高中物理必修2宇宙航行 例题解析2

宇宙航行 例题解析2
【例3】 1999年11月21日,我国“神舟”号宇宙飞船成功发射并收回,这是我国航天史上重要的里程碑.新型“长征”运载火箭,将重达8.4 t 的飞船向上送至近地轨道1,如图7-5-3所示.飞船与火箭分离后,在轨道1上以速度7.2 km/s 绕地球做匀速圆周运动,则
图7-5-3
A.飞船在轨道3上的速率大于在轨道1上的速率
B.飞船在轨道3上的角速度大于在轨道1上的角速度
C.飞船在轨道1上经过Q 点的加速度大于它在轨道2上经过Q 点的加速度
D.飞船在轨道2上经过P 点的加速度等于它在轨道3上经过P 点的加速度
解析:讨论卫星的运行问题,必须从万有引力入手.由2r GMm =m r v 2得v ∝r
1,故r 越大,v 越小,所以飞船在轨道3上的速率小于在轨道1上的速率,故A 错;由
2r
GMm =mr ω2得r 越大,ω越小,故飞船在轨道3上的角速度小于在轨道1上的角速度,故B 错;由于加速度取决于力,
而此处卫星的加速度是由万有引力提供的,由2r
GMm =ma 可知,不论飞船在哪个轨道上,只要在同一位置,其加速度就相同,故C 错D 对.
点评:讨论问题时,必须明确各物理量的决定因素,选用恰当的理论依据,不能凭感觉做题.
答案:D
【例4】 可以发射一颗这样的人造地球卫星,使其圆轨道
A.与地球表面上某一纬度线(非赤道)是共面同心圆
B.与地球表面上某一经度线所决定的圆是共面同心圆
C.与地球表面上的赤道线是共面同心圆,且卫星相对地球表面是静止的
D.与地球表面上的赤道线是共面同心圆,但卫星相对地球表面是运动的
解析:此题考查人造卫星的运动规律,考查学生的分析综合能力.考查知识点是卫星圆轨道的圆心一定是地心.根据万有引力完全用于提供人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动的向心力,A 选项的情景中,万有引力在某一纬度面内的一个分力提供向心力,万有引力的另一个分力会使卫星轨道离开该纬度平面;B 选项的情景,万有引力全部提供了卫星圆周运动的向心力,使其轨道平面相对地心、两极固定下来,但由于地球不停地自转,轨道平面不会固定于某一经线决定的平面.故选项AB 错.赤道轨道上的卫星受的万有引力全部提供向心力,除通信卫星采用“地球静止轨道”外,赤道轨道上的其他卫星都相对地球表面是运动的,故选项CD 正确.
点评:讨论卫星轨道平面时,必须考虑地球自转问题.
答案:CD
【例5】 宇宙飞船和空间站在同一轨道上运动,若飞船想与前面的空间站对接,飞船为了追上轨道空间站,可采取的方法是
A.飞船加速直到追上空间站,完成对接
B.飞船从原轨道减速至一个较低轨道,再加速追上空间站完成对接
C.飞船加速至一个较高轨道再减速追上空间站完成对接
D.无论飞船如何采取何种措施,均不能与空间站对接
解析:由于宇宙飞船做圆周运动的向心力是地球对其施加的万有引力,由牛顿第二定律有2R GMm =m R v 2,得v =R
GM ,想追上同轨道上的空间站,直接加速会导致飞船轨道半径增大,由上式知飞船在一个新轨道上运行时速度比空间站的速度小,无法对接,故A 错.飞船若先减速,它的轨道半径减小,但速度增大了,故在低轨道上飞船可接近或超过空间站,如图7-5-4所示.当飞船运动到合适的位置后再加速,则其轨道半径增大,同时速度减小,当刚好运动到空间站所在轨道时停止加速,则飞船的速度刚好等于空间站的速度,可完成对接;若飞船先加速到一个较高轨道,其速度小于空间站速度,此时空间站比飞船运动快,当二者相对运动一周后,使飞船减速,轨道半径减小又使飞船速度增大,仍可追上空间站,但这种方法易造成飞船与空间站碰撞,不是最好办法,且空间站追飞船不合题意.综上所述,方法应选B.
图7-5-4
点评:使飞船加速,飞船将远离地球,轨道半径增大,不仅发动机的功全部用于克服飞船远离地球时万有引力做功,而且飞船原来的动能一部分也要转化为克服万有引力做功,即转化为飞船的重力势能,故v 减小;反之使飞船减速时,飞船轨道半径减小,其动能反而增大,先减速可使飞船比空间站运动快,故可在适当位置再加速,使速度在飞船轨道半径增大时减小,可追上空间站,先加速再减速时,空间站追飞船,虽也可对接,但不合题意.
答案:B
【例6】 关于人造地球卫星及其中物体的超重、失重问题,下列说法中正确的是
A.在发射过程中向上加速时产生超重现象
B.在降落过程中向下减速时产生超重现象
C.进入轨道时做匀速圆周运动,产生失重现象
D.失重是由于地球对卫星内物体的作用力减小而引起的
解析:超、失重是一种表象,是从重力和弹力的大小关系而定义的.当向上加速时超重,向下减速(a 方向向上)时也超重,故A 、B 正确.
卫星做匀速圆周运动时,万有引力完全提供向心力,卫星及其内部的物体都处于完全失重状态,故C 正确.
失重的原因是重力(或万有引力)使物体产生了加速度,故D 错.
点评:物体处于失重状态时,仍受重力作用,不能说物体不受重力作用.空间站中的物体处于完全失重状态,只是因为此时物体所受的重力(或万有引力)也全部用来为物体绕地球运动提供了向心力.
答案:ABC。