万有引力与宇宙航行
一、单选题
1.假设人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动,当卫星绕地球运动的圆周半径增大到原来的2倍时,则有( )
A.卫星需要的向心力将减小到原来的
B.卫星需要的向心力将减小到原来的
C.卫星运动的线速度将增大到原来的
D.卫星运动的线速度将减小到原来的
2.我国的“北斗”卫星导航系统由5颗地球静止轨道卫星和30颗其他轨道卫星组成。如图所示为其中的两颗地球静止轨道卫星A、B,它们在同一轨道上做匀速圆周运动,卫星A的质量大于卫星B的质量。下列说法正确的是( )
A.它们的线速度大小都是
B.它们受到的万有引力大小相等
C.它们的向心加速度大小相等
D.它们的周期不一定相等
3.如图所示,在地面上发射一颗卫星,进入椭圆轨道Ⅱ运行,其发射速度( )
A.小于7.9km/s B.等于7.9km/s
C.大于7.9km/s,小于11.2km/s D.大于11.2 km/s,小于16.7km/s
4.一卫星绕某一行星表面附近做匀速圆周运动,其线速度大小为v,假设宇航员在该行星表面用弹簧测力计测量一质量为m的物体的重力,当物体处于竖直静止状态时,弹簧测力计的示数为F,已知引力常量为G,则这颗行星的质量为( )
A. B. C. D.
5.2020年我国航天取得了一系列重大成就:载人航天、探月探火、北斗导航,2021年将安排超过40次宇航发射任务,其中发射空间站核心舱是重头戏,这标志着我国新一代空,间站建设工作的开启。假定某北斗卫星和建成后的天宫空间站在距地表高度分别为h1和h2的圆轨道上运行时,周期分别为T1和T2视地球为质量分布均匀的球体,忽略地球自转的影响,万有引力常量为G。利用上述数据可计算出( )
A.地球表面的重力加速度
B.北斗卫星的动量大小
C.天宫空间站受地球引力的大小
D.北斗卫星与天宫空间站的质量比
6.我国连续实施11次飞行任务,包括3次空间站舱段发射、4次货运飞船以及4次载人飞船发射,将于2022年完成空间站在轨建造,届时空间站将在距离地面约400 km的轨道上运行,为科研工作带来便利。已知引力常量为G,“天和号”的轨道半径为r,下列说法正确的是( )
A.应先将货运飞船送入空间站的同一轨道,再加速以实现对接
B.如果已知“天和号”运行的线速度,可计算出“天和号”的质量
C.如果已知“天和号”的运行周期,可计算出地球的质量
D.空间站运行周期与同步卫星运行周期相同
7.2021年4月29日11时23分,中国空间站“天和”核心舱发射升空,准确进入预定轨道,任务取得成功。已知地球的质量为M、半径为R,“天和”核心舱的质量为m,引力常量为G,“天和”核心舱围绕地球做半径为r的匀速圆周运动时,“天和”核心舱( )
A.向心加速度为 B.动能为
C.速度一定大于7.9km/s D.不再受到重力作用
8.北京时间2021年5月15日,在经历“黑色九分钟”后,中国首辆火星车“祝融号”与着陆器成功登陆火星,这也意味着“天问一号”火星探测器已经实现了“绕”和“落”两项目标。火星可以看成半径为R的质量均匀球体,“天问一号”在火星赤道表面附近做匀速圆周运动一周的是时间为T,“祝融号”与着陆器总质量为m,假如登陆后运动到火星赤道静止时对水平地面压力大小为F,引力常量为G,下列说法正确的是( )
A.火星第一宇宙速度大小为
B.“天问一号”在火星赤道表面附近做匀速圆周运动的加速度小于“祝融号”与着陆静止在赤道上的加速度
C.火星自转角速度大小为
D.火星自转角速度大小为
9.空间站是一种在近地轨道(高度小于400 km,可看成圆轨道)长时间运行、可供多名航天员巡访、长期工作和生活的载人航天器。下列说法正确的是( )
A.只需要知道空间站的周期就可以测出地球的质量
B.空间站的运行周期可能与月球绕地球运行的周期相差不大
C.空间站的运行周期一定小于地球自转周期
D.在空间站工作的宇航员因受力平衡而在其中悬浮或静止
10.2021年5月22日,中国首辆火星车“祝融号”已安全驶离着陆平台,到达火星表面(如图),开始巡视探测。已知“祝融号”在地球表面所受万有引力大小是在火星表面的a倍,地球的第一宇宙速度是火星的b倍。假设地球和火星均为质量分布均匀的球体,不考虑地球和火星的自转,则地球与火星密度的比值为( )
A. B. C. D.
11.北京冬奥会开幕当天,正在执行我国首个行星际探索任务的“天问一号”探测器,与五星红旗、北京冬奥会和冬残奥会会徽的同框照片传回地球,送上了一份“最高”的冬奥礼物。我国“天问一号”火星探测器于2020年7月首先发射进入地球轨道,然后择机进入霍曼转移轨道,经过259天的太空旅行,成功到达火星并被火星捕获,现正在火星地面上进行各项研究探测活动。如图所示是天问一号发射轨迹示意图,已知火星的公转周期为1.8年,下列说法正确的是( )
A.从火星与地球相距最近至下一次相距最近所需时间约为2.25年
B.“天问一号”在地球轨道上的发射速度大于7.9km/s小于11.2km/s
C.“天问一号”在地球轨道上需要减速才能进入霍曼转移轨道
D.“天问一号”选择在海南文昌发射场发射,是为了避免地球自转线速度的影响
12.中国载人空间站,简称中国空间站,是一个在轨组装成的具有中国特色的空间实验室系统。建造计划预计于2010年至2015年间进行,预计在2022年前后建成。空间站轨道高度为公里,倾角为度,设计寿命为10年,长期驻留3人,总重量可达90吨,以进行较大规模的空间应用。假设中国空间站绕地球做匀速圆周运动,距地面的高度为,地球的半径为,第一宇宙速度为,地球表面的重力加速度为,下列判断正确的是( )
A.中国空间站的发射速度小于
B.中国空间站绕地球运行的速度为
C.中国空间站内的物体可以自由漂浮,因为这些物体不受重力
D.中国空间站向心加速度为
13.说起移居星球,人类目前的目标就是火星。“天问系列”将完成对火星等的探测活动,“天问一号”不仅在火星上首次留下中国的印迹,而且首次成功实现了通过一次任务完成火星环绕、着陆和巡视三大目标。若所有天体的运动均视为匀速圆周运动,引力常量G已知,下列说法中不正确的是( )
A.若已知地球绕太阳运转的轨道半径和公转周期,可求得太阳的密度
B.若已知火星与地球绕太阳运动的公转轨道半径之比,可求得火星与地球运动的角速度之比
C.若已知人造卫星在地面附近绕地球做圆周运动的周期,可求得地球的密度
D.若已知“天问一号”绕火星做圆周运动的半径及运行周期,可求得火星的质量
二、多选题
14.如图所示,三颗质量均为m的地球同步卫星等间隔分布在半径为r的圆轨道上,设地球质量为M、半径为R。下列说法正确的是( )
地球对一颗卫星的引力大小为
B.一颗卫星对地球的引力大小为
C.两颗卫星之间的引力大小为
D.三颗卫星对地球引力的合力大小为
15.如图所示是北斗导航系统中部分卫星的轨道示意图,已知a、b、c三颗卫星均做圆周运动,a是地球同步卫星,a和b的轨道半径相同,且均为c的k倍,已知地球自转周期为T。则( )
A.卫星b也是地球同步卫星
B.卫星a的向心加速度是卫星c的向心加速度的倍
C.卫星c的周期为
D.a、b、c三颗卫星的运行速度大小关系为
16.2021年2月10日,“天问一号”探测器成功被火星捕获,进入环火轨道,探测器被火星捕获后经过多次变轨才能在火星表面着陆。已知火星直径为地球直径的Р倍,火星质量为地球质量的k倍,地球半径为R,地球表面的重力加速度为g。若探测器在半径为r的轨道1上绕火星做匀速圆周运动的动能为,变轨到火星附近的轨道2上做匀速圆周运动后,动能增加了,以下判断正确的是( )
A.轨道2的半径为
B.轨道2的半径为
C.“天问一号”在轨道2时的速率约为
D.“天问一号”在轨道2时的速率为
17.2021年6月19日长征三号火箭发射同步卫星中星9A时出现异常,卫星没有进入预定静止轨道,通过我国研究人员的努力,经过10次轨道调整,终于在7月5日将中星9A卫星成功定点于东经101.4°的静止轨道,完成“太空自救”.如图所示是卫星自救过程的简化示意图,近地轨道和静止轨道是圆轨道,异常轨道和转移轨道是椭圆轨道,P、Q、S三点与地球中心共线,P、Q两点是转移轨道的远地点和近地点,近似认为PQ的距离为地球半径R的8倍,则下列说法正确的是( )
A.静止轨道与地球赤道平面可以不重合
B.卫星在静止轨道上经过S点与在转移轨道上经过P点的加速度相同
C.卫星在异常轨道上经过Q点速率大于在静止轨道上经过S点的速率
D.卫星在近地轨道上的周期与在转移轨道上的周期之比约为1:8
三、填空题
18.甲、乙两颗人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动,它们的质量之比,运行轨道的半径之比,则它们的向心力之比___________,运动的线速度之比___________。
19.宇航员在地球表面以一定初速度竖直上抛一小球,经过时间t,小球落回原处;若他在某星球表面以相同的初速度竖直上抛同一小球,需经过时间5t,小球落回原处。则该星球表面附近的重力加速度________;若该星球的半径与地球半径之比为,则该星球的质量与地球质量之比________(取地球表面重力加速度,空气阻力不计)。
四、解答题
20.预计我国将在2030年前后实施航天员登月计划,航天员乘飞船登月后将进行一系列的科学探测与实验。若宇航员在月球表面用测力计测得质量为的物块重力为,已知引力常量为G,月球的半径为R,求:
(1)月球的质量;
(2)宇航员乘飞船贴着月球表面运行一周所用的时间。
21.德国科学家用口径为3.5m的天文望远镜,对猎户座中位于银河系中心附近的星体进行了近6年的观察,发现了与银河系中心的距离为r的星体,正以v的速度围绕银河系中心旋转,据此提出银河系中心可能存在一个大黑洞(黑洞是一种密度极大的天体,其表面的引力是如此之强,以至包括光在内的所有物质都逃脱不了其引力的作用)。若该黑洞表面的物体速度达到光速c时恰好围绕其表面做匀速圆周运动。
(1)试写出计算该黑洞半径的表达式(用r、v、c表示);
(2)若r=6.0×109km;v=2.0×103km/s;c=3.0×108m/s,请根据以上数据估算该黑洞表面处的重力加速度(忽略黑洞自转)。
22.拉格朗日点指在两个大天体引力作用下,能使小物体稳定的点(小物体质量相对两大天体可忽略不计)。这些点的存在由法国数学家拉格朗日于1772年推导证明的,1906年首次发现运动于木星轨道上的小行星(见脱罗央群小行星)在木星和太阳的作用下处于拉格朗日点上。在每个由两大天体构成的系统中,按推论有5个拉格朗日点,其中连线上有三个拉格朗日点,分别是L1、L2、L3,如图所示。我国发射的“鹊桥”卫星就在地月系统平衡点L2点做周期运动,通过定期轨控保持轨道的稳定性,可实现对着陆器和巡视器的中继通信覆盖,首次实现地月L2点周期轨道的长期稳定运行。设某两个天体系统的中心天体质量为M,环绕天体质量为m,两天体间距离为L,万有引力常量为G,L1点到中心天体的距离为R1,L2点到中心天体的距离为R2。求:
(1)处于L1点小物体的向心加速度;
(2)处于L2点小物体运行的线速度;
(3)为了进一步的通信覆盖,发射两颗质量均为m0的卫星,分别处于L1、L2点,L1、L2到环绕天体的距离近似相等(远小于L),两卫星与环绕天体同步绕中心天体做圆周运动,忽略卫星间的引力,求中心天体对环绕天体的引力与它对两卫星的引力之和的比值?
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参考答案:
1.B
2.C
3.C
4.B
5.A
6.C
7.B
8.C
9.C
10.A
11.A
12.D
13.A
14.AC
15.BC
16.BD
17.CD
18. 27∶8 3∶2
19. 2m/s2 1∶45
20.(1);(2)
21.(1)R=r;(2)3.375×108 m/s2
22.(1);(2);(3)
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