- 万有引力与航天
- 共16469题
2013年6月13日,北京时间6月13日13时18分,天宫一号目标飞行器与神十飞船在离地面343Km的近圆轨道上进行了我国第5次载入空间交会对接.神舟十号航天员成功开启天宫一号目标飞行器舱门,聂海胜、张晓光、王亚平以漂浮姿态进入天宫一号.下列说法正确的是( )
正确答案
解析
解:
A、航天员以漂浮姿态进入天宫一号,处于完全失重状态,但地球对他的万有引力仍然存在,提供他随天宫一号围绕地球做圆周运动的向心力,故A错误;
B、第一宇宙速度为最大环绕速度,天宫一号的线速度一定小于第一宇宙速度7.9km/s.故B正确.
C、天宫一号处于完全失重状态,不能用弹簧秤悬挂测一杯水的重力.故C错误.
D、由mg′=G,则得g′=
,则知卫星的轨道半径越大,所在处的重力加速度越小.完成对接后的组合体运行的加速度等于轨道处的重力加速度,一定小于地球表面的重力加速度9.8m/s2.故D错误.
故选:B.
作为我国对月球实施无人探测的第二阶段任务,“嫦娥二号”卫星预计在2011年前发射,登月器也将指日登陆月球.质量为m的登月器与航天飞机连接在一起,随航天飞机绕月球做半径为3R( R为月球半径)的圆周运动.当它们运行到轨道的A点时,登月器被弹离,航天飞机速度变大,登月器速度变小且仍沿原方向运动,随后登月器沿椭圆登上月球表面的B点,在月球表面逗留一段时间后,经快速起动仍沿原椭圆轨道回到分离点A并立即与航天飞机实现对接.已知月球表面的重力加速度为g′.(开普勒第三定律内容:所有的行星的轨道的半长轴的三次方跟公转周期的二次方的比值都相等)试求:
(1)登月器与航天飞机一起在圆周轨道上绕月球运行的周期是多少?
(2)若登月器被弹射后,航天飞机的椭圆轨道长轴为8R,则为保证登月器能顺利返回A点,登月器可以在月球表面逗留的时间是多少?
正确答案
解:(1)设登月器和航天飞机在半径3R的轨道上运行时的周期为T,
因其绕月球作圆周运动,所以应用牛顿第二定律有:
G=m(
)2•3R…①
在月球表面的物体所受重力近似等于万有引力,即:
G=m0g′…②
联立①②解得:
T=6π…③
(2)设登月器在小椭圆轨道运行的周期是T1,航天飞机在大椭圆轨道运行的周期是T2.
对登月器和航天飞机依据开普勒第三定律分别有:
=
…④
=
…⑤
为使登月器仍沿原椭圆轨道回到分离点与航天飞机实现对接,登月器可以在月球表面逗留的时间t应满足:
t=nT2-T1 (其中,n=1、2、3、…)…⑥
联立③④⑤⑥得:
t=4π(8n-1)(其中,n=1、2、3、…)
答:(1)登月器与航天飞机一起在圆周轨道上绕月球运行的周期是6π;
(2)若登月器被弹射后,航天飞机的椭圆轨道半长轴为4R,则为保证登月器能顺利返回A点,登月器可以在月球表面逗留的时间是4π(8n-1)(其中,n=1、2、3、…).
解析
解:(1)设登月器和航天飞机在半径3R的轨道上运行时的周期为T,
因其绕月球作圆周运动,所以应用牛顿第二定律有:
G=m(
)2•3R…①
在月球表面的物体所受重力近似等于万有引力,即:
G=m0g′…②
联立①②解得:
T=6π…③
(2)设登月器在小椭圆轨道运行的周期是T1,航天飞机在大椭圆轨道运行的周期是T2.
对登月器和航天飞机依据开普勒第三定律分别有:
=
…④
=
…⑤
为使登月器仍沿原椭圆轨道回到分离点与航天飞机实现对接,登月器可以在月球表面逗留的时间t应满足:
t=nT2-T1 (其中,n=1、2、3、…)…⑥
联立③④⑤⑥得:
t=4π(8n-1)(其中,n=1、2、3、…)
答:(1)登月器与航天飞机一起在圆周轨道上绕月球运行的周期是6π;
(2)若登月器被弹射后,航天飞机的椭圆轨道半长轴为4R,则为保证登月器能顺利返回A点,登月器可以在月球表面逗留的时间是4π(8n-1)(其中,n=1、2、3、…).
已知下列哪些数据可以计算出地球的质量M(G已知)( )
正确答案
解析
解:AC、据已知地球绕太阳运行的周期及地球中心到太阳中心的距离可以计算出太阳的质量,故A、C错误;
BD、可得地球质量M=
,故由月球绕地球运动的周期及月球到地球中心的距离可以计算出地球的质量,由于地球同步卫星的周期与地球自转周期相同,所以可以由同步卫星离地心的距离求得地球的质量,所以BD均正确.
故选:BD.
《自然哲学的数学原理》已经证明质量分布均匀的球壳对壳内物体的引力为零. 假设地球是一半径为R.质量分布均匀的球体.一矿井深度为d.矿井底部和地面处的重力加速度大小之比为( )
正确答案
解析
解:令地球的密度为ρ,则在地球表面,重力和地球的万有引力大小相等,有:g=,由于地球的质量为:M=
,所以重力加速度的表达式可写成:
g==
ρ.
根据题意有,质量分布均匀的球壳对壳内物体的引力为零,固在深度为d的井底,受到地球的万有引力即为半径等于(R-d)的球体在其表面产生的万有引力,故井底的重力加速度g′=
所以有=
故选:C.
专家称嫦娥四号探月卫星为“四号星”,计划在2017年发射升空,它的主要任务是更深层次、更全面的科学探测月球地貌、资等方面的信息,完善月球档案资料.已知月球表面的重力加速度为g,月球的平均密度为ρ.月球可视为半径为R的球体,“四号星”离月球表面的高度为h,绕月做匀速圆周运动的周期为T.仅根据以上信息不能求出的物理量是( )
正确答案
解析
解:令月球半径为R,在月球表面万有引力与重力相等,故有:
月球质量:
所以有:可得月球半径
G=,B可以
由万有引力常量可以求出月球质量M=,A可以;
月球表面的第一宇宙速度即月球重力提供圆周运动向心力有,D可以
由于不知道“四号星”的质量,故无法求出它与月球间的万有引力,故C不可以.
因为选择不能求出的物理量,故答案为:C
小行星绕恒星运动,恒星均匀地向四周辐射能量,质量缓慢减小,可认为小行星在绕恒星运动一周的过程中近似做圆周运动.则经过足够长的时间后,小行星运动的( )
正确答案
解析
解:恒星均匀地向四周辐射能量,质量缓慢减小,二者之间万有引力减小,小行星做离心运动,即半径增大,故A正确;小行星绕恒星运动做圆周运动,万有引力提供向心力,设小行星的质量为m,恒星的质量为M,则,即
,M减小,r增大,故v减小,所以B错误;
v=ωr,v减小,r增大,故ω减小,所以C错误;
由得:
M减小,r增大,所以a减小,故D错误;
故选A.
(2016•淮南一模)如图所示,在火星与木星轨道之间有一小行星带.假设该带中的小行星只受到太阳的引力,并绕太阳做匀速圆周运动.下列说法中正确的是( )
正确答案
解析
解:A、根据得,ω=
,知轨道半径越大,角速度越小,故A错误.
B、根据得,a=
,轨道半径越大,加速度越小,则小行星带外侧行星的加速度小于内侧行星的加速度,故B正确.
C、因为小行星的质量不一定均相等,则与太阳距离相等的每一颗小行星所受太阳的引力不一定相等,故C错误.
D、根据得,v=
,轨道半径越大,线速度越小,则小行星带内各行星绕太阳公转的线速度均小于地球公转的线速度.故D正确.
故选:BD
(2015秋•信阳校级月考)假设某星球表面上有一倾角为θ=37°的固定斜面,一质量为m=2.0kg的小物块从斜面底端以速度9m/s沿斜面向上运动,小物块运动1.5s时速度恰好为零.已知小物块和斜面间的动摩擦因数为0.25,该星球半径为R=1.2×103km.(sin37°=0.6.cos37°=0.8),试求:
(1)该星球表面上的重力加速度g的大小;
(2)该星球的第一宇宙速度.
正确答案
解:(1)对物体受力分析,由牛二律可得:-mgsinθ-umgcosθ=ma ①
a= ②
由①②代入数据求得g=7.5m/s2
(2)第一宇宙速度为v,v==3×103m/s
答:(1)该星球表面上的重力加速度g的大小为7.5m/s2
(2)该星球的第一宇宙速度为3×103m/s
解析
解:(1)对物体受力分析,由牛二律可得:-mgsinθ-umgcosθ=ma ①
a= ②
由①②代入数据求得g=7.5m/s2
(2)第一宇宙速度为v,v==3×103m/s
答:(1)该星球表面上的重力加速度g的大小为7.5m/s2
(2)该星球的第一宇宙速度为3×103m/s
对于万有引力定律的数学表达式F=G,下列说法正确的是( )
正确答案
解析
解:A、公式F=G,中G为引力常数,由卡文迪许通过实验测得.故A错误;
B、公式F=G中从数学角度讲:当R趋近于零时其值是趋于无穷大,然而这是物理公式,所以R不可能为零.万有引力公式只适合于两个可以看做质点的物体,即,物体(原子)的自身半径相对两者的间距可以忽略时适用.而当距离无穷小时,相临的两个原子的半径远大于这个距离,它们不再适用万有引力公式.故B错误;
C、公式适用于可视为质点的两物体间引力的计算,故C正确;
D、M、m之间的万有引力总是大小相等方向相反,是一对相互作用力,故D正确;
故选:CD.
已知地球半径为R,自转周期为T,地球表面的重力加速度大小为g,万有引力常量为G;不计地球自转对重力的影响,试求人造地球同步卫星相对地面的高度.
正确答案
解:设地球质量为M,卫星质量为m,地球同步卫星到地面的高度为h,则
同步卫星所受万有引力等于向心力:G
在地球表面上引力等于重力:G=mg
故地球同步卫星离地面的高度h=
答:人造地球同步卫星相对地面的高度为.
解析
解:设地球质量为M,卫星质量为m,地球同步卫星到地面的高度为h,则
同步卫星所受万有引力等于向心力:G
在地球表面上引力等于重力:G=mg
故地球同步卫星离地面的高度h=
答:人造地球同步卫星相对地面的高度为.
一颗月球卫星在距月球表面高为h的圆形轨道运行,已知月球半径为R,月球表面的重力加速度大小为g月,引力常量为G,由此可知( )
正确答案
解析
解:“嫦娥一号”卫星绕月做匀速圆周运动,由月球的万有引力提供向心力,则得:
G=m
(R+h)=m
=ma
在月球表面上,万有引力等于重力,则有:
m′g月=G,得 GM=g月R2,
由上解得:
M=
v=
a=
T=2π
故A正确,BCD错误;
故选:A.
在宇宙中有一个星球,半径为R=105m,在星球表面用弹簧称量一个质量m=1kg的砝码的重力,得砝码重力G=1.6N.
(1)该星球的第一宇宙速度是多大?
(2)如果在该星球表面竖直向上发射卫星,设向上的加速度为a=8.4m/s2,卫星中用弹簧秤悬挂一个质量m=1kg的物体,则弹簧秤的示数为多大?
正确答案
解:(1)由重力和质量的关系知:G=mg
所以=1.6 m/s2
星球表面上物体的重力等于星球对物体的万有引力,即
靠近星球做圆周运动的卫星所需的向心力由万有引力提供,所以
解得:
代入数值得第一宇宙速度:v==400 m/s
(2)设弹簧秤的示数为F,由牛顿第二定律得:F-mg=ma
解得:F=ma+mg=1×8.4+1×1.6=10N
答:(1)该星球的第一宇宙速度是1.6m/s;
(2)如果在该星球表面竖直向上发射卫星,设向上的加速度为a=8.4m/s2,卫星中用弹簧秤悬挂一个质量m=1kg的物体,则弹簧秤的示数为10N.
解析
解:(1)由重力和质量的关系知:G=mg
所以=1.6 m/s2
星球表面上物体的重力等于星球对物体的万有引力,即
靠近星球做圆周运动的卫星所需的向心力由万有引力提供,所以
解得:
代入数值得第一宇宙速度:v==400 m/s
(2)设弹簧秤的示数为F,由牛顿第二定律得:F-mg=ma
解得:F=ma+mg=1×8.4+1×1.6=10N
答:(1)该星球的第一宇宙速度是1.6m/s;
(2)如果在该星球表面竖直向上发射卫星,设向上的加速度为a=8.4m/s2,卫星中用弹簧秤悬挂一个质量m=1kg的物体,则弹簧秤的示数为10N.
探测器着陆的最后阶段,探测器降落到该星球表面上,再经过多次弹跳才停下来.假设探测器第一次落在火星表面弹起后,到达最高点时高度为h,速度方向是水平的,速度大小为V0,求它第二次落到星球表面时速度的大小,计算时不计星球大气阻力.已知星球的质量是地球的p倍,半径是地球的q倍,地球表面处的重力加速度为g.
正确答案
解:以g′表示火星表面附近的重力加速度,M表示火星的质量,m′表示为卫星的质量,m表示火星表面处某一物体的质量,
由万有引力定律和圆周运动的知识可得:
由 G=mg
则得 g=
所以=
故g′=
以v表示着陆器第二次落到火星表面时的速度,根据机械能守恒定律有:
+mg′h=
解得,v==
答:它第二次落到星球表面时速度的大小为.
解析
解:以g′表示火星表面附近的重力加速度,M表示火星的质量,m′表示为卫星的质量,m表示火星表面处某一物体的质量,
由万有引力定律和圆周运动的知识可得:
由 G=mg
则得 g=
所以=
故g′=
以v表示着陆器第二次落到火星表面时的速度,根据机械能守恒定律有:
+mg′h=
解得,v==
答:它第二次落到星球表面时速度的大小为.
我国“神舟”六号宇宙飞船已经发射成功,当时在飞船控制中心的大屏幕上出现的一幅卫星运行轨迹图,如图,它记录了“神舟”六号飞船在地球表面垂直投影的位置变化.图中表示在一段时间内飞船绕地球圆周飞行四圈,依次飞经中国和太平洋地区的四次轨迹①、②、③、④,图中分别标出了各地点的经纬度(如:在轨迹①通过赤道时的经度为西经156°,绕行一圈后轨迹②再次经过赤道时经度为180°…),若已知地球半径为R,地球表面处的重力加速度g,地球自转周期为24h,根据图中的信息:
(1)如果飞船运行周期用T表示,试写出飞船离地面高度的表达式
(2)飞船运行一周,地球转过的角度是多少?
(3)求飞船运行的周期.
正确答案
解析
解:(1)飞船绕地球做圆周运动的向心力由万有引力提供,
设地球质量是M,飞船质量是m,轨道半径是r,
由牛顿第二定律可得:…①
地球表面的物体m′受到的重力等于地球对它的万有引力,
即:m′g=G…②
由①②可以解得:r=,
则飞船离地面的高度h=r-R=-R;
(2)从图中信息可知,“神舟六号”转一圈,地球自转转过180°-156°=24°,
(3)“神舟六号”的周期为:T=×T地球=
×3600×24=5760s=1.6h.
答:(l)如果飞船运行周期用T表示,飞船离地面的高度h=-R;
(2)飞船运行一周,地球转过的角度是24°.
(3)飞船运行的周期是1.6h.
嫦娥一号”探月卫星在空中运动的简化示意图如下.卫星由地面发射后,经过发射轨道进入停泊轨道,在停泊轨道经过调速后进入地月转移轨道,再次调速后进入工作轨道.已知卫星在停泊轨道和工作轨道运行半径分别为R和R1,地球半径为r,月球半径为r1,地表面重力加速度为g,月球表面重力加速度为
.
求:
(1)卫星在停泊轨道上运行的线速度;
(2)卫星在工作轨道上运行的周期.
正确答案
解:(1)卫星在停泊轨道上运行,根据万有引力提供向心力:
=
v=
在地球表面运用黄金代换式GM=gr2得
v=r
(2)卫星在工作轨道上运行,根据万有引力提供向心力:
=
T=2π
在月球表面运用黄金代换式GM′=r12得
T=
答:(1)卫星在停泊轨道上运行的线速度是r
(2)卫星在工作轨道上运行的周期是.
解析
解:(1)卫星在停泊轨道上运行,根据万有引力提供向心力:
=
v=
在地球表面运用黄金代换式GM=gr2得
v=r
(2)卫星在工作轨道上运行,根据万有引力提供向心力:
=
T=2π
在月球表面运用黄金代换式GM′=r12得
T=
答:(1)卫星在停泊轨道上运行的线速度是r
(2)卫星在工作轨道上运行的周期是.
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