- 万有引力与航天
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已知地球半径R,地面附近重力加速度g,在距离地面高为h的圆形轨道上的卫星做匀速率圆周运动的线速度v和周期T.(用R、g、h来表示)
正确答案
、V= T=
解:根据圆周运动的知识,卫星围绕地球运转,设地球的质量为M,卫星的质量为m,由万有引力公式得,
,则
,
卫星在空中的向心力由万有引力提供,则
,
所以卫星做匀速率圆周运动的线速度,
卫星做匀速率圆周运动的周期
宇航员在月球表面以速率v竖直上抛一个小球,经过t秒落回原地,已知月球半径为R,如果要在月球上发射一颗绕月球表面运行的人造卫星,则卫星的线速度为 ;
正确答案
竖直上抛和自由落体运动是互为逆运动的,所以可得
根据公式,
,联立三式可得:
在月球表面上空让一个小球由静止开始自由下落,测出下落高度h=20m时,下落的时间正好为t=5s,则:
(1)月球表面的重力加速度g月为多大?
(2)小球下落2.5秒时的瞬时速度为多大?
正确答案
(1)1.6m/s2 (2)4m/s
(1) g= (3分)
g=1.6m/s2 (2分)
(2) v=gt (3分)
v=4m/s (2分)
我国预计在2007年4月份发射一颗绕月运行的探月卫星“嫦娥1号”。 设“嫦娥1号” 卫星环绕月球做圆周运动,并在此圆轨道上绕行n圈,飞行时间为t。已知月球半径为R,月球表面的重力加速度为g。导出飞船在上述圆轨道上运行时离月球表面高度h的公式(用t、n、R、g表示)
正确答案
设月球质量为M,探测器质量为m,引力常量为G,在圆轨道上运行周期为T,由万有引力定律和牛顿第二定律得
①
由题意得 ②
探测器在月球表面上时 ③
由以上各式得,离地面的高度 ④
本题是一道天体运动方面的试题。综合了万有引力定律、牛顿第二定律、圆周运动等考点,均为主干知识。试题中等难度。本题的亮点是以探月卫星“嫦娥1号”为话题引导学生关注科技进展,关注社会进步,是一道很好的试题。
在地球轨道外侧有一颗绕太阳同向运行的小行星,每隔t时间与地球相距最近,已知地球绕太阳公转半径是R,周期是T,设地球和小行星轨道都是圆,则小行星距太阳的距离r= ________ .
正确答案
略
有一个近地面飞行的人造卫星,其轨道速度为7.9km/s,则离地面高度h=19200km飞行的人造卫星,其线速度为多大?已知地球半径为=6400km
正确答案
3.95km/s
我国探月工程已顺利将“嫦娥一号”探测器送入极月圆形环月工作轨道,图3为“嫦娥一号”探测器飞行路线示意图。
(1)在探测器飞离地球的过程中,地球对它的引力 (选填“增大”“减小”或“不变”。)
(2)已知月球与地球质量之比为M月:M地=1:81,当探测器飞到月球与地球连线上某点P时,它在此处所受地球引力与月球引力之比为4∶1,此时P到月球球心与地球球心的距离之比为 。
(3)结合图中信息,通过推理,可以得出的结论是( )
①探测器飞离地球时速度方向指向月球。
②探测器经过多次轨道修正,进入预定绕月轨道。
③探测器绕地球的旋转方向与绕月球的旋转方向一致。
④探测器进入月球轨道后,运行半径逐渐减小,直至到达预定轨道。
正确答案
(1)减小,(2)2:9,(3)A。
(1)由万有引力定律可知,当距离增大时,引力减小。
(2)由题意可知:,即
。(3)由探测器的飞行路线可以看出,当到达月球轨道时与月球“相遇”,故①错;探测器需要经过多次轨道修正才能进入预定轨道,故②对;探测器绕地球转动方向为逆时针方向,绕月球转动方向为顺时针方向,故③错;探测器进行绕月球轨道后,运行半径逐减小,直至到达预定轨道,故④对。
质量为m的登月器与航天飞机连接在一起,随航天飞机绕月球做半径为3R( R为月球半径)的圆周运动。当它们运行到轨道的A点时,登月器被弹离, 航天飞机速度变大,登月器速度变小且仍沿原方向运动,随后登月器沿椭圆登上月球表面的B点,在月球表面逗留一段时间后,经快速起动仍沿原椭圆轨道回到分离点A与航天飞机实现对接。已知月球表面
的重力加速度为g月。科学研究表明,天体在椭圆轨道
上运行的周期的平方与轨道半长轴的立方成正比。试求:
(1)登月器与航天飞机一起在圆周轨道上绕月球运行的周期是多少?
(2)若登月器被弹射后,航天飞机的椭圆轨道长轴为8R,则为保证登月器能顺利返回A点,登月器可以在月球表面逗留的时间是多少?
正确答案
(1)设登月器和航天飞机在半径3R的轨道上运行时的周期为T,因其绕月球作圆周运动,所以应满足-------------①
同时月球表面的物体所受重力和引力的关系满足--------------②
联立①②得 --------------③ (4分)
(2)设登月器在小椭圆轨道运行的周期是T1,航天飞机在大椭圆轨道运行的周期是T2。对登月器依题意有:------④
解得-----⑤(2分)
对航天飞机依题意有:-----------⑥
解得 ------⑦(2分)
为使经登月器仍沿原椭圆轨道回到分离点与航天飞机实现对接,登月器可以在月球表面逗留的时间t应满足:t="nT2-T1" (其中,n=1、2、3、)-----⑧
联立③⑤⑦⑧得 (其中,n=1、2、3、) (4分)
略
(17分) 在“嫦娥探月”工程中,假设月球半径为R,月球表面的重力加速度为,飞船在半径为4R的圆形轨道Ⅰ运动,到达轨道的A点点火变轨进入椭圆轨道Ⅱ,到达轨道的近月点B再次点火进入月球近月轨道Ⅲ绕月球作圆周运动.求:
(1)飞船在轨道Ⅰ上的运行速率;
(2)飞船在A点处点火后瞬间与点火前相比,速度是变大还是变小?
(3)飞船在轨道Ⅲ绕月球运行一周所需的时间.
正确答案
(1)
(2)减小
(3)
(1)设月球的质量为M,飞船的质量为m,则
(4分)
(4分)
解得 (2分)
(2)减小(2分)
(3)设飞船在轨道Ⅲ绕月球运行一周所需的时间为T,则
(3分)
∴ (2分)
(原创题)质量为m的卫星在绕地球进行无动力飞行时,它和地球系统的机械能守恒,它们之间势能的表达式是Ep=(取无穷远处为势能零点)。现在欲将这颗质量为m的卫星从近地圆轨道发射到近地r1=R,远地r2=3R的椭圆轨道上去,(卫星在这一轨道上的能量和r3=2R的圆周轨道上的能量相同),则需要在近地的A点一次性提供多少能量?(R为地球半径)
正确答案
hL
略
一个人在某一星球上以速度V竖直上抛一个物体,经时间t落回抛出点。已知该星球的半径为R,若要在该星球上发射一颗靠近该星球运转的人造卫星,则该人造卫星的速度大小为多少?
正确答案
在某个行星上,以初速度v0竖直上抛一个物体,测得其上升的最大高度为H,已知该行星的直径为d,若给该行星发射一颗在其表面附近运转的匀速圆周运动的卫星,则该卫星的绕行速度有多大?
正确答案
物体做竖直上抛匀减速直线运动时,有v2-v02=2as,即-v02=-2g′H
所以可求得行星表面的重力加速度为:g′=
对环绕行星表面的卫星有:mg′=m
可以求得运行速度为:v=.
答:该卫星的绕行速度是
我国成功发射的“神舟五号”,火箭全长58.3m,起飞重量为479.8×103kg,火箭点火升空,飞船进入预定轨道,“神舟五号”环绕地球飞行14圈用的时间是21h。飞船点火竖直升空时,航天员杨利伟感觉“超重感比较强”,仪器显示他对座舱的最大压力等于他体重的5倍。飞船进入轨道后,杨利伟还多次在舱内漂浮起来。假设飞船运行的轨道是圆形轨道。(地球半径R取6.4×103km,地面重力加速度g=10m/s2,计算结果取二位有效数字)
(1)试分析航天员在舱内“漂浮起来”的现象产生的原因。
(2)求火箭点火发射时,火箭的最大推力。
(3)估算飞船运行轨道距离地面的高度。
正确答案
解:(1)完全失重
(2)N-mg=ma,N=5mg,F-Mg=Ma
∴ F=5Mg=2.4×107N
(3)T=t/n=5400s,GMm/R2=mg,GMm/(R+h)2=m42(R+h)/T2
∴h=3.2×105m
已知地球半径为R,地球表面重力加速度为g,引力常量为G,不考虑地球自转的影响。
(1)求卫星环绕地球运行的第一宇宙速度v1;
(2)若卫星绕地球做匀速圆周运动且运行周期为T,求卫星运行半径r;
(3)由题目所给条件,请提出一种估算地球平均密度的方法,并推导出密度表达式。
正确答案
解:(1)设卫星的质量为m,地球的质量为M
物体在地球表面附近满足 ①
第一宇宙速度是指卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动的速度,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
(2)卫星受到的万有引力为 ③
由①③式解得
(3)设质量为m0的小物体在地球表面附近所受重力为m0g,则
将地球看成是半径为R的球体,其体积为V,
地球的平均密度为
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)推到第一宇宙速度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 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)卫星受到的万有引力为 ③
由牛顿第二定律 ④
③、④联立解得
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