中国空间站的机械臂具有七个自由度，类似于人类手臂的灵活性，可实现抓取、拖拽、爬行、对接等功能。如图所示，在长为d的机械臂作用下，微型卫星、空间站、地球位于同一直线，伸直的机械臂沿该直线方向抓住微型卫星，微型卫星与空间站一起做角速度为的匀速圆周运动。已知地球表面的重力加速度为g，地球半径为R，微型卫星质量为m，空间站轨道半径为r，求：（1）在轨运行时，空间站的线速度和微型卫星的线速度之比；（2）机械臂对微型卫星的作用力大小F；（忽略空间站与卫星之间的万有引力以及机械臂对空间站的作用力，用m，g，R，r，d表示）（3）物体在引力场中具有的势能叫做引力势能。若取无穷远处为引力势能零点，质量为m的物体在地球引力场中具有的引力势能为（式中G为引力常量，M为地球的质量，r为物体到地心的距离）。若让机械臂松开卫星，通过控制卫星上自带的火箭发动机，使卫星由当前半径为r的圆轨道变轨到离地球更远的半径为的圆轨道，则在此过程中，万有引力对卫星做的功为多少？（用g、R、m、r、表示）

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1. 中国空间站的机械臂具有七个自由度，类似于人类手臂的灵活性，可实现抓取、拖拽、爬行、对接等功能。如图所示，在长为d的机械臂作用下，微型卫星、空间站、地球位于同一直线，伸直的机械臂沿该直线方向抓住微型卫星，微型卫星与空间站一起做角速度为 $\text{[math]}$ 的匀速圆周运动。已知地球表面的重力加速度为g，地球半径为R，微型卫星质量为m，空间站轨道半径为r，求：

（1）在轨运行时，空间站的线速度 $\text{[math]}$ 和微型卫星的线速度 $\text{[math]}$ 之比；

（2）机械臂对微型卫星的作用力大小F；（忽略空间站与卫星之间的万有引力以及机械臂对空间站的作用力，用m，g，R，r，d表示）

（3）物体在引力场中具有的势能叫做引力势能。若取无穷远处为引力势能零点，质量为m的物体在地球引力场中具有的引力势能为 $\text{[math]}$ （式中G为引力常量，M为地球的质量，r为物体到地心的距离）。若让机械臂松开卫星，通过控制卫星上自带的火箭发动机，使卫星由当前半径为r的圆轨道变轨到离地球更远的半径为 $\text{[math]}$ 的圆轨道，则在此过程中，万有引力对卫星做的功为多少？（用g、R、m、r、 $\text{[math]}$ 表示）

【考点】

万有引力定律的应用; 卫星问题;

【答案】

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解答题普通

1. 2023年6月15日，我国航天事业完成“一箭40星”伟大壮举。其中一颗质量为m的人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动的周期为T，卫星到地面高度h，已知地球半径为R，万有引力常量为G，求：地球的质量M。

综合题容易

2. 已知地球的半径为R，质量为M，万有引力常量为G，一颗人造地球卫星处在距离地球表面高度为h的圆轨道上，试求：

（1）该卫星做匀速圆周运动的线速度大小v；

（2）该卫星的运动周期T。

解答题容易

3. 2020年11月24日凌晨4点30分，在海南文昌航天发射场，长征五号遥五运载火箭全速托举中国探月工程嫦娥五号探测器划过夜空，迈出中国首次地外天体采样返回的第一步。发射升空后，嫦娥五号轨道器将携带着陆器、上升器以及返回器完成地月转移、中途修正和近月制动。进入环月轨道后，轨道器与着陆上升组合体分离，携带返回器留轨运动，着陆上升组合体变轨后在贴近月球表面的圆形轨道上运行数圈后安全着陆。已知月球的半径为R，万有引力常量为G，着陆上升组合体在贴近月球表面的圆形轨道上运行的周期为T。求：

（1）月球的质量M；

（2）轨道器在距离月球表面高为h的圆形轨道上运行的线速度v。

解答题容易