球的密度为______,若地月的密度之比约为5:3,则卫星在月球表面绕行一周需要的时间为______.(万有引力恒量为G,球体积公式为,其中R为球体半径)
正确答案
在地球表面圆轨道运行的人造地球卫星,绕行一周所用时间为T,
根据万有引力提供向心力列出等式
=
M=
密度ρ==
=
若地月的密度之比约为5:3,
所以月球的密度是T.
故答案为:,
T
某卫星在赤道上空做匀速圆周运动,轨道平面与赤道平面重合,运行方向与地球的自转方向相同,轨道半径为r=2R,地球半径为R,地球的自转角速度为ω0,地球表面重力加速度为g.在某时刻该卫星正通过赤道上某建筑物的正上方,试求到它下一次通过该建筑正上方所需时间t多长?
正确答案
试题分析:卫星万有引力提供向心力: (3分)
地表处万有引力近似等于物体重力得:mg= (3 分)
卫星与建筑物两次相遇圆心角关系: (3分)
解得t= (3分)
点评:本题关键:(1)根据万有引力提供向心力求解出角速度;(2)根据地球表面重力等于万有引力得到重力加速度表达式;(3)根据多转动一圈后再次到达城市上空列式.
2005年10月17日,我国第二艘载人飞船“神州六号”,在经过了115个小时32分钟的太空飞行后顺利返回。
(1)飞船在竖直发射升空的加速过程中,宇航员处于超重状态。设点火后不久,仪器显示宇航员对座舱的压力等于他体重的4倍,求此时飞船的加速度大小。地面附近重力加速度g = 10m/s2。
(2)飞船变轨后沿圆形轨道环绕地球运行,运行周期为T。已知地球半径为R,地球表面的重力加速度为g。求飞船离地面的高度。
正确答案
(1)宇航员的受力情况如图所示,由牛顿第二定律得
(2)飞船做匀速圆周运动,万有引力提供向心力
∴
又因地球表面物体的重力等于万有引力:
∴
所以
略
科学家认为火星是太阳系内除地球以外最有可能存在生命的星球。已知地球半径为R,地球表面重力加速度为g,火星的质量是地球质量的0.1倍,火星的半径是地球半径的0.5倍。假设火星是个均匀的球体,且不考虑火星表面大气阻力的影响,请推导并利用以上字母表达:
(1)火星表面的重力加速度g0;
(2)火星探测器能够环绕火星做匀速圆周运动的最大速度;
(3)火星探测器能够围绕火星做匀速圆周运动的最小周期T0。
正确答案
(1) 0.4g (2)
(3)
(1)已知: ① (1分)
② (1分)
(1)对于质量为m的物体,在火星和地球表面分别有:
火星表面: ③ (3分)
地表面: ④ (3分)
联解上四式的: (2分)
(2)设火星探测器质量为m,探测器近火星地表环绕时速度最大。 (1分)
则有: ⑤ (2分)
解得: (2分)
(3)探测器最小周期为:
“神州”六号飞船在预定轨道上飞行,每绕地球一圈需要时间90min,每圈飞行路程约为L=4.2×104km。
(1)试根据以上数据估算地球的质量和密度。(地球的半径R约为6.37×103km,万有引力常量G取6.67×10-11N·m2/kg2)
(2)假设飞船沿赤道平面自西向东飞行,飞行员会看到太阳从东边还是西边出来?如果太阳直射赤道,试估算飞行员每天能看到多少次日出日落?飞船每转一圈飞行员看不见太阳的时间有多长?(已知cos 18.2=0.95)
正确答案
(1) 5.6103kg/m3 (2) 36min
(1)由L=2r可得 r=
=6.68
km,
根据G=mr
得
M=r3=6.0
1024kg ,
又=
,
=
,
=
=5.6
103kg/m3。
(2)地球自西向东旋转,飞船沿赤道平面自西向东飞行的速度大于地球旋转速度,飞行员会看到太阳从东边出来。地球自转的周期为24h,地球自转一周,飞船运转2460/90=16圈,飞船运转一圈能看到一次日出日落,所以飞行员每天能看到16次日出日落。飞船转到地球的背影区飞行员就看不到太阳(如上图所示)。由图可知sin
=
=0.95,
则=71.80
飞行员每转一圈看不见日出的时间为t=min
36min
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