稿件来源:高途
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必修2
第六章 万有引力与航天
6.4 万有引力理论的成就
研究天体运动规律
中国载人航天工程
中国载人航天工程于$1992$年$9$月$21$日由中国政府批准实施,代号“$921$工程”,是中国空间科学实验的重大战略工程之一。
北斗卫星导航系统采用了混合轨道部署模式,三十多颗北斗卫星的圆轨道拥有共同的圆心,卫星做圆周运动的向心力由 力提供。
由题可知,卫星圆周运动的向心力由地球对卫星的万有引力提供;
如图所示为在同一轨道平面上的三颗不同的人造地球卫星,关于各物理量的关系,下列说法正确的是$(\qquad)$

三颗卫星的线速度$v_{A}\\gt v_{B}\\gt v_{C}$
","根据万有引力定律,可知三颗卫星所受地球引力$F_{A}\\gt F_{B}\\gt F_{C}$
","三颗卫星的周期$T_{A}\\gt T_{B}\\gt T_{C}$
","三颗卫星的向心加速度$a_{A}\\lt a_{B}\\lt a_{C}$
"]$\rm A$.根据万有引力提供向心力则有$\dfrac{GMm}{r^{2}}= \dfrac{mv^{2}}{r}$,解得$v= \sqrt{\dfrac{GM}{r}}$,由于三颗卫星的轨道半径$r_{A}\lt r_{B}\lt r_{C}$,因此三颗卫星的线速度大小关系为$v_{A}\gt v_{B}\gt v_{C}$,故$\rm A$正确;
$\rm B$.根据万有引力定律$F=\dfrac{GMm}{r^{2}}$可知,由于三颗卫星的质量$m$未知,故无法比较卫星受到地球对其万有引力的大小,故$\rm B$错误;
$\rm C$.根据万有引力定律可得$\dfrac{GMm}{r^{2}}=m{\left(\dfrac{2\pi}{T}\right)}^{2}r$,解得$T=2\pi\sqrt{\dfrac{r^{3}}{GM}}$,由于三颗卫星的轨道半径$r_{A}\lt r_{B}\lt r_{C}$,因此三颗卫星的周期$T_{A}\lt T_{B}\lt T_{C}$,故$\rm C$错误;
$\rm D$.根据万有引力定律可得$\dfrac{GMm}{r^{2}}=ma$,解得$a=\dfrac{GM}{r^{2}}$,由于三颗卫星的轨道半径$r_{A}\lt _{B}\lt r_{C}$,因此三颗卫星的加速度$a_{A}\gt a_{B}\gt a_{C}$,故$\rm D$错误。
故选:$\rm A$。
$2023$年$5$月$30$日,“神舟十六号”载人飞船发射成功,将航天员送入空间站,他们执行任务时通过同步卫星与地面实时联系。已知空间站运行周期约为$90\;\rm \min$,它与同步卫星的运行轨道均视为圆周轨道,则$(\qquad)$
空间站相对地面静止
","空间站的速度大于同步卫星的速度
","空间站的速度大于第一宇宙速度
","空间站的加速度小于同步卫星的加速度
"]$\rm A$.以地面为参考系,空间站是运动的,故$\rm A$错误;
$\rm B$.根据万有引力定律可得$\dfrac{GMm}{r^{2}}=m{\left(\dfrac{2\pi}{T}\right)}^{2}r$,解得$T=2\pi\sqrt{\dfrac{r^{3}}{GM}}$,可知$T \propto \sqrt{r^{3}}$,由题可知,空间站的周期小于地球同步卫星的周期,故空间站的轨道半径小于同步卫星的轨道半径,根据$\dfrac{GMm}{r^{2}}=\dfrac{mv^{2}}{r}$,可得$v=\sqrt{\dfrac{GM}{r}}$,因此空间站的速度大于同步卫星的速度,故$\rm B$正确;
$\rm C$.第一宇宙速度是最大的环绕速度,所以空间站的速度小于第一宇宙速度,故$\rm C$错误;
$\rm D$.结合上述分析可知,空间站的轨道半径小于同步卫星的轨道半径,由于万有引力提供向心力,根据牛顿第二定律可得$\dfrac{GMm}{r^{2}}=ma$,解得$a=\dfrac{GM}{r^{2}}$,因此空间站的加速度大于同步卫星的加速度,故$\rm D$错误。
故选:$\rm B$。
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科学探测与实验。假如到达月球前航天员将乘飞船沿半径为$r$的轨道绕月做匀速圆周运动。登月后航天员在月球表面用测力计测得质量为$m_{0}$的物块重力为$G_{0}$。已知月球的半径为$R$,求:
①月球的质量。
②航天员乘飞船绕月运行一周所用的时间(写出计算过程)
①$\\dfrac{G_{0}R^{2}}{Gm_{0}}$;②$\\dfrac{2\\pi}{R}\\sqrt{\\dfrac{m_{0}r^{3}}{G_{0}}}$
"]]①设月球的质量为$M$,根据牛顿第二定律可得$\dfrac{GMm_{0}}{R^{2}}=G_{0}$,解得$M=\dfrac{G_{0}R^{2}}{Gm_{0}}$
②根据牛顿第二定律可得$\dfrac{GMm_{0}}{r^{2}}=m_{0}{\left(\dfrac{2\pi}{T}\right)}^{2}r$,解得$T=2\pi\sqrt{\dfrac{r^{3}}{GM}}$
结合上述结论$GM=\dfrac{G_{0}R^{2}}{m_{0}}$,解得$T=\dfrac{2\pi}{R}\sqrt{\dfrac{m_{0}r^{3}}{G_{0}}}$
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