- 万有引力与航天
- 共16469题
神舟五号载入飞船在绕地球飞行的第5圈进行变轨,由原来的椭圆轨道变为距地面高度h=342km的圆形轨道。已知地球半径R=6.37×103km,地面处的重力加速度g=10m/s2。试导出飞船在上述圆轨道上运行的周期T的公式(用h、R、g表示),然后计算周期T的数值(保留两位有效数字)。
正确答案
5.4×103s
设地球质量为M,飞船质量为m,速度为v,圆轨道的半径为r,由万有引力和牛顿第二定律,有
地面附近
由已知条件 r=R+h
解以上各式得
代入数值,得 T=5.4×103s
行星的平均密度为,靠近行星表面的卫星,其运行周期为T,试证明
为一常数。
正确答案
将行星看作一球体,半径为R
则
对卫星,万有引力提供向心力,贴地运行轨道半径
代入上式得
,G为万有引力恒量,
是一个对任何行星都适用的常数。
可见,若近地卫星运行周期为T,则行星平均密度
点拨:若不是近地卫星,利用环绕周期T和轨道半径可计算行星质量M和密度。
,
将行星看作一球体,半径为R
则
对卫星,万有引力提供向心力,贴地运行轨道半径
代入上式得
,G为万有引力恒量,
是一个对任何行星都适用的常数。
可见,若近地卫星运行周期为T,则行星平均密度
点拨:若不是近地卫星,利用环绕周期T和轨道半径可计算行星质量M和密度。
,
将行星看作一球体,半径为R
则
对卫星,万有引力提供向心力,贴地运行轨道半径
代入上式得
,G为万有引力恒量,
是一个对任何行星都适用的常数。
可见,若近地卫星运行周期为T,则行星平均密度
点拨:若不是近地卫星,利用环绕周期T和轨道半径可计算行星质量M和密度。
,
某颗人造地球卫星在距地面高度为h的圆形轨道上绕地球飞行,其运动可视为匀速圆周运动。已知地球半径为R,地面附近的重力加速度为g。
请推导:(1)卫星在圆形轨道上运行速度 (2)运行周期的表达式。
正确答案
(1);(2)
试题分析:(1)地球对人造卫星的万有引力提供人造卫星向心力
解得:
又在地球表面有一质量为m0的物体,GM=R2g
解得v= (1分)
(2)
如图所示, O点为地球的地心,实线圆表示地球赤道,虚线圆表示某一同步卫星轨道,A点表示同步卫星所在位置。若已知地球的半径为R,地球的自转周期为T,地球表面处的重力加速度为g。求:
(1)同步卫星的高度;
(2)同步卫星能覆盖到的赤道上圆弧所对应的圆心角θ。
正确答案
(1)-R (2)
(1)卫星所受的万有引力提供向心力
① …………………… (4分)
在地球表面 ② …………………… (4分)
由①②式解得 -R …………………… (2分)
(2) 由 …………………… (4分)
…………………… (2分)
(19分)“嫦娥三号”在月面成功软着陆,该过程可简化为:距月面15 km时,打开反推发动机减速,下降到距月面H=l00m.处时悬停,寻找合适落月点;然后继续下降,距月面h=4m时,速度再次减为零;此后关闭所有发动机,自由下落至月面。“嫦娥三号”质量为m(视为不变),月球质量是地球的k倍.月球半径是地球的n倍,地球半径为R、表面重力加速度为g;月球半径远大于H,不计月球自转的影响。以下结果均用题中所给符号表示。
(1)求月球表面的重力加速度大小;
(2)求“嫦娥三号”悬停时反推发动机的推力大小F,以及从悬停处到落至月面过程中所有发动机对“嫦峨三号”做的功W;
(3)取无穷远处为零势能点,月球引力范围内质量为m的物体具有的引力势能,式中G为万有引力常量,
为月球的质量,r为物体到月心的距离。若使“嫦娥三号”从月面脱离月球引力作用,忽略其它天体的影响,发射速度v0至少多大?(用k、n、g、R表示)
正确答案
(1)(2)
(3)
试题分析:(1)嫦娥三号在地球上,根据万有引力定律有:
嫦娥三号在月球上,根据万有引力定律有:,又
,解得
(2)嫦娥三号悬停时,由平衡条件可得 ,由上式可得:
嫦娥三号由悬停到落至月面,由功能关系有:,解得
(3)嫦娥三号从月面到无穷远处过程中,由能量守恒定律,有,由上述式子联立可得:
如图9所示,在发射地球同步卫星的过程中,卫星首先进入椭圆轨道Ⅰ,然后在Q点通过改变卫星速度,让卫星进入地球同步轨道Ⅱ。则该卫星的发射速度 11.2km/s(填大于、小于或等于),卫星在同步轨道Ⅱ上的运行速度必定 7.9km/s (填大于、小于或等于)。
正确答案
小于;小于
略
(B类题)我国探月的“嫦娥工程”已启动,在不久的将来宇航员将登上月球.假如宇航员的质量为m,他在月球上测得摆长为l的单摆做小振幅振动的周期为T,将月球视为密度均匀、半径为r的球体,引力恒量为G,则宇航员在月球上的“重力”为______;月球的密度为______.
正确答案
根据单摆周期公式列出等式:
T=2π
得:g=
则宇航员在月球上的“重力”为m
根据月球表面万有引力等于重力得:=mg ①
月球的密度为ρ= ②
由①②得:ρ=
故答案为:m,
.
据报道最近在太阳系外发现了首颗“宜居”行星,其质量约为地球质量的6.4倍。已知一个在地球表面质量为的人在这个行星表面的重量约为800N,地球表面处的重力加速度为
。求:
小题1:该行星的半径与地球的半径之比约为多少?
小题2:若在该行星上距行星表面2M高处,以的水平初速度抛出一只小球(不计任何阻力),则小球的水平射程是多大?
正确答案
小题1:2
小题2:5
小题1: 在该行星表面处,由
由万有引力定律:
即:
代入数据解得
小题2:由平抛运动运动的规律:
故
代入数据解得s="5m "
如图为一名宇航员“漂浮”在地球外层空间的照片,根据照片展现的情景提出两个与物理知识有关的问题(所提的问题可以涉及力学、电磁学、热学、光学、原子物理学等各个部分,只需提出问题,不必作出回答和解释):
例:这名“漂浮”在空中的宇航员相对地球是运动还是静止的?
(1)______.
(2)______.
正确答案
(1)此宇航员是否受地球引力作用?(此宇航员受力是否平衡?)
(2)宇航员背后的天空为什么是黑暗的?(宇航员是利用什么与地面进行联系的?)
故答案为:
(1)此宇航员是否受地球引力作用?(此宇航员受力是否平衡?)
(2)宇航员背后的天空为什么是黑暗的?(宇航员是利用什么与地面进行联系的?)
某物体在地球表面受到地球对它的吸引力大小为800N,为了使此物体受到地球的引力减为200N,则此高度处的重力加速度为地球表面的重力加速度的 倍,物体距地面的高度应为地球半径R的 倍。
正确答案
1/4 、 1倍
万有引力,所以物体受到地球的引力减为原来的1/4,则此高度处的重力加速度为地球表面的重力加速度的1/4,物体距地心的距离应为地球半径R的2倍,所以距离地面的高度R的一倍
故答案为:1/4 一倍
A、B两行星在同一平面内绕同一恒星做匀速圆周运动,运行方向相同,A的轨道半径为rl,B的轨道半径为r2.已知恒星质量为M,恒星对行星的引力远大于行星间的引力,两行星的轨道半径r1<r2.若在某时刻两行星相距最近,试求:
(1)再经过多少时间两行星距离又最近?
(2)再经过多少时间两行星距离又最远?
正确答案
(1)A、B两行星距离最近时A、B与恒星在同一条圆半径上. A、B运动方向相同,A更靠近恒星,A的转动角速度大、周期短.如果经过时间t,A、B与恒星连线半径转过的角度相差2π的整数倍,则A、B与恒星又位于同一条圆半径上,距离最近.
设A、B的角速度分别为ω1,ω2,经过时间t,A转过的角速度为ω1t,B转过的角度为ω2t.A、B距离最近的条件是:ω1t-ω2t=n×2π(n=1,2,3…)
恒星对行星的引力提供向心力,则:=mrω2,ω=
由此得出:ω1=,ω2=
,
求得:t=(n=1,2,3…)
(2)如果经过时间tˊ,A、B转过的角度相差π的奇数倍时,则A、B相距最远,
即:ω1t′-ω2t'=(2k-1)π(k=1,2,3…),得:t′=
把ω1、ω2代入得:t′=(k=1,2,3…)
答:
(1)再经过时间(n=1,2,3,…)时两行星距离又最近.
(2)再经过时间(k=1,2,3,…)时两行星距离又最远.
国防科技工业局在2012年7月30日宣布,“嫦娥三号”将于2013年下半年择机发射.我国已成功发射了“嫦娥二号”探月卫星,该卫星在环月圆轨道绕行n圈所用的时间为t,月球半径为R0,月球表面处重力加速度为g0.
(1)请推导出“嫦娥二号”卫星离月球表面高度的表达式;
(2)地球和月球的半径之比为=
、表面重力加速度之比为
=
,试求地球和月球的密度之比.
正确答案
(1)“嫦娥一号”星绕月球做匀速圆周运动,根据万有引力提供向心力列出等式,
=m(
)2r ①
在月球表面,根据万有引力等于重力列出等式:═mg0 ②
卫星在环月圆轨道绕行n圈,飞行时间为t,所以T= ③
r=R0+h ④
由①②③④解得:h=-R0
(2)在星球表面,根据万有引力等于重力列出等式=mg ⑤
ρ= ⑥
已知地球和月球的半径之比为=4,表面重力加速度之比
=6,⑦
由⑤⑥⑦解得地球和月球的密度之比=
.
答:(1)卫星在环月圆轨道上运行时离月球表面高度h的表达式为-R0;
(2)地球和月球的密度之比为.
在绕地球做匀速圆周运动的卫星中,测量物体质量的天平______(填“能”或“不能”)正常使用;测量温度的水银温度计______(填“能”或“不能”)正常使用.
正确答案
在匀速圆周运动的卫星中,万有引力充当向心力,物体处于完全失重状态,只要是根据重力和弹力关系原理制造的仪器均不能使用,故天平不可正常使用,而水银温度计是利用热胀冷缩的原理,所以可以正常使用.
故答案为:不能,能.
(12分)一颗在赤道上空飞行的人造地球卫星, 其轨道半径为r =3R(R为地球半径), 已知地球表面重力加速度为g,则:
(1)该卫星的运行周期是多大?
(2)若卫星的运动方向与地球自转方向相同, 已知地球自转角速度为0,某一时刻该卫星通过赤道上某建筑物的正上方, 再经过多少时间它又一次出现在该建筑物正上方?
正确答案
(1)(2)
(1)对卫星运用万有引力定律和牛顿运动定律可得
·3R
联立解得
(2)以地面为参照物, 卫星再次出现在建筑物上方时,建筑物随地球转过的弧度比卫星转过弧度少.
或1Δt-
0Δt=2
,
(10分)某人造卫星绕地球做匀速圆周运动,它离地面的高度为h,地球半径为R,地球表面的重力加速度为g,试求:
(1)卫星的线速度大小;
(2)卫星的向心加速度大小;
正确答案
(1)
(2)
(1)设地球质量为M,卫星质量为m,引力常量为G,根据万有引力提供向心力有: ……① 2分
地球表面处物体所受万有引力近似等于重力,即
……② 2分
联立①②解得; ……③ 2分
(2)根据向心加速度公式可得:
……④ 4分
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