(21分)嫦娥1號奔月衛(wèi)星與長征3號火箭分離后,進入繞地運行的橢圓軌道,近地點離地面高,遠地點離地面高,周期約為16小時,稱為16小時軌道(如圖中曲線1所示)。隨后,為了使衛(wèi)星離地越來越遠,星載發(fā)動機先在遠地點點火,使衛(wèi)星進入新軌道(如圖中曲線2所示),以抬高近地點。后來又連續(xù)三次在抬高以后的近地點點火,使衛(wèi)星加速和變軌,抬高遠地點,相繼進入24小時軌道、48小時軌道和地月轉(zhuǎn)移軌道(分別如圖中曲線3、4、5所示)。已知衛(wèi)星質(zhì)量,地球半徑,地面重力加速度,月球半徑

1.試計算16小時軌道的半長軸a和半短軸b的長度,以及橢圓偏心率。

2.在16小時軌道的遠地點點火時,假設(shè)衛(wèi)星所受推力的方向與衛(wèi)星速度方向相同,而且點火時間很短,可以認為橢圓軌道長軸方向不變。設(shè)推力大小,要把近地點抬高到600,問點火時間應(yīng)持續(xù)多長?

3.試根據(jù)題給數(shù)據(jù)計算衛(wèi)星在16小時軌道的實際運行周期。

4.衛(wèi)星最后進入繞月圓形軌道,距月面高度約為200,周期分鐘,試據(jù)此估算月球質(zhì)量與地球質(zhì)量之比值。

解析

1. 橢圓半長軸a等于近地點和遠地點之間距離的一半,亦即近地點與遠地點矢徑長度(皆指衛(wèi)星到地心的距離)的算術(shù)平均值,即有

                (1)

 代入數(shù)據(jù)得

                           km                 (2)

 橢圓半短軸b等于近地點與遠地點矢徑長度的幾何平均值,即有

                                                    (3)

 代入數(shù)據(jù)得

                                                 (4)

 橢圓的偏心率

                                                   (5)

代入數(shù)據(jù)即得  

                                                     (6)

2. 當(dāng)衛(wèi)星在16小時軌道上運行時,以分別表示它在近地點和遠地點的速度,根據(jù)能量守恒,衛(wèi)星在近地點和遠地點能量相等,有

                                       (7)

式中是地球質(zhì)量,是萬有引力常量. 因衛(wèi)星在近地點和遠地點的速度都與衛(wèi)星到地心的連線垂直,根據(jù)角動量守恒,有

                                                    (8)

 注意到

                                                       (9)

 由(7)、(8)、(9)式可得

                                                     (10)

                                          (11)

當(dāng)衛(wèi)星沿16小時軌道運行時,根據(jù)題給的數(shù)據(jù)有

                                  

由(11)式并代入有關(guān)數(shù)據(jù)得

km/s                               (12)

依題意,在遠地點星載發(fā)動機點火,對衛(wèi)星作短時間加速,加速度的方向與衛(wèi)星速度方向相同,加速后長軸方向沒有改變,故加速結(jié)束時,衛(wèi)星的速度與新軌道的長軸垂直,衛(wèi)星所在處將是新軌道的遠地點.所以新軌道遠地點高度km,但新軌道近地點高度km.由(11)式,可求得衛(wèi)星在新軌道遠地點處的速度為

                              km/s                  (13)

衛(wèi)星動量的增加量等于衛(wèi)星所受推力F的沖量,設(shè)發(fā)動機點火時間為t,有

                                                      (14)

由(12)、(13)、(14)式并代入有關(guān)數(shù)據(jù)得

                  t= (約2.5分)                          (15)

這比運行周期小得多.

3. 當(dāng)衛(wèi)星沿橢圓軌道運行時,以r表示它所在處矢徑的大小,v表示其速度的大小,表示矢徑與速度的夾角,則衛(wèi)星的角動量的大小

                                       (16 ) 

其中

                               (17)

是衛(wèi)星矢徑在單位時間內(nèi)掃過的面積,即衛(wèi)星的面積速度.由于角動量是守恒的,故是恒量.利用遠地點處的角動量,得

                                   (18)

又因為衛(wèi)星運行一周掃過的橢圓的面積為

                                              (19)

所以衛(wèi)星沿軌道運動的周期

                                              (20)

由(18)、(19)、(20) 式得

                                        (21)

代入有關(guān)數(shù)據(jù)得

                        s (約15小時46分)         (22)

注:本小題有多種解法.例如,由開普勒第三定律,繞地球運行的兩衛(wèi)星的周期TT0之比的平方等于它們的軌道半長軸aa0之比的立方,即

                                    

是衛(wèi)星繞地球沿圓軌道運動的軌道半徑,則有

                  

得                                                                                                                     

從而得

                          

代入有關(guān)數(shù)據(jù)便可求得(22)式.                               

4. 在繞月圓形軌道上,根據(jù)萬有引力定律和牛頓定律有

                                                (23)

這里是衛(wèi)星繞月軌道半徑,是月球質(zhì)量. 由(23)式和(9)式,可得

                                       (24)

代入有關(guān)數(shù)據(jù)得

                                    (25)

練習(xí)冊系列答案
相關(guān)習(xí)題

科目:高中物理 來源: 題型:

我國整個探月工程分為“繞”、“落”、“回”3個階段.第一期繞月工程已于2007年10月24日發(fā)射探月衛(wèi)星“嫦娥一號”,這是我國航空航天領(lǐng)域的又一壯舉,“嫦娥一號”將對月球表面環(huán)境、地貌、地形、地質(zhì)構(gòu)造與物理場進行探測.設(shè)想2016年一名中國宇航員乘“嫦娥奔月號”飛船登上月球,并在月球表面用單擺做實驗.
(1)在“用單擺測定重力加速度”的實驗中:測擺長時,若正確測出懸線長為l和擺球直徑為d,則擺長為
l+
d
2
l+
d
2
;
測周期時,當(dāng)擺球經(jīng)過
平衡位置
平衡位置
位置時,計時并計數(shù)1次,測出經(jīng)過該位置N次(約60--100次)的時間為t,則周期為
2t
N-1
2t
N-1

(2)根據(jù)月球表面的單擺實驗,描繪出了單擺周期的平方與擺長的關(guān)系,即T2-L的圖象,如圖所示,已知月球的半徑R為1.6×106m,
則:月球表面的重力加速度為
1.6m/s2
1.6m/s2
;“嫦娥奔月號”飛船繞月飛行的最小周期為
2000πs
2000πs

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科目:高中物理 來源:2007-2008學(xué)年天津市薊縣高三(上)期末物理試卷(解析版) 題型:解答題

我國整個探月工程分為“繞”、“落”、“回”3個階段.第一期繞月工程已于2007年10月24日發(fā)射探月衛(wèi)星“嫦娥一號”,這是我國航空航天領(lǐng)域的又一壯舉,“嫦娥一號”將對月球表面環(huán)境、地貌、地形、地質(zhì)構(gòu)造與物理場進行探測.設(shè)想2016年一名中國宇航員乘“嫦娥奔月號”飛船登上月球,并在月球表面用單擺做實驗.
(1)在“用單擺測定重力加速度”的實驗中:測擺長時,若正確測出懸線長為l和擺球直徑為d,則擺長為______;
測周期時,當(dāng)擺球經(jīng)過______位置時,計時并計數(shù)1次,測出經(jīng)過該位置N次(約60--100次)的時間為t,則周期為______.
(2)根據(jù)月球表面的單擺實驗,描繪出了單擺周期的平方與擺長的關(guān)系,即T2-L的圖象,如圖所示,已知月球的半徑R為1.6×106m,
則:月球表面的重力加速度為______;“嫦娥奔月號”飛船繞月飛行的最小周期為______.

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