- 万有引力与航天
- 共16469题
继神秘的火星之后,土星也成了全世界关注的焦点,经过近7年35.2亿公里在太空中风尘仆仆的创新后,美航空航天局和欧航空航天局合作研究的“卡西尼”号土星探测器抵达预定轨道,开始“拜访”土星及其卫星家族,这是人类首次针对土星及其31颗已知卫星最详尽的探测,若卡西尼号探测器进入绕土星飞行的轨道,在半径为R的土星上空离土星表面高度h的圆形轨道上绕土星飞行,环绕n周飞行时间为t.计算土星的质量和平均密度.(万有引力常量为G)
正确答案
解:由 =m
(R+h)
又T=
得:
由 ,V=
得:
答:土星的质量为,平均密度为
.
解析
解:由 =m
(R+h)
又T=
得:
由 ,V=
得:
答:土星的质量为,平均密度为
.
某星球的质量为地球的9倍,半径为地球的一半,则在该星球表面上的重力加速度为地球表面上______倍,若从地球上高h处平抛一物体,物体射程为60m,从同样的高度,以同样的初速度在星球上平抛同一物体,射程应为______m.
正确答案
36
10
解析
解:根据G=mg得:
g=
星球的质量约为地球的9倍,半径约为地球的一半.可知星球的重力加速度是地球的36倍.
根据h=gt2得:
t=
则水平射程:
x=v0t=v0
初速度、高度相同,重力加速度是地球表面重力加速度的36倍,则水平射程变为原来的.
即x=×60m=10m.
故答案为:36,10.
假设地球的自转加快,则仍静止在赤道附近的物体变大的物理量是( )
正确答案
解析
解:设地球质量为M,物体质量为m,地球半径为R;地球自转加快,地球自转角速度ω增大;
A、物体受到的万有引力F=G不随地球自转角速度变化而变化,故A错误;
B、自转向心力F向=mω2R,随角速度增大,向心力增大,故B正确;
C、地面的支持力FN=F-F向变小,故C错误;
D、物体受到的重力G=F-F向变小,故D错误;
故选:B.
(2015秋•山东校级月考)已知水星和金星两个星球的质量之比和半径之比,可以求出两个星球的( )
正确答案
解析
解:A、根据密度公式,已知水星和金星两个星球的质量之比和半径之比,因此可求得它们的密度之比.故A正确.
B、根据第一宇宙速度表达式v=,由于水星和金星的质量和体积之比可知,则可求出水星和金星的第一宇宙速度之比.故B正确.
C、根据g= 知,知道质量与轨道半径各自之比,可以得出水星和金星的表面加速度之比,故C正确.
D、根据G=mr
得,r=
,根据水星和金星的轨道半径之比,才可以得出周期之比,由于轨道半径的不知,因此无法确定它们的周期之比,故D错误.
故选:ABC.
地球的质量为M,半径为R,自转角速度为ω,万有引力常量为G,地球表面的重力加速度为g,同步卫星距地面的距离为h,则同步卫星的线速度大小为( )
正确答案
解析
解:同步卫星与地球同步,做匀速圆周运动,则线速度定义可得:
v=
由于地球的引力提供向心力,让同步卫星做匀速圆周运动,则有:
解之得:v=
由黄金代换式:g=,
可得:v=
故选:ABC
“嫦娥三号”探月卫星于2013年12月2日1点30分在西昌卫星发射中心发射,将实现“落月”的新阶段.若已知引力常量G,月球绕地球做圆周运动的半径r1、周期T1,“嫦娥三号”探月卫星绕月球做圆周运动的环月轨道(如图)半径r2、周期T2,不计其他天体的影响,则根据题目条件可以( )
正确答案
解析
解:
A、“嫦娥三号”探月卫星绕月球做圆周运动,由万有引力提供向心力得:,由此可知卫星的质量m在等式两边约去了,只能得到月球的质量M月=
,故A错误;
C、根据月球绕地球做圆周运动的半径为r1、周期为T1,可求得地球的质量M地=
,但地球的半径未知,不能求出地球的密度,故C错误.
B、由上求出月球和地球的质量,又月球绕地球做圆周运动的半径为r1,根据万有引力定律可求得地球与月球之间的引力,故B正确.
D、由A、B两项结果可得:与中心天体的质量成正比,所以
,故D错误.
故选:B.
A.一卫星绕某一行星表面附近做匀速圆周运动,其线速度大小为v.假设宇航员在该行星表面上用弹簧测力计测量一质量为m的物体所受重力,物体静止时,弹簧测力计的示数为F.已知引力常量为G,则该行星表面的重力加速度为______,质量为______.
正确答案
解析
解:G=mg
所以g=
根据万有引力提供向心力得:
解得:M=
故答案为:,
;
关于天体的运动,下列说法正确的是( )
正确答案
解析
解:A、根据开普勒第三定律,金星和木星绕太阳运动的轨道半径三次方与周期平方的比值相同,故A正确;
B、围绕地球运动的所有同步卫星处于同一轨道,轨道平面与赤道平面重合,故B正确;
C、我国“神舟七号”的载人返回舱要返回地球就必须在原轨道上减速,才能做向心运动,故C错误;
D、第一宇宙速度是近地卫星的环绕速度,根据v=,第一宇宙速度是所有圆轨道卫星速度的最大值,故我国成功发射的“嫦娥一号”围绕地球运行时的速度小于7.9km/s,故D错误;
故选:AB.
“重力探矿”是常用的探测石油矿藏的方法之一.其原理可简述如下:如图1,P、Q为某地区水平地面上的两点,在P点正下方一球形区域内储藏有石油,假定区域周围岩石均匀分布,密度为ρ;石油密度远小于ρ,可将上述球形区域视为空腔.如果没有这一空腔,则该地区重力加速度(正常值)沿竖直方向;当存在空腔时,该地区重力加速度的大小和方向会与正常情况有微小偏差.重力加速度在原坚直方向(即PO方向)上的投影相对于正常值的偏离叫做“重力加速度反常”.为了探寻石油区域的位置和石油储量,常利用P点附近重力加速度反常现象.已知引力常数为G.
(1)“重力探矿”利用了“割补法”原理:如图2所示,在一个半径为R、质量为M的均匀球体中,紧贴球的边缘挖去一个半径为R/2的球形空穴后,剩余的阴影部分对位于球心和空穴中心连线上、与球心相距d的质点m的引力是多大?
(2)设球形空腔体积为V,球心深度为d(远小于地球半径),=x,利用“割补法”原理:如果将近地表的球形空腔填满密度为ρ的岩石,则该地区重力加速度便回到正常值.因此,重力加速度反常值可通过填充后的球形区域对Q处物体m产生的附加引力G
=m△g来计算,式中M是填充岩石后球形区域的质量,求空腔所引起的Q点处的重力加速度反常值△g′(△g在OP方向上的分量)
(3)若在水平地面上半径L的范围内发现:重力加速度反常值在ξ与kξ(k>1)(ξ为常数)之间变化,且重力加速度反常的最大值出现在半为L的范围的中心,如果这种反常是由于地下存在某一球形空腔造成的,试求此球形空腔球心的深度和空腔的体积.
正确答案
解:(1)把整个球体对质点的引力F看成是挖去的小球体对质点的引力F1和剩余部分对质点的引力F2之和,即F=F1+F2
填补上空穴的完整球体对质点m的引力为F=G
挖去的半径为的小球体的质量为M′,则M′=ρ×
=
×
=
M
F1=G=G
挖去球穴后的剩余部分对球外质点m的引力
F2=F-F1=GMm
(2)M=ρV ①
而r是球形空腔中心O至Q点的距离 r=…②
△g在数值上等于由于存在球形空腔所引起的Q点处重力加速度改变的大小.Q点处重力加速度改变的方向沿OQ方向,重力加速度反常△g′是这一改变在竖直方向上的投影
△g′=△g ③
联立以上式子得:△g′=…④
(3)由⑤式得,重力加速度反常△g′的最大值和最小值分别为
(△g′)max=…⑤
(△g′)min=…⑥
由题设有(△g′)max=kξ、(△g′)min=ξ…⑦
联立以上式子得,地下球形空腔球心的深度和空腔的体积分别为:
d=,V=
答:
(1)剩余的阴影部分对位于球心和空穴中心连线上、与球心相距d的质点m的引力是GMm.
(2)空腔所引起的Q点处的重力加速度反常值△g′为=.
(3)此球形空腔球心的深度和空腔的体积为.
解析
解:(1)把整个球体对质点的引力F看成是挖去的小球体对质点的引力F1和剩余部分对质点的引力F2之和,即F=F1+F2
填补上空穴的完整球体对质点m的引力为F=G
挖去的半径为的小球体的质量为M′,则M′=ρ×
=
×
=
M
F1=G=G
挖去球穴后的剩余部分对球外质点m的引力
F2=F-F1=GMm
(2)M=ρV ①
而r是球形空腔中心O至Q点的距离 r=…②
△g在数值上等于由于存在球形空腔所引起的Q点处重力加速度改变的大小.Q点处重力加速度改变的方向沿OQ方向,重力加速度反常△g′是这一改变在竖直方向上的投影
△g′=△g ③
联立以上式子得:△g′=…④
(3)由⑤式得,重力加速度反常△g′的最大值和最小值分别为
(△g′)max=…⑤
(△g′)min=…⑥
由题设有(△g′)max=kξ、(△g′)min=ξ…⑦
联立以上式子得,地下球形空腔球心的深度和空腔的体积分别为:
d=,V=
答:
(1)剩余的阴影部分对位于球心和空穴中心连线上、与球心相距d的质点m的引力是GMm.
(2)空腔所引起的Q点处的重力加速度反常值△g′为=.
(3)此球形空腔球心的深度和空腔的体积为.
一飞船在某行星表面附近沿圆轨道绕该行星飞行.测得周期为T,认为行星是密度均匀的球体,引力常量G已知,据此可推算出( )
正确答案
解析
解:A、B、仅仅知道飞船绕该行星飞行的周期为T,不能推算出飞船的轨道半径和飞船的速度.故AB错误;
C、根据密度公式得:
ρ=
根据万有引力提供向心力,列出等式
=m
M=
解得:密度ρ=,故C正确;
D、推算出的行星的密度,由于不知道行星的大小,所以不能推算出行星的质量.故D错误.
故选:C
A.已知引力常量为G,地球的质量为M,地球自转的角速度为ω0,月球绕地球转动的角速度为ω,假设地球上有一棵苹果树长到了接近月球那么高,则此树顶上一只苹果的线速度大小为______,此速度______(选填“大于”、“等于”或“小于”)月球绕地球运转的线速度.
B.一小船与船上人的总质量为160kg,以2m/s的速度匀速向东行驶,船上一个质量为60kg的人,以6m/s的水平速度(相对跳离时小船的速度)向东跳离此小船,若不计水的阻力,则人跳离后小船的速度大小为______m/s,小船的运动方向为向______.
正确答案
ω0
大于
0.25
向西
解析
解:(1)万有引力提供向心力=mrω2,
r=
根据v=rω0,所以v=ω0.
地球自转的角速度等于同步卫星的角速度,轨道半径越大,角速度越小,知同步卫星的角速度大于月球绕地球转动的角速度,
根据v=rω,苹果的线速度大于月球绕地球运转的线速度.
(2)规定向东为正方向.选择河面为参照系.
人跳离此小船前后小船与船上人动量守恒.
(m人+m船)v0=m人v人+m船v船v人-v船=6m/s.
解得:v人=5.75,v船=-0.25m/s,负号说明小船的运动方向为与正方向相反,即向西.
故答案为:(1)ω0,大于.
(2)0.25,向西.
人造卫星在运行中因受高空稀薄空气的阻力作用,绕地球运转的轨道半径会慢慢减小,在半径缓慢变化过程中,卫星的运动还可近似当作匀速圆周运动.当它在较大的轨道半径r1上时运行线速度为v1,周期为T1,后来在较小的轨道半径r2上时运行线速度为v2,周期为T2则它们的关系错误的是( )
正确答案
解析
解:万有引力提供卫星做圆周运动的向心力,
由牛顿第二定律得:G=m
,解得:v=
,轨道半径r越大,线速度v越小,由于r1>r2,因此:v1<v2;
由牛顿第二定律得:G=m
r,解得:T=2π
,轨道半径r越大,周期T越大,由于r1>r2,因此:T1>T2,故C正确,ABD错误;
本题选错误的,故选:ABD.
某星球质量为地球质量的4倍,半径约为地球半径的4倍;在该星球表面从10m的地方以10m/s的初速度水平抛出一物体 (地球表面附近g取10m/s2),求:
(1)星球表面的重力加速度的大小;
(2)该物体落回星球表面的时间;
(3)该物体落回星球表面的水平射程.
正确答案
解:(1)由mg=G得:g=
则得:=
=4×
=
解得:g星=g地=2.5m/s2.
(2)、(3)物体在星球上做平抛运动:
h=g星t2
s=vt
解得:t==
=2
s
s=20m
答:(1)星球表面的重力加速度的大小是2.5m/s2;
(2)该物体落回星球表面的时间是2s;
(3)该物体落回星球表面的水平射程是20m.
解析
解:(1)由mg=G得:g=
则得:=
=4×
=
解得:g星=g地=2.5m/s2.
(2)、(3)物体在星球上做平抛运动:
h=g星t2
s=vt
解得:t==
=2
s
s=20m
答:(1)星球表面的重力加速度的大小是2.5m/s2;
(2)该物体落回星球表面的时间是2s;
(3)该物体落回星球表面的水平射程是20m.
已知地球表面的重力加速度为g,地球半径为R,引力常量为G,一颗人造地球卫星在离地面3R的高空绕地球做匀速圆周运动,则卫星做匀速圆周运动的速度是______,周期是______.
正确答案
16π
解析
解:设地球的质量为M,静止在地面上的物体质量为m,由于重力等于万有引力,故:
mg= ①
卫星做匀速圆周运动,万有引力提供向心力,故:
=m
②
=m
③
联立①②③解得:
v=
T=16π
故答案为:,16π
.
登月火箭关闭发动机后在离月球表面h的空中沿圆形轨道运行,周期为T,月球的半径是R,根据这些数据计算,月球表面上以速度v竖直向上抛出的小球多长时间回到月球表面?(已知此上抛高度较小,远小于h)
正确答案
解:万有引力提供向心力,由牛顿第二定律得:G=m
(R+h),
在月球表面的物体受到的重力等于万有引力:G=m′g,
解得,月球表面的重力加速度:g=,
小球做竖直上抛运动,小球的运动时间:t==
;
答:月球表面上以速度v竖直向上抛出的小球经时间回到月球表面.
解析
解:万有引力提供向心力,由牛顿第二定律得:G=m
(R+h),
在月球表面的物体受到的重力等于万有引力:G=m′g,
解得,月球表面的重力加速度:g=,
小球做竖直上抛运动,小球的运动时间:t==
;
答:月球表面上以速度v竖直向上抛出的小球经时间回到月球表面.
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