- 万有引力与航天
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已知“重力是由于地球吸引而产生的”. 其实,在地球表面物理的重力和绕地轴转动的向心力的合力等于地球对物体的万有引力(就是说重力和向心力是引力的两个分力).在地球两极,物体不绕地轴转动(或者是转动半径很小,角速度不变,因此向心力也很小很小,可忽略),不需要一部分引力提供向心力,所以可以认为在地球两极物体重力和地球对物体万有引力相等.设地球是一半径为R的球体,在两极处的重力加速度为g,试由万有引力定律F=G计算:求:
(1)在北极正上方距地面高度为R高度的物体受到的重力与在北极点所受重力的比值;
(2)在北极正上方距地面高度为R高度的物体由于地球吸引产生的重力加速度g.(用g表示)
正确答案
解:(1)设物体质量为m,在北极向心力为零,重力等于万有引力,即在北极点有:,
在高为R处r=2R;有:
两式相比,化简可得:
(2)由(1)得:
得:
答:(1)在北极正上方距地面高度为R高度的物体受到的重力与在北极点所受重力的比值为;
(2)在北极正上方距地面高度为R高度的物体由于地球吸引产生的重力加速度为g.
解析
解:(1)设物体质量为m,在北极向心力为零,重力等于万有引力,即在北极点有:,
在高为R处r=2R;有:
两式相比,化简可得:
(2)由(1)得:
得:
答:(1)在北极正上方距地面高度为R高度的物体受到的重力与在北极点所受重力的比值为;
(2)在北极正上方距地面高度为R高度的物体由于地球吸引产生的重力加速度为g.
在圆轨道上运动的质量为m的人造地球卫星,它到地面的距离等于地球半径R,地面上的重力加速度为g,则( )
正确答案
解析
解:A、人造卫星绕地球做匀速圆周运动,根据万有引力提供向心力,设地球质量为M、卫星的轨道半径为r
则 …①
忽略地球自转的影响有
…②
①②联立得:v=,
根据牛顿第二定律得:
解得:a=g,故AC错误,D正确;
B、根据圆周运动知识得:
卫星运动的周期T=,故B正确;
故选:BD
中国赴南极考察船“雪龙号”,从上海港口出发一路向南,经赤道到达南极.某同学设想,在考察船“雪龙号”上做一些简单的实验来探究地球的平均密度:当“雪龙号”停泊在赤道时,用弹簧测力计测量一个钩码的重力,记下弹簧测力计的读数为F1,当“雪龙号”到达南极后,仍用弹簧测力计测量同一个钩码的重力,记下弹簧测力计的读数为F2,设地球的自转周期为T,不考虑地球两极与赤道的半径差异.请根据探索实验的设想,写出地球平均密度的表达式(万有引力常量G、圆周率π已知).
正确答案
解:在地球赤道处,钩码受地球的引力与弹簧的弹力作用,钩码随地球自转,做圆周运动,所以有:
F引-F1=mR
在地球的南极钩码受地球的引力与弹簧的弹力作用,因该处的钩码不做圆周运动,处于静止状态,有:
F引=F2=G
又因为:M=ρV=ρπR3
联立①②③解得:ρ=.
答:地球平均密度的表达式ρ=.
解析
解:在地球赤道处,钩码受地球的引力与弹簧的弹力作用,钩码随地球自转,做圆周运动,所以有:
F引-F1=mR
在地球的南极钩码受地球的引力与弹簧的弹力作用,因该处的钩码不做圆周运动,处于静止状态,有:
F引=F2=G
又因为:M=ρV=ρπR3
联立①②③解得:ρ=.
答:地球平均密度的表达式ρ=.
如图所示,a、b是绕太阳做圆轨道运动的2颗行星,下列说法正确的是( )
正确答案
解析
解:A、根据太阳对行星的万有引力提供向心力得:得:
,ra<rb所以,va>vb,故A错误;
B、根据太阳对行星的万有引力提供向心力得:,即:
,ra<rb所以,ωa>ωb,故B错误;
C、根据T=且ωa>ωb可知,Ta<Tb,故C正确;
D、根据太阳对行星的万有引力提供向心力得:,即:
,ra<rb所以aa>ab,故D错误;
故选:C.
北京时间2012年6月16日18点37分,神州九号飞船成功发射,已知神州九号飞船绕地球作匀速圆周运动时的轨道半径为r,地球半径为R,地球表面的重力加速度为g,求:
(1)地球的第一宇宙速度
(2)神州九号飞船沿圆周轨道绕地球运行时的线速度
(要求用所给已知量表示结果)
正确答案
解:(1)第一宇宙速度是卫星在近地圆轨道上的环绕速度,故:
mg=m
解得:
v=
(2)神州九号飞船沿圆周轨道绕地球做匀速圆周运动,故:
①
在地球表面,重力等于万有引力,故:
②
联立解得:
v1=
答:(1)地球的第一宇宙速度为;
(2)神州九号飞船沿圆周轨道绕地球运行时的线速度为.
解析
解:(1)第一宇宙速度是卫星在近地圆轨道上的环绕速度,故:
mg=m
解得:
v=
(2)神州九号飞船沿圆周轨道绕地球做匀速圆周运动,故:
①
在地球表面,重力等于万有引力,故:
②
联立解得:
v1=
答:(1)地球的第一宇宙速度为;
(2)神州九号飞船沿圆周轨道绕地球运行时的线速度为.
如图所示,在火星与木星的轨道之间有一小行星带.假设该带中的小行星只受太阳的引力,并绕太阳做匀速圆周运动.下列说法不正确的是( )
正确答案
解析
解:A、由于各小行星的质量不同,所以太阳对各小行星的引力可能不同,故A错误;
B、根据万有引力提供向心力得:
T=2π
离太阳越远,周期越大,所以各小行星绕太阳运动的周期大于地球的公转周期,故B错误;
C、根据万有引力提供向心力得:
a=,所以小行星带内侧小行星的向心加速度大于外侧小行星的向心加速度值,故C正确;
D、根据万有引力提供向心力得:
v=
所以小行星带内各小行星圆周运动的线速度值小于地球公转的线速度值,故D错误.
本题选错误的
故选:ABD
通过天文观测到某行星的卫星运动的周期为T,轨道半径为r,若把卫星的运动近似看成匀速圆周运动,行星的半径为R,试求出该行星的质量为______,密度为______.
正确答案
解析
解:令卫星的质量为m,行星的质量为M,根据万有引力提供圆周运动向心力有:
由此可得行星的质量为:M=
由于行星的半径为R,则行星的体积为:V=
根据密度公式可知,行星的密度为:=
故答案为:,
如图所示,地球半径为R,O为球心,A为地球表面上的点,B为0、A连线间的中点.设想在地球内部挖掉一以B为圆心,半径为
的球,忽略地球自转影响,将地球视为质量分布均匀的球体.则挖出球体后A点的重力加速度与挖去球体前的重力加速度之比为( )
正确答案
解析
解:挖前,质量为m的物体在A点受到的重力,
挖去后质量为M′的球体后在A点受到的重力,
,
,
联立各式解得.
故选:A.
如图为中国月球探测工程的想象标志.它以中国书法的笔触,勾勒出一轮明月和一双踏在其上的脚印,象征着月球探测的终极梦想,我国自主研制的第一课月球探测卫星“嫦娥一号”的发射成功,标志着我国实施绕月探测工程迈出重要一步.一位勤于思考的同学,为探月宇航员设计了如下实验:在距月球表面高h处以初速度v0水平抛出一个物体,然后测量该平抛物体的水平移为x.通过查阅资料知道月球的半径为R,引力常量为G,若物体只受月球引力的作用,请你求出
(1)月球的质量
(2)环绕月球表面的宇宙飞船的速率.
正确答案
解:(1)根据h=,x=v0t得,
月球表面的重力加速度g=.
根据mg=,解得月球的质量M=
.
(2)根据
解得v=.
答:(1)月球的质量为.
(2)环绕月球表面的宇宙飞船的速率为.
解析
解:(1)根据h=,x=v0t得,
月球表面的重力加速度g=.
根据mg=,解得月球的质量M=
.
(2)根据
解得v=.
答:(1)月球的质量为.
(2)环绕月球表面的宇宙飞船的速率为.
如果已知引力常量G、地球半径R和重力加速度g,那么我们就可以计算出地球的质量M=______;如果已知某行星绕太阳运动所需的向心力是由太阳对该行星的万有引力提供的,该行星做匀速圆周运动,只要测出______和______就可以计算出太阳的质量.
正确答案
解:根据万有引力等于重力G=mg,
得:M=.
根据万有引力提供向心力G=mr(
)2,
得:M=;
知只要知道行星的公转周期T和行星距太阳的距离r,即可计算出太阳的质量.
故答案为:,行星的公转周期T,行星距太阳的距离r.
解析
解:根据万有引力等于重力G=mg,
得:M=.
根据万有引力提供向心力G=mr(
)2,
得:M=;
知只要知道行星的公转周期T和行星距太阳的距离r,即可计算出太阳的质量.
故答案为:,行星的公转周期T,行星距太阳的距离r.
(2015秋•合肥校级月考)“嫦娥一号”卫星开始绕地球在椭圆轨道运动,经过变轨、制动后,成为一颗绕月球做圆周运动的卫星.设卫星距月球表面的高度为h,做匀速圆周运动的周期为T.已知月球半径为R,引力常量为G.求:
(1)月球的质量M及月球表面的重力加速度g;
(2)在距月球表面高度为h0的地方(h0=R),将一质量为m的小球以v0的初速度水平抛出,求落地瞬间月球引力对小球做功的瞬时功率P.
正确答案
解:(1)万有引力提供向心力,由牛顿第二定律得:G=m
(R+h),
解得:M=,
月球表面的物体受到的重力等于万有引力,即:G=m′g,
解得:;
(2)在月球表面高度为h处水平抛出物体,物体落地时竖直方向的速度:vy2=2gh0,
所以物体落地时的瞬时功率为:P=mgvy,
解得:P=;
答:(1)月球的质量M为,月球表面的重力加速度g为
;
(2)落地瞬间月球引力对小球做功的瞬时功率P为.
解析
解:(1)万有引力提供向心力,由牛顿第二定律得:G=m
(R+h),
解得:M=,
月球表面的物体受到的重力等于万有引力,即:G=m′g,
解得:;
(2)在月球表面高度为h处水平抛出物体,物体落地时竖直方向的速度:vy2=2gh0,
所以物体落地时的瞬时功率为:P=mgvy,
解得:P=;
答:(1)月球的质量M为,月球表面的重力加速度g为
;
(2)落地瞬间月球引力对小球做功的瞬时功率P为.
(B)“嫦娥号”登月飞船贴近月球表面的运动可以看作是匀速圆周运动,则维持飞船做匀速圆周运动的向心力是______.若宇航员测出飞船绕月球运动一周的时间为T,则月球的平均密度为______.
正确答案
月球对飞船的引力
解析
解:维持飞船做匀速圆周运动的向心力是月球对飞船的引力,
设:月球半径为R
G=m
R…①
月球的质量M= …②
其中M为月球质量,R为月球半径,
解得ρ=
故答案为:月球对飞船的引力;
北京时间3月30日21时52分,我国在西昌卫星发射中心用长征三号丙运载火箭成功将首颗新一代北斗导航卫星发射升空,经过6个小时左右飞行,卫星顺利进入地球静止轨道.已知地球半径为R,地面重力加速度为g,地球自转周期为T,则该卫星离地面的高度为( )
正确答案
解析
解:在地球表面重力和万有引力相等,即:G=mg
由此可得:GM=gR2
令同步卫星的距地面的高度为h,则由万有引力提供同步卫星的向心力有:
G=m(R+h)
联立得:h=
故选:D
某星球的质量约为地球的9倍,半径为地球的一半,若从地球上高h处平抛一物体,射程为90m,地球表面g取10m/s2则
(1)该星球表面重力加速度多大?
(2)在该星球上以同样高度、以同样初速度平抛同一物体,射程为多少?
正确答案
解:设星球质量为M′,半径为R′,地球质量为M,半径为R.
已知:=9,
=
根据万有引力等于重力得:
g=
所以:g′=36g=360m/s2…①
(2)由题意从同样高度抛出:h=gt2=
g′t′2…②
①、②联立,解得:t′=t
在地球上的水平位移:s=v0t=90m,在星球上的水平位移:s′=v0t′=v0t=
×90m=15m
答:(1)该星球表面重力加速度为360m/s2;
(2)在该星球上以同样高度、以同样初速度平抛同一物体,射程为15m.
解析
解:设星球质量为M′,半径为R′,地球质量为M,半径为R.
已知:=9,
=
根据万有引力等于重力得:
g=
所以:g′=36g=360m/s2…①
(2)由题意从同样高度抛出:h=gt2=
g′t′2…②
①、②联立,解得:t′=t
在地球上的水平位移:s=v0t=90m,在星球上的水平位移:s′=v0t′=v0t=
×90m=15m
答:(1)该星球表面重力加速度为360m/s2;
(2)在该星球上以同样高度、以同样初速度平抛同一物体,射程为15m.
某物体在地球表面受到地球对它的吸引力大小为800N,为了使此物体受到地球的引力减为200N,物体距地面的高度应为地球半径R的______倍.
正确答案
1
解析
解:根据万有引力定律表达式得:
,其中r为物体到地球中心的距离.
某物体在地球表面,受到地球的万有引力为800N,此时r=R,若此物体受到的引力减小为200N,
根据得出此时物体到地球中心的距离r′=2R,
所以物体距地面的高度应为1R.
物体距地面的高度应为地球半径R的1倍.
故答案:1.
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