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12.我国自主研发的“北斗”导航卫星定位系统由静止轨道卫星(同步卫星)、中轨道卫星和倾斜轨道卫星组成,中轨道卫星轨道半径约为27900公里,静止轨道卫星的半径约为42400公里.下列说法正确的是(  )
A.静止轨道卫星的向心加速度比中轨道卫星向心加速度大
B.静止轨道卫星和中轨道卫星的线速度均大于地球的第一宇宙速度
C.静止轨道卫星比中轨道卫星的周期大
D.地球赤道上随地球自转物体的向心加速度比静止轨道卫星向心加速度大

分析 根据万有引力提供向心力$G\frac{Mm}{{r}_{\;}^{2}}=ma=m\frac{{v}_{\;}^{2}}{r}=m{ω}_{\;}^{2}r=m\frac{4{π}_{\;}^{2}}{{T}_{\;}^{2}}r$,比较向心加速度、线速度、角速度和周期.

解答 解:A、根据万有引力提供向心力,$G\frac{Mm}{{r}_{\;}^{2}}=ma$,得$a=\frac{GM}{{r}_{\;}^{2}}$,轨道半径越大,向心加速度越小,中轨道卫星的轨道半径小,向心加速度大.故A错误;
B、根据万有引力提供向心力$G\frac{Mm}{{r}_{\;}^{2}}=m\frac{{v}_{\;}^{2}}{r}$,得$v=\sqrt{\frac{GM}{r}}$,知道轨道半径越大,线速度越小,第一宇宙速度的轨道半径为地球的半径,所以第一宇宙速度是绕地球做匀速圆周运动最大的环绕速度,所以静止轨道卫星和中轨卫星的线速度均小于地球的第一宇宙速度.故B错误.
C、根据$G\frac{Mm}{{r}_{\;}^{2}}=m\frac{4{π}_{\;}^{2}}{{T}_{\;}^{2}}r$,得$T=2π\sqrt{\frac{{r}_{\;}^{3}}{GM}}$,中轨道卫星的轨道半径小,周期小.所以静止轨道卫星比中轨道卫星的周期大,故C正确;
D、地球赤道上的物体随地球自转的角速度与静止轨道卫星的角速度相等,根据v=ωr,地球赤道上随地球自转物体的半径比静止轨道卫星半径小,故地球赤道上随地球自转物体的向心加速度比静止轨道卫星向心加速度小,故D错误;
故选:C

点评 解决本题的关键是掌握$G\frac{Mm}{{r}_{\;}^{2}}=ma=m\frac{{v}_{\;}^{2}}{r}=m{ω}_{\;}^{2}r=m\frac{4{π}_{\;}^{2}}{{T}_{\;}^{2}}r$,会根据轨道半径的关系比较向心加速度、线速度和周期,难度适中.

练习册系列答案
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2.在如图甲所示的半径为r的竖直圆柱形区域内,存在竖直向上的匀强磁场,磁感应强度大小随时间的变化关系为B=kt(k>0且为常量).

(1)将一由细导线构成的半径为r、电阻为R0的导体圆环水平固定在上述磁场中,并使圆环中心与磁场区域的中心重合.求在T时间内导体圆环产生的焦耳热.
(2)上述导体圆环之所以会产生电流是因为变化的磁场会在空间激发涡旋电场,该涡旋电场趋使导体内的自由电荷定向移动,形成电流.如图乙所示,变化的磁场产生的涡旋电场存在于磁场内外的广阔空间中,其电场线是在水平面内的一系列沿顺时针方向的同心圆(从上向下看),圆心与磁场区域的中心重合.在半径为r的圆周上,涡旋电场的电场强度大小处处相等,并且可以用E涡=$\frac{?}{2πr}$,其中ε为由于磁场变化在半径为r的导体圆环中产生的感生电动势.如图丙所示,在磁场区域的水平面内固定一个内壁光滑的绝缘环形真空细管道,其内环半径为r,管道中心与磁场区域的中心重合.由于细管道半径远远小于r,因此细管道内各处电场强度大小可视为相等的.某时刻,将管道内电荷量为q的带正电小球由静止释放(小球的直径略小于真空细管道的直径),小球受到切向的涡旋电场力的作用而运动,该力将改变小球速度的大小.该涡旋电场力与电场强度的关系和静电力与电场强度的关系相同.假设小球在运动过程中其电荷量保持不变,忽略小球受到的重力、小球运动时激发的磁场以及相对论效应.
①若小球由静止经过一段时间加速,获得动能Em,求小球在这段时间内在真空细管道内运动的圈数;
②若在真空细管道内部空间加有方向竖直向上的恒定匀强磁场,小球开始运动后经过时间t0,小球与环形真空细管道之间恰好没有作用力,求在真空细管道内部所加磁场的磁感应强度的大小.

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