美国航空航天局和欧洲航空航天局合作研究的“卡西尼”号土星探测

美国航空航天局和欧洲航空航天局合作研究的“卡西尼”号土星探测器,在美国东部时间2004年6月30日(北京时间7月1日)抵达预定轨道,开始“拜访”土星及其卫星家族.“卡西尼”号探测器进入绕土星飞行的轨道,先在半径为R的圆形轨道Ⅰ上绕土星飞行,运行速度大小为v1.为了进一步探测土星表面的情况,当探测器运行到A点时发动机向前喷出质量为△m的气体,探测器速度大小减为v2,进入一个椭圆轨道Ⅱ,运动到B点时再一次改变速度,然后进入离土星更近的半径为r的圆轨道Ⅲ,如图所示.设探测器仅受到土星的万有引力,不考虑土星的卫星对探测器的影响,探测器在A点喷出的气体速度大小为u.求:

(1)探测器在轨道Ⅲ上的运行速率v3和加速度的大小;

(2)探测器在A点喷出的气体质量△m

答案

(1);(2)


解析:

(1)在轨道I上,探测器m所受万有引力提供向心力,设土星质量为M,则有

同理,在轨道Ⅲ上有

由上两式可得

探测器在轨道Ⅲ上运行时加速度设为a,则

解得

(2)探测器在A点喷出气体前后,由动量守恒定律,得mv1=(m-△m)v2+△mv

解得

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