题目内容

4.月球自转一周的时间与月球绕地球运行一周的时间相等,都为T0.我国的“嫦娥二号”探月卫星于2010年10月成功进入绕月运行的“极月圆轨道”,这一圆形轨道通过月球南北两极上空,距月面的高度为h.若月球质量为m月,月球半径为R,引力常量为G.
(1)求“嫦娥二号”绕月运行的加速度为多大?
(2)在月球自转一周的过程中,“嫦娥二号”将绕月运行多少圈?
(3)“嫦娥二号”携带了一台CCD摄像机(摄像机拍摄不受光照影响),随着卫星的飞行,摄像机将对月球表面进行连续拍摄.要求在月球自转一周的时间内,将月面各处全部拍摄下来,摄像机拍摄时拍摄到的月球表面宽度至少是多少?

分析 (1)“嫦娥二号”轨道半径为r=R+h,根据月球对“嫦娥二号”万有引力等于“嫦娥二号”所需要的向心力列方程求解“嫦娥二号”绕月运行的向心加速度;
(2)根据月球对“嫦娥二号”万有引力等于“嫦娥二号”所需要的向心力列方程求解“嫦娥二号”绕月运行的周期,在月球自转一周的过程中,“嫦娥二号”绕月运行的圈数等于“嫦娥二号”的周期与月球自转周期之比.
(3)摄像机只要将月球的“赤道”拍摄全,便能将月面各处全部拍摄下来;卫星绕月球转一周可对月球“赤道”拍摄两次,由拍摄到的月球表面宽度与月球周长的关系求解.

解答 解:(1)“嫦娥二号”轨道半径r=R+h,
根据万有引力提供向心力得:G$\frac{{m}_{月}m}{{r}^{2}}$=ma
解得:a=$\frac{{m}_{月}}{{(R+h)}^{2}}$
(2)根据万有引力提供向心力得:G$\frac{{m}_{月}m}{{r}^{2}}$=m$\frac{4{π}^{2}r}{{T}^{2}}$
可得“嫦娥二号”卫星绕月周期T=2π$\sqrt{\frac{(R+h)^{3}}{G{m}_{月}}}$
在月球自转一周的过程中,“嫦娥1号”将绕月运行圈数$n=\frac{{T}_{0}}{T}=\frac{{T}_{0}}{2π}\sqrt{\frac{G{m}_{月}}{(R+h)^{3}}}$
(3)摄像机只要将月球的“赤道”拍摄全,便能将月面各处全部拍摄下来;卫星绕月球转一周可对月球“赤道”拍摄两次,所以摄像机拍摄时拍摄到的月球表面宽度至少为$s=\frac{2πR}{2n}=\frac{2{π}^{2}R}{{T}_{0}}\sqrt{\frac{{(R+h)}^{3}}{G{m}_{月}}}$
答:(1)“嫦娥二号”绕月运行的加速度为$\frac{{m}_{月}}{{(R+h)}^{2}}$;
(2)在月球自转一周的过程中,“嫦娥二号”将绕月运行$\frac{{T}_{0}}{2π}\sqrt{\frac{G{m}_{月}}{{(R+h)}^{3}}}$圈;
(3)摄像机拍摄时拍摄到的月球表面宽度至少是$\frac{2{π}^{2}R}{{T}_{0}}\sqrt{\frac{{(R+h)}^{3}}{G{m}_{月}}}$.

点评 本题考查应用物理知识分析研究科技成果的能力,基本原理:建立模型,运用万有引力等于向心力研究,知道摄像机只要将月球的“赤道”拍摄全,便能将月面各处全部拍摄下来;卫星绕月球转一周可对月球“赤道”拍摄两次,难度适中.

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