- 万有引力与航天
- 共16469题
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。已知地球半径为,地球自转角速度为o,地球表面的重力加速度为,O为地球中心。
(1)求卫星B的运行周期。
(2)如卫星B绕行方向与地球自转方向相同,某时刻 A、B两卫星相距最近(O、B、A在同一直线上),则至少经过多长时间,他们再一次相距最近?
正确答案
解:(1)由万有引力定律和向心力公式得 =
(+) ①
=②
联立①②得 =2π ③
(2)由题意得 (-0)=2 ④
由③得 := ⑤
代入④得:=
已知地球半径为R,地球表面重力加速度为g,不考虑地球自转的影响。
(1)推导第一宇宙速度v1的表达式;
(2)若卫星绕地球做匀速圆周运动,运行轨道距离地面高度为h,求卫星的运行周期T。
正确答案
解:(1)设卫星的质量为m,地球的质量为M
在地球表面附近满足
得GM=Rg ①
卫星做圆周运动的向心力等于它受到的万有引力 ②
①式代入②式,得到
(2)考虑①式,卫星受到的万有引力为 ③
由牛顿第二定律 ④
③④式联立解得
已知地球半径R=6.4×106 m,地面附近重力加速度g=9.8 m/s2,一颗卫星在离地面高为h=3.4×106 m的圆形轨道上做匀速圆周运动。求:
(1)卫星运动的线速度;
(2)卫星的周期。
正确答案
解:(1)在地面附近有 ①
在离地面h高处轨道上有 ②
由①②联立得=6.4×103 m/s
(2)由得
地球的两颗人造卫星质量之比m1:m2=1:2,圆运动轨道之比r1:r2=1:4,求:
(1)线速度之比υ1:υ2=______;
(2)角速度之比ω1:ω2=______;
(3)向心力之比F1:F2=______.
正确答案
(1)根据万有引力提供向心力G=m
,得:v=
,所以有:
=
=
=
.
(2)根据万有引力提供向心力G=mω2r,得:ω=
,所以有:
=
=
=
(3)根据万有引力提供向心力G=F向,所以有:
=
×(
)2=
×
=
.
故答案为:(1)2:1;(2)8:1;(3)8:1;
2007年10月24日18时29分,星箭成功分离之后,“嫦娥一号”卫星进入半径为205km的圆轨道上绕地球做圆周运动,卫星在这个轨道上“奔跑”一圈半后,于25日下午进行第一次变轨,变轨后,卫星轨道半径将抬高到离地球约600km的地方,如图所示.已知地球半径为R,表面重力加速度为g,求质量为m的“嫦娥一号”卫星以速率v在某一圆轨道上绕地球做圆周运动,求此时卫星距地球地面高度h1.
正确答案
根据G=m
r=,又GM=gR2
所以轨道半径r=.
则h1=-R
答:此时卫星距地球地面高度h1=-R.
中国“嫦娥一号”绕月探测卫星完成三次近月制动后,成功进入周期T=127min、高度h=200km的近月圆轨道.
(1)已知月球半径为R=1.72×106 m,求卫星在高度200km的圆轨道上运行的速度υ和轨道处的重力加速度g.
(2)“嫦娥一号”轨道的近月点到月球球心的距离r近=193km,远月点到月球球心的距离r远=194km.张明、王玉两同学利用不同方法分别计算出卫星经过近月点时速度v近、近月点到月球球心的距离r近和经过远月点时速度υ远、远月点到月球球心的距离r远的关系.
张明的方法:=
=
由(1)、(2)得υ-υ=
(r-r)=g(r-r)
王玉的方法:
mυ-
mυ=mg(r-r) 得υ-υ=2g(r-r)
请分别对这两个同学的计算方法作一评价,并估算从远月点到近月点卫星动能的增量.(卫星质量为1650kg,结果保留两位有效数字)
正确答案
(1)“嫦娥一号”卫星绕月做匀速圆周运动,则运行速度 υ= ①
代入得 υ==1.6×103(m/s) ②
由mg=m得:g=
=
=1.3 (m/s2) ③
(2)张明的思路方法错误,因为卫星绕月球做椭圆运动时,在远月点和近月点做的不是匀速圆周运动,不能由万有引力等于向心力求速度.
王玉的方法正确,但所列方程式是错误的.④
由动能定理得
△Ek=mg(r远-r近)=1650×1.3×(1.94-1.93)×105=2.1×106(J) ⑤
答:
(1)卫星在高度200km的圆轨道上运行的速度υ是1.6×103m/s,轨道处的重力加速度g是1.3m/s2.
(2)张明的思路方法错误,因为卫星绕月球做椭圆运动时,在远月点和近月点做的不是匀速圆周运动,不能由万有引力等于向心力求速度.王玉的方法正确,但所列方程式是错误的.从远月点到近月点卫星动能的增量为为2.1×106J.
“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(实际为西经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
飞船转一周,地球转动△θ=θ2-θ1,
飞船绕地球做圆周运动的周期T=T0=
T0 ①,
设地球质量为M,飞船质量为m,飞船轨道半径为r,
由牛顿第二定律得:=m(
)2r ②,
对地球表面上的物体m0,有m0g=G ③,
由①②③解得:r=,
则飞船运行的圆周轨道离地面高度h=r-R=-R;
答:飞船运行的圆周轨道离地面高度-R.
近地侦察卫星在通过地球两极上空的圆轨道(轨道平面垂直于赤道平面)上运行,连续两次经过日照条件下的赤道上空时,恰能正对赤道上经度差为30°的两个军事目标进行拍摄.求(1)卫星的运行周期(2)卫星离地面的高度(3)卫星的线速度.设地球半径为R,地面处的重力加速度为g,地球自转的周期为T.
正确答案
(1)由题可知卫星绕行一周,地球自转过30°,
所以卫星周期为T′=
(2)设卫星离地面的高度为h,根据万有引力提供向心力列出等式
则=m(R+h)(
)2
又=mg
得h=-R
(3)根据圆周运动的公式得
v=ω•(R+h)=(R+h)
得 v=
答:(1)卫星的运行周期是T′=
(2)卫星离地面的高度是-R
(3)卫星的线速度是v=.
晴天晚上,人能看见卫星的条件是卫星被太阳照着且在人的视野之内.一个可看成漫反射体的人造地球卫星的圆形轨道与赤道共面,卫星自西向东运动.春分期间太阳垂直射向赤道,赤道上某处的人在日落后8小时时在西边的地平线附近恰能看到它,之后极快地变暗而看不到了.已知地球的半径R地=6.4×106m,地面上的重力加速度为10m/s2,估算:(答案要求精确到两位有效数字)
(1)卫星轨道离地面的高度.
(2)卫星的速度大小.
正确答案
(1)从北极沿地轴往下看的地球俯视图如图所示,
设卫星离地高h,Q点日落后8小时时能看到它反射的阳光.
日落8小时Q点转过的角度设为θ,
θ=×360°=120°
轨道高h=-R地
=6.4×106×(-1)=6.4×106m
(2)地面处,重力等于万有引力mg=G
卫星处,mgr=G
两式相比得=(
)2
因为卫星轨道半径r=R地+h=2R地
所以,gr=g地=2.5m/s2
又因为,mgr=m
解得v==
=5.7×103m/s
答:(1)卫星轨道离地面的高度等于地球的半径,为6.4×106m.
(2)卫星的速度大小5.7×103m/s.
已知地球半径为R,地球表面重力加速度为g,不考虑地球自转的影响。
(1)推导第一宇宙速度v1的表达式;
(2)若卫星绕地球做匀速圆周运动,运行轨道距离地面高度为h,求卫星的运行周期T。
正确答案
解:(1)设卫星的质量为m,地球的质量为M
在地球表面附近满足
得GM=Rg ①
卫星做圆周运动的向心力等于它受到的万有引力 ②
①式代入②式,得到
(2)考虑①式,卫星受到的万有引力为 ③
由牛顿第二定律 ④
③④式联立解得
我国于1970年4月24日在酒泉发射了第一颗人造地球卫星“东方红”一号,从此进入了航天大国的行列,设卫星的轨道近似看做圆,“东方红”一号绕地球一周需114min,你认为还需要哪些条件,就可以推算出他的轨道半径?
正确答案
地球的质量M,根据
地球的质量为M,半径为R,万有引力恒量为G,则绕地球运动的近地卫星的运动周期T0=______;我国成功发射了质量为m的“神舟”号“载人”试验飞船,它标志着我国载人航天技术有了新的重大突破.该飞船在环绕地球的椭圆轨道上运行,假设在运行中它的速度最大值为Vm,当它由远地点运行到近地点的过程中,地球引力对它做功为W,则宇宙飞船在近地点的速度为______,在远地点的速度为______.
正确答案
根据万有引力提供卫星做圆周运动的向心力列出等式
=m
近地卫星的运动周期T0=2π
人造地球卫星在从近地点向远地点运行的过程中,速度逐渐减慢,动能减小,宇宙飞船在近地点的速度为vm.
从远地点运行到近地点的过程中只有重力做功,根据动能定理得
W=m
-
m
v远=
故答案为:2π,vm,
有一颗人造地球卫星,绕地球做匀速圆周运动。卫星与地心的距离为地球半径的2倍,卫星圆形轨道平面与地球赤道平面重合。卫星上的太阳能收集板可以把光能转化为电能,已知地球表面重力加速度为,近似认为太阳光是平行光,试估算:
(1)卫星做匀速圆周运动的周期;
(2)卫星绕地球一周,太阳能收集板工作的时间。
正确答案
解:(1)地球卫星做匀速圆周运动,根据牛顿第二定律:
在地球表面有:
∴ 卫星做匀速圆周运动的周期为:
(2)当卫星在阴影区时不能接受阳光,据几何关系: ∠AOB=∠COD=
∴卫星绕地球一周,太阳能收集板工作时间为:t=T=
。
我国发射的“嫦娥一号”卫星发射后首先进入绕地球运行的“停泊轨道”,通过加速再进入椭圆“过渡轨道”,该轨道离地心最近距离为L1,最远距离为L2,卫星快要到达月球时,依靠火箭的反向助推器减速,被月球引力“俘获”后,成为环月球卫星,最终在离月心距离L3的“绕月轨道”上飞行。已知地球半径为R,月球半径为r,地球表面重力加速度为g,月球表面的重力加速度为g/6,求:
(1)卫星在“停泊轨道”上运行的周期;
(2)卫星在“绕月 轨道”上运行的线速度。
正确答案
解:(1),
得:
(2),
得:
A.某人造地球卫星在其轨道上绕地球做圆周运动,它受到的向心力大小为F,运行周期为T.如果该卫星的运行轨道半径变为原来的两倍,则它受到的向心力将变为______,运行周期将变为______.
B.某同学的质量为60kg,在一次军事训练中,他以2m/s的速度从岸上跳到一条正对着他缓缓飘来的小船上,小船的速度为0.5m/s.该同学跳上船后又走了几步,最终停在船上时小船的速度大小为0.25m/s,方向与该同学原来的速度方向一致.则该同学的动量的变化量为______kg•m/s,小船的质量为______kg.
正确答案
A、根据卫星做匀速圆周运动时万有引力提供向心力得:
F=G得:运行轨道半径变为原来的两倍,则它受到的向心力将变为原来的四分之一,即为
,
根据G=m
得:T=
,运行轨道半径变为原来的两倍,则T′=2
T
故答案为:,2
T
B、规定向右为正方向,设人上船后船人共同速度为v,由动量守恒:m人v人-m船v船=(m人+m船)v
解得:m船=140kg
人的动量的变化量△P为:△P=m人v-m人v人=-105kg•m/s.
故答案为:-105,140
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