
如图为电影《流浪地球2》中的“太空电梯”,假若质量为m的宇航员乘坐这种固定在赤道上的“太空电梯”上升,电梯运行到距离地面高度h处停止。已知地球的半径为R,表面的重力加速度为g,自转周期为T,引力常量为G,假若同步卫星距离地面的高度为H,下列说法正确的是( )
A.宇航员在“太空电梯”中处于静止状态时,处于平衡状态
B.当h=H,万有引力小于宇航员做圆周运动的向心力
C.当h>H,宇航员受到向下的压力为
D.当h<H,宇航员受到向上的支持力为
【答案】C
【解析】A.宇航员在“太空电梯”中绕地心随地球一起自转,所以宇航员所受的合力提供向心力,宇航员所受合力不为零,所以不处于平衡状态。故A错误;
B.对同步卫星由万有引力及牛顿第二定律得
对比上式可得,当h=H时,对宇航员满足
即当h=H,万有引力等于宇航员做圆周运动的向心力。
故B错误;
CD.对于绕地卫星,根据万有引力定律及牛顿第二定律可得
当时,卫星为同步卫星,卫星周期与地球自转周期
相等;当
时,卫星周期大于地球自转周期
;当
时,卫星周期小于地球自转周期
。宇航员在“太空电梯”中不论距地面多高,绕地做圆周运动的周期始终等于地球自转周期
。始终满足所受合力提供向心力
所以可得,当时, 万有引力不足以提供向心力,宇航员受到向下的压力,由牛顿第二定律得
其中
联立以上两式得
当时, 万有引力大于提供向心力,宇航员受到向上的支持力,由牛顿第二定律得
其中
联立以上两式得
故C正确,D错误。
故选C。
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