- 万有引力与航天
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设地球的质量为M,半径为R,自转角速度为ω,万有引力常量为G,同步卫星离地面的高度为h,表示同步卫星的运行速度有以下几种:①v=ω(R+h);②v=;③v=
;④v=R
;⑤v=
.说法正确的是( )
正确答案
解析
解:因为同步卫星的角速度与地球自转的角速度相等,则同步卫星的线速度v=ωr=ω(R+h).故①正确.
根据万有引力提供向心力,有:G=m
,解得v=
.
设R+h=r,则v=,故②正确.
因为v=,则v2=
,v3=
=GMω,所以v=
.故③正确.
因为GM=gR2,所以v==R
.故④正确.
因为=mgh,又GM=gR2=gh(R+h)2,所以v=
,故⑤错误,故C正确,A、B、D错误.
故选C.
2014年6月30日,印度极地卫星运载火箭携带五枚卫星从萨蒂什•达万航天中心成功发射升空.如图所示,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,地球看作球体).若已知一颗极地卫星从北纬30°的正上方,按图示方向第一次运行至赤道正上方时所用时间为0.25h,已知纬度是指某点与地球球心的连接和地球赤道面所成的线面角,则同步卫星的线速度v1大小和该极地卫星的线速度v2大小之比为( )
正确答案
解析
解:从北纬30°的正上方按图示方向第一次运行至南纬60°正上方转过的圆心角为θ=,用时0.75h,故该极地卫星的周期为T2=3h.
而同步卫星的周期为T1=24h,
由牛顿第二定律得:得,
v=
可得:
由于
故有:
故选:C.
我国“北斗”卫星导航定位系统由5颗静止轨道卫星(赤道上空运行的同步卫星)和30颗非静止轨道卫星组成.关于这5颗静止轨道卫星,下列说法中正确的是( )
正确答案
解析
解:A、它若在除赤道所在平面外的任意点,假设实现了“同步”,那它的运动轨道所在平面与受到地球的引力就不在一个平面上,这是不可能的,因此同步卫星相对地面静止不动,则周期均相同,故A错误;
B、根据万有引力提供向心力,列出等式:=m
(R+h),其中R为地球半径,h为同步卫星离地面的高度.由于同步卫星的周期必须与地球自转周期相同,所以T为一定值,根据上面等式得出:同步卫星离地面的高度h也为一定值.由于轨道半径一定,则线速度的大小也一定,故B错误;
C、第一宇宙速度是近地卫星的环绕速度,也是最大的圆周运动的环绕速度.而同步卫星的轨道半径要大于近地卫星的轨道半径,根据v=可以发现,同步卫星运行的线速度一定小于第一宇宙速度,故C正确;
D、根据万有引力提供向心力,列出等式:=mg,向心加速度小于9.8m/s2,故D错误.
故选:C.
地球的质量为M,自转的周期为T,引力常量为G,半径为R,则地球同步卫星距离地面的高度为______.
正确答案
-R
解析
解:对卫星B,设它到地面高度为h,同理由万有引力充当向心力可得:
G=m
(R+h)
解得:h=-R
故答案为:.
(2015秋•重庆校级月考)地球赤道上的物体随地球自转的向心加速度为a,地球的同步卫星绕地球做匀速圆周运动的轨道半径为r1,向心加速度为a1.已知万有引力常量为G,地球半径为R,地球赤道表面的加速度为g.下列说法正确的是( )
正确答案
解析
解:A、地球赤道上的物体随地球自转时有:
,
解得:M=,故A错误;
B、地球的同步卫星绕地球做匀速圆周运动,万有引力提供向心力,则有:
解得:M=,故B正确;
C、同步卫星的角速度和地球自转的角速度相等,物体的角速度也等于地球自转的角速度,所以地球同步卫星与物体的角速度相等.
根据a=rω2得,a1:a=r:R,则a<a1,
在地球表面,根据重力等于万有引力得:
解得:g=,而
,则g>a1,所以a<a1<g,故C正确,D错误.
故选:BC
关于地球同步卫星,下列说法中正确的是( )
正确答案
解析
解:A、由于同步卫星的周期必须与地球自转周期相同,根据ω=,所以卫星的运行角速度与地球的自转角速度相同,它若在除赤道所在平面外的任意点,假设实现了“同步”,那它的运动轨道所在平面与受到地球的引力就不在一个平面上,因此轨道平面与赤道平面重合.故A正确.
B、根据=m
,可知,当轨道半径越大时,线速度越小,则卫星的运行速度小于7.9km/s.故B错误.
C、根据万有引力提供向心力,列出等式:=m
(R+h),其中R为地球半径,h为同步卫星离地面的高度.
由于同步卫星的周期必须与地球自转周期相同,所以T为一定值,
根据上面等式得出:同步卫星离地面的高度h也为一定值,故C错误.
D、根据C分析可知,因高度一定,根据=m
,则有每一个地球同步卫星的线速度大小相同.故D正确.
故选:AD.
2010年1月17日,我国成功发射北斗COMPASS-G1地球同步卫星.据了解这已是北斗卫星导航系统发射的第三颗地球同步卫星.则对于这三颗已发射的同步卫星,下列说法中正确的是( )
正确答案
解析
解:A、所有地球的同步卫星都位于赤道的上空,在相同的轨道上运行,轨道半径相同.故AD错误.
B、同步卫星的周期与地球的周期相同,根据ω=知,同步卫星的角速度相等.故B正确.
C、根据万有引力提供向心力G=m
得:v=
,轨道半径越大,线速度越小,7.9km/h是贴近地球表面运行的速度,所以同步卫星的速度小于7.9km/h.故C错误.
故选:B.
下列关于地球同步通讯卫星的说法中正确的是( )
正确答案
解析
解:A、所有同步通讯卫星的周期都是24h,故A正确;
B、同步卫星运行轨道为位于地球赤道平面上空圆形轨道,轨道固定不变,故B正确;
C、因为同步卫星要和地球自转同步,即同步卫星周期T为一定值,根据F==m
r,因为T一定值,所以 r 也为一定值,所以同步卫星距离地面的高度是一定值,故C错误.
D、v=,a=
,
所以不同的同步通讯卫星运行的线速度大小是相同的,加速度的大小也相同,故D错误;
故选:AB.
北斗卫星导航系统是我国自行研制开发的区域性三维卫星定位与通信系统(CNSS),建成后的北斗卫星导航系统包括5颗同步卫星和30颗一般轨道卫星.对于其中的5颗同步卫星.下列说法中正确的是( )
正确答案
解析
解:A、第一宇宙速度是近地卫星的环绕速度,也是最大的圆周运动的环绕速度.而同步卫星的轨道半径要大于近地卫星的轨道半径,所以它们运行的线速度一定小于7.9km/s,故A错误
B、同步卫星的运行周期与地球的自转周期相同,故B错误
C、因为同步卫星要和地球自转同步,所以运行轨道就在赤道所在平面内,根据F==mω2r,因为ω一定,所以 r 必须固定,
所以一定位于空间同一轨道上,故C正确
D、根据=ma得它们运行的加速度大小相等,而方向不同,故D错误;
故选C.
已知地球半径为R,地球质量为M,万有引力常量为G,在距地面高为h的轨道上有一做匀速圆周运动的人造卫星,求:
(1)该卫星的速度为______
(2)该卫星的周期为______
(3)该卫星的角速度为______
(4)该卫星的加速度为______.
正确答案
2π
解析
解:卫星绕地球做圆周运动,万有引力提供向心力,设卫星质量为m;
(1)由牛顿第二定律得:G=m
,解得卫星线速度为:v=
;
(2)由牛顿第二定律得:G=m
(R+h),解得:T=2π
;
(3)由牛顿第二定律得:G=mω2(R+h),解得:ω=
;
(4)由牛顿第二定律得:G=ma,解得:a=
;
故答案为:(1);(2)2π
;(3)
;(4)
.
如图所示,发射同步卫星的一般程序是:先让卫星进入一个近地的圆规道,然后在P点变轨,进入椭圆变形转移轨道(该椭圆轨道的近地点为近地圆规道上的P,远地点为同步圆规道上的Q),达到远地点Q时再次变轨,进入同步轨道.设卫星在近地圆轨道上运行的速率为v1,在椭圆形转移轨道的近地点P点的速率为v2,沿转移轨道刚到达远地点Q时的速率为v3,在同步轨道上的速率为v4,三个轨道上运动的周期分别为T1、T2、T3,则下列说法正确的是( )
正确答案
解析
解:A、由离心运动条件,则有在P点变轨时需要加速,Q点变轨时仍要加速,故A错误;
B、卫星从P点运动到Q点的过程,做椭圆运动,引力与速度夹角大于90°,则引力做负功,故B正确;
C、根据开普勒第三定律,可知,半径越大的,周期越大,因此T1<T2<T3,故C正确;
D、卫星从近地圆轨道上的P点需加速,使得万有引力小于向心力,进入椭圆转移轨道.
所以在卫星在近地圆轨道上经过P点时的速度小于在椭圆转移轨道上经过P点的速度.v1<v2,
沿转移轨道刚到达Q点速率为v3,在Q点点火加速之后进入圆轨道,速率为v4,所以在卫星在转移轨道上经过Q点时的速度小于在圆轨道上经过Q点的速度,即v3<v4,
根据G=m
得,v=
,知同步轨道的半径大于近地轨道的半径,则v1>v4.
综上可知v2>v1>v4>v3,故D正确;
故选:BCD.
同步卫星是与地球自转同步的人造地球卫星,它位于赤道的正上方,而且( )
正确答案
解析
解:A、卫星的速度公式v=,r一定,故同步卫星的线速度大小是一定的.故A错误;
B、根据同步卫星与地球同步,那么运动周期也一定的,故B错误.
C、因为同步卫星要和地球自转同步,即ω相同,根据F=G=mω2r,因为ω是一定值,所以r也是一定值,所以同步卫星离地心的距离是一定的.故C正确,D错误.
故选:C.
在地球的圆形同步轨道上有某一卫星正在运行,则下列说法正确的是( )
正确答案
解析
解:A、因为高度越高,重力加速度越小,所以同步卫星轨道上的重力加速度小于地面重力加速度,可知卫星重力小于在地球表面时受到的重力.故A正确.
B、卫星绕地球做匀速圆周运动,处于万有失重状态,但是重力不为零.故B错误.
C、同步卫星的周期一定,根据万有引力提供向心力G=mr
知,轨道半径一定,则高度一定,位于赤道平面.故C错误.
D、同步卫星相对地面静止,处于圆周运动,不是处于平衡状态.故D错误.
故选:A.
我国已经成功发射北斗COMPASS-G1地球同步卫星.据了解这已是北斗卫星导航系统发射的第三颗地球同步卫星.则对于这三颗已发射的同步卫星,下列说法中正确的是( )
正确答案
解析
解:A、地球的第一宇宙速度是卫星贴近地球表面做匀速圆周运动的速度.根据G=m
,r越大,v越小,可知同步卫星的速度小于第一宇宙速度.故A正确.
B、同步卫星的特点:定周期(24h),定轨道(赤道上方),定高度,定速率.故B、C均错误.
D、根据公式:a=rω2,同步卫星的半径大于地球的半径,而同步卫星的角速度与地球自转的角速度相等,故D正确.
故选:AD.
已知引力常量G,地球半径R,月球和地球之间的距离r,同步卫星距地面的高度h,月球绕地球的运转周期T1,地球的自转周期T2,地球表面的重力加速度g,某同学根据以上条件,提出一种估算地球质量M的方法:
同步卫星绕地心做圆周运动,由G=mh
得M=
(1)请判断上面的结果是否正确,并说明理由,如不正确,请给出正确的解法和结果;
(2)请根据已知条件再提出两种估算地球质量的方法并解得结果(用上面所给的已知量表示).
正确答案
解:(1)上面结果是错误的,地球的半径R在计算过程中不能忽略,
正确解法和结果:
得:.
(2)方法一:月球绕地球做圆周运动,
由,
得.
方法二:在地面重力近似等于万有引力由=mg
得M=;
答:(1)上面的结果错误的,正确解法和结果:
得:;
(2)两种估算地球质量的方法并解得结果所上述所示.
解析
解:(1)上面结果是错误的,地球的半径R在计算过程中不能忽略,
正确解法和结果:
得:.
(2)方法一:月球绕地球做圆周运动,
由,
得.
方法二:在地面重力近似等于万有引力由=mg
得M=;
答:(1)上面的结果错误的,正确解法和结果:
得:;
(2)两种估算地球质量的方法并解得结果所上述所示.
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