- 万有引力与航天
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某星球的质量约为其一颗卫星质量的16倍,一飞行器在该星球与其卫星之间,当该星球对它的引力和其卫星对它的引力大小相等时,这飞行器距该星球中心距离与距该星球的卫星中心距离之比为______.
正确答案
4:1
解析
解:星球和其卫星对飞行器的万有引力的合力为零,故:
G=G
解得:
=
=
故答案为:4:1.
某恒星附近有一颗卫星,它绕该恒星做匀速圆周运动的周期是T,设万有引力常量为G,则该恒星的平均密度为______.
正确答案
解析
解:根据G=mR
得则恒星的质量为:M=.
则恒星的密度为:ρ==
=
.
故答案为:.
(多选题)已知下面的哪组数据,可以算出地球的质量M(已知引力常量G)( )
正确答案
解析
解:A、根据万有引力提供圆周运动向心力,可以求出中心天体的太阳的质量而不可以求出环绕天体地球的质量,故A错误;
B、月球绕地球做圆周运动,万有引力提供圆周运动向心力,可以求出中心天体地球的质量,故B正确;
C、万有引力提供圆周运动向心力,可以据此计算中心天体的质量,而地球绕太阳运动可以计算中心天体太阳的质量,故C错误;
D、已知人造地球卫星在地面运行的速度和运行周期,根据v=可得轨道半径,根据
得地球质量M=
,故可以求出地球的质量.
故选:BD.
假设在半径为R的某天体上发射一颗该天体的卫星,若这颗卫星在距该天体表面高度为h的轨道做匀速圆周运动,周期为T,已知万有引力常量为G,求:
(1)该天体的质量是多少?
(2)该天体的密度是多少?
(3)该天体表面的重力加速度是多少?
(4)该天体的第一宇宙速度是多少?
正确答案
解:(1)卫星做匀速圆周运动,万有引力提供向心力,根据牛顿第二定律,有:
G=m
解得:
M= ①
(2)天体的密度:
=
=
;
(3)在天体表面,重力等于万有引力,故:
mg=G ②
联立①②解得:
g= ③
(4)该天体的第一宇宙速度是近地卫星的环绕速度,根据牛顿第二定律,有:
mg=m ④
联立③④解得:
v==
;
答:(1)该天体的质量是;
(2)该天体的密度是;
(3)该天体表面的重力加速度是多;
(4)该天体的第一宇宙速度是.
解析
解:(1)卫星做匀速圆周运动,万有引力提供向心力,根据牛顿第二定律,有:
G=m
解得:
M= ①
(2)天体的密度:
=
=
;
(3)在天体表面,重力等于万有引力,故:
mg=G ②
联立①②解得:
g= ③
(4)该天体的第一宇宙速度是近地卫星的环绕速度,根据牛顿第二定律,有:
mg=m ④
联立③④解得:
v==
;
答:(1)该天体的质量是;
(2)该天体的密度是;
(3)该天体表面的重力加速度是多;
(4)该天体的第一宇宙速度是.
按照我国整个月球探测活动的计划,在第一步“绕月”工程圆满完成各项目标和科学探测任务后,将开展第二步“落月”工程,预计在2013年以前完成.假设月球半径为R,月球表面的重力加速度为g0,飞船沿距月球表面高度为3R的圆形轨道I运动,到达轨道的A点.点火变轨进入椭圆轨道Ⅱ,到达轨道的近月点B再次点火进入月球近月轨道Ⅲ绕月球作圆周运动.下列判断正确的是( )
正确答案
解析
解:A、飞船在轨道Ⅰ上,万有引力提供向心力:G=m
,在月球表面,万有引力等于重力得:G
=m′g0,解得:v=
,故A错误.
B、在圆轨道实施变轨成椭圆轨道远地点是做逐渐靠近圆心的运动,要实现这个运动必须万有引力大于飞船所需向心力,所以应给飞船点火减速,减小所需的向心力.故B错误.
C、飞船从A到B运行的过程中只受重力,所以处于完全失重状态,故C正确.
D、设飞船在近月轨道Ⅲ绕月球运行一周所需的时间为T,则:mR=mg0,T=2π
,故D正确.
故选:CD.
某同学阅读了“火星的现在、地球的未来”一文,摘录了以下资料:
①根据目前被科学界普遍接受的宇宙大爆炸学说可知,万有引力常量在极其缓慢地减小;②火星位于地球绕太阳轨道的外侧;③由于火星与地球的自转周期几乎相同,自转轴与公转轨道平面的倾角也几乎相同,所以火星上也有四季变化.
根据该同学摘录的资料和有关天体运动规律,可推断( )
正确答案
解析
解:A、B、万有引力的表达式:可知G变小,则F变小.故A正确,B错误
C、D、由向心力等于万有引力:,得r越大,T越大.因火星半径大,则火星的周期大.故C错误,D正确
故选;A D
(2015秋•无锡期末)已知地球的质量为M,半径为R,月球的质量为m,半径为r,地球与月球两球心间的距离为地球半径的60倍,引力常量为G,若将地球与月球看成质量分布均匀的球体,则月球对地球的万有引力大小为( )
正确答案
解析
解:月球对地球的万有引力F=,
r月地=60R,
则F=,故C正确,A、B、D错误.
故选:C.
宇宙中有A、B两颗天体构成的一个双星系统,它们互相环绕做圆周运动,其中天体A的质量大于天体B的质量.双星之间存在质量转移,B的一部分质量转移到了A,若双星间的中心距离不变,则发生质量转移前后( )
正确答案
解析
解:A、设质量较大的天体A质量为m1,轨道半径为r1,质量较小的天体B质量为m2,轨道半径为r2.双星间的距离为L.转移的质量为△m.
根据万有引力为F=G ,根据数学知识得知,随着△m的增大,F减小.故A错误.
B、对A:F=G=(m1+△m)ω2r1 ①
对B:F=G=(m2-△m)ω2r2 ②
由①②得:ω=,总质量m1+m2不变,双星间的中心距离L不变,则角速度ω不变.故B正确.
C、D、由①知F减小,△m增大,则r1 减小,由于v1=ωr1,所以v1减小,即天体A的线速度减小,故CD错误.
故选:B.
“嫦娥五号”计划于2017年前后在海南文昌航天发射基地发射,实施无人采样返回任务.若干年后,我国将向月球发射近20颗月球卫星,宇航员可以乘航天飞机对月球卫星进行维修.已知某月球卫星阳绕月球做匀速圆周运动,且距离月球表面的高度为h,月球的半径为R,月球表面的重力加速度为g.不考虑月球的自转,求:
(1)该卫星做匀速圆周运动的周期T;
(2)维修该卫星时,航天飞机的速度v.
正确答案
解:(1)根据近月卫星的万有引力等于重力,有:
根据万有引力提供向心力,有:
卫星绕月球运动的周期为:T=2π(R+h)=
.
(2)维修该卫星时,航天飞机的速度v与卫星的速度想相等的,根据万有引力提供向心力,有:
得:v=
答:(1)卫星绕月球运动的周期是;(2)维修该卫星时,航天飞机的速度是
.
解析
解:(1)根据近月卫星的万有引力等于重力,有:
根据万有引力提供向心力,有:
卫星绕月球运动的周期为:T=2π(R+h)=
.
(2)维修该卫星时,航天飞机的速度v与卫星的速度想相等的,根据万有引力提供向心力,有:
得:v=
答:(1)卫星绕月球运动的周期是;(2)维修该卫星时,航天飞机的速度是
.
为了探测某星球,载着登陆舱的探测飞船在以该星球中心为圆心,半径为r1的圆轨道上运动,周期为T1,总质量为m1,随后登陆舱脱离飞船,变轨到离星球更近的半径为r2的圆轨道上运动,登陆舱的质量为m2,则( )
正确答案
解析
解:A、研究飞船绕星球做匀速圆周运动,根据万有引力提供向心力,列出等式:
得出:,故A错误;
B、根据圆周运动知识,只能表示在半径为r1的圆轨道上向心加速度,而不等于X星球表面的重力加速度,故B错误.
C、研究登陆舱绕星球做匀速圆周运动,根据万有引力提供向心力有:
在半径为r的圆轨道上运动:得出:
表达式里M为中心体星球的质量,R为运动的轨道半径.
所以登陆舱在r1与r2轨道上运动时的速度大小之比为,故C错误.
D、研究登陆舱绕星球做匀速圆周运动,根据万有引力提供向心力,列出等式:
在半径为r的圆轨道上运动:得出:
.
表达式里M为中心体星球的质量,R为运动的轨道半径.所以登陆舱在r1与r2轨道上运动时的周期大小之比为:
所以:,故D正确.
故选:D.
(2015春•宜春校级月考)我国已成功发射了探月卫星“嫦娥二号”,未来我国航天员可登月.若航天员在月球表面附近某处以初速度v0水平抛出一小物块,测得小物块下落高度为h时,水平距离为s.
(1)求月球表面的重力加速度g.
(2)设月球半径为R,求月球的第一宇宙速度v1和月球的平均密度ρ.(球的体积V=πR3,引力常数为G)
正确答案
解:(1)设小物块做平抛运动的时间为t,由运动学公式有
s=v0t
h=gt2
解得g=
(2)设小物块的质量为m,根据牛顿第二定律和万有引力定律有
mg=
=m
解得v1=,M=
月球的平均密度ρ==
答:(1)月球表面的重力加速度是;
(2)月球的第一宇宙速度是,月球的平均密度是
.
解析
解:(1)设小物块做平抛运动的时间为t,由运动学公式有
s=v0t
h=gt2
解得g=
(2)设小物块的质量为m,根据牛顿第二定律和万有引力定律有
mg=
=m
解得v1=,M=
月球的平均密度ρ==
答:(1)月球表面的重力加速度是;
(2)月球的第一宇宙速度是,月球的平均密度是
.
太空中有一颗绕恒星作匀速圆周运动的行星,此行星上一昼夜的时间是t,在行星的赤道处用弹簧秤测量物体的重力的读数比在两极时测量的读数小10%,已知引力常量为G,求此行星的平均密度.
正确答案
解:行星上一昼夜的时间是t,即行星的自转周期T=t;
弹簧称在赤道和两极的读数分别为F1、F2
在赤道上,G-F1=m
R=M
R
在两极上,G-F2=0
又F2-F1=10% F2
则mR=10%G
解得:=
而ρ==
=
×
=
答:此行星的平均密度为.
解析
解:行星上一昼夜的时间是t,即行星的自转周期T=t;
弹簧称在赤道和两极的读数分别为F1、F2
在赤道上,G-F1=m
R=M
R
在两极上,G-F2=0
又F2-F1=10% F2
则mR=10%G
解得:=
而ρ==
=
×
=
答:此行星的平均密度为.
“卡西尼”号土星探测器在离土星表面高h的圆形轨道上飞行,环绕n周飞行时间为t,土星半径为R,已知引力常量为G,则下列关于土星质量M和平均密度ρ的表达式正确的是( )
正确答案
解析
解:根据万有引力提供向心力有:
又卫星的周期为:T=
得土星的质量:M=,
由密度的定义式为:,
土星的体积为:V=
得土星的密度:ρ==
故B正确、ACD错误.
故选:B.
宇宙中恒星的寿命不是无穷的,一部分恒星最后会弧形成密度非常大的“中子星”.设某一中子星的密度是ρ,若要使探测器绕该中子星做匀速圆周运动以探测中子星,探测器的运转周期最小值为多少?(万有引力常量为G).
正确答案
解:设中子星的半径为R,质量为M.
探测器绕中子星表面做匀速圆周运动,根据万有引力提供向心力有:
G=m
R
则该中子星的质量为:M=
所以该中子行的密度为:ρ==
=
所以探测器的运转周期最小值:T=
答:探测器的运转周期最小值为.
解析
解:设中子星的半径为R,质量为M.
探测器绕中子星表面做匀速圆周运动,根据万有引力提供向心力有:
G=m
R
则该中子星的质量为:M=
所以该中子行的密度为:ρ==
=
所以探测器的运转周期最小值:T=
答:探测器的运转周期最小值为.
“嫦娥二号”环月飞行的高度为100km,所探测到的有关月球的数据将比环月飞行高度为200km的“嫦娥一号”更加详实.若两颗卫星环月的运行均可视为匀速圆周运动,运行轨道如图所示.则( )
正确答案
解析
解:根据万有引力充当向心力知:
F=G=m
=mω2r=m(
)2r=ma
解得:
v= ①
T==2π
②
ω= ③
a= ④
A、因为R1>R2,所以T1>T2,故A错误;
B、因为R1>R2,所以v2>v1,故B错误;
C、因为R1>R2,所以a2>a1,故C正确;
D、因为R1>R2,所以F1<F2,故D错误.
故选:C.
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