- 万有引力与航天
- 共16469题
已知某星球半径是地球半径,质量与地球质量相同.且地球半径R=6.4×106m,地球质量M=6.0×1024kg,地面附近的重力加速度g=10m/s2,求:
(1)该星球第一宇宙速度v1
(2)若该星球自转周期T=2.0×104s,则发射一颗该星球的同步卫星,其距离地面的高度是多少?(π2≈10)
正确答案
解:(1)在星球表面都有万有引力等于重力,则
地球表面:
星球表面:
得g′=16g
根据解得该星球第一宇宙速度:v1=1.6×104m/s
(2)在星球表面有:
对同步卫星有:
解联立方程得:
答:(1)该星球第一宇宙速度为1.6×104m/s;
(2)若该星球自转周期T=2.0×104s,则发射一颗该星球的同步卫星,其距离地面的高度是1.44×107m.
解析
解:(1)在星球表面都有万有引力等于重力,则
地球表面:
星球表面:
得g′=16g
根据解得该星球第一宇宙速度:v1=1.6×104m/s
(2)在星球表面有:
对同步卫星有:
解联立方程得:
答:(1)该星球第一宇宙速度为1.6×104m/s;
(2)若该星球自转周期T=2.0×104s,则发射一颗该星球的同步卫星,其距离地面的高度是1.44×107m.
神舟十号在发射过程中共经历多个重要的发射节点,进入了运行轨道,已知地球半径R、地球表面重力加速度为g,质量为m的神舟十号飞船在地球上空的万有引力势能表达式为EP=-(以无穷远处万有引力势能为O),r表示飞船到地心的距离,请回答下列问题:
(1)飞船在距离地面高度H的轨道上做匀速圆周运动时的机械能;
(2)若要使飞船从距离地面高度H做匀速圆周运动的轨道再上升高度h绕地球仍做匀速圆周运动,飞船发动机至少要做多少功?
正确答案
解:(1)飞船在距离地面高度H的轨道上做匀速圆周运动,重力势能为:
EP=-=-
万有引力提供向心力,故:
G=m
在地面,重力等于万有引力,故:
mg=
动能:
故机械能:
E=Ep+Ek=-
(2)若要使飞船从距离地面高度H做匀速圆周运动的轨道再上升高度h绕地球仍做匀速圆周运动,机械能变为:
E′=-
根据功能关系,飞船做功等于机械能的增加量,为:
W=E′-E=-
答:(1)飞船在距离地面高度H的轨道上做匀速圆周运动时的机械能为-;
(2)若要使飞船从距离地面高度H做匀速圆周运动的轨道再上升高度h绕地球仍做匀速圆周运动,飞船发动机至少要做-
的功.
解析
解:(1)飞船在距离地面高度H的轨道上做匀速圆周运动,重力势能为:
EP=-=-
万有引力提供向心力,故:
G=m
在地面,重力等于万有引力,故:
mg=
动能:
故机械能:
E=Ep+Ek=-
(2)若要使飞船从距离地面高度H做匀速圆周运动的轨道再上升高度h绕地球仍做匀速圆周运动,机械能变为:
E′=-
根据功能关系,飞船做功等于机械能的增加量,为:
W=E′-E=-
答:(1)飞船在距离地面高度H的轨道上做匀速圆周运动时的机械能为-;
(2)若要使飞船从距离地面高度H做匀速圆周运动的轨道再上升高度h绕地球仍做匀速圆周运动,飞船发动机至少要做-
的功.
对于万有引力定律的表达式F=G,下面说法中正确的是( )
正确答案
解析
解:
A、万有引力定律的公式适用于质点间的万有引力,当r趋近于零时,不能直接用这个公式计算万有引力,r也不再是他们之间的距离,故A错误.
B、引力常量是卡文迪许在实验室测量出来的,不是人为规定的,故B正确.
CD、引力的作用是一对相互作用,符合牛顿第三定律,是作用力和反作用力的关系,大小相等,方向相反,故CD错误.
故选:B.
在地月系统中,若忽略其它天体的影响,可将地球和月球看成双星系统,即地球和月球在彼此引力作用下做匀速圆周运动.科学探测表明,月球上蕴藏着极其丰富的矿物质,设想人类开发月球,月球上的矿藏被不断地搬运到地球上.假设经过长时间开采后,地球和月球仍可以看作均匀球体,地球和月球之间的距离保持不变,则反映地球与月球之间的引力F与地球质量m地关系的图象以及月球运动的周期T与地球质量m地关系的图象可能正确的是( )
正确答案
解析
解:AB、设月球质量为m月,地球质量为m地,月球与地球之间的距离为r,根据万有引力定律得地球与月球间的万有引力:F=,由于不断把月球上的矿藏搬运到地球上,所以m月减小,m地增大.由数学知识可知,当m月与m地相接近时,它们之间的万有引力增大,当它们的质量之差逐渐增大时,m月与m地的乘积将减小,它们之间的万有引力值将减小,即引力随地球的质量增大而减小,故A错误,B正确;
CD、设地球质量为m地,月球质量为m月,
地球做圆周运动的半径为 r1 ,月球做圆周运动的半径为 r2,则:
地月间距离 r=r1 +r2 ①
对于地球 有:
对于月球 有: ③
可得双星系统的周期 T=2π
由于地月总质量m月+m地不变,所以地球、月球运动的周期不变.故C正确,D错误.
故选:BC.
半径R=4500km的某星球上有一倾角为30°的固定斜面,一质量为1kg的小物块在力F作用下从静止开始沿斜面向上运动,力F始终与斜面平行.如果物块和斜面间的摩擦因数μ=
,力F随时间变化的规律如图所示(取沿斜面向上方向为正),2s末物块速度恰好又为0.引力恒量G=6.67×10-11Nm2/kg2.试求:
(1)该星球的质量大约是多少?
(2)要从该星球上抛出一个物体,使该物体不再落回星球,至少需要多大速度?(计算结果保留二位有效数字)
正确答案
解:(1)设星球表面的重力加速度为g.
小物块在力F1=20N作用过程中有:F1-mgsinθ-μmgcosθ=ma1
1s末速度为 v=a1t1
小物块在力F2=-4N作用过程中有:F2+mgsinθ+μmgcosθ=ma2
且有 v=a2t2
联立以上四式,解得 g=8m/s2
由G=mg
得 M==
kg=2.4×1024kg
(2)要从该星球上抛出一个物体,使该物体不再落回星球,物体的最小速度为v′,必须满足:mg=m
得v′==
=6×103m/=6.0km/s
答:
(1)该星球的质量大约是2.4×1024kg.
(2)要从该星球上抛出一个物体,使该物体不再落回星球,至少需要6.0km/s的速度.
解析
解:(1)设星球表面的重力加速度为g.
小物块在力F1=20N作用过程中有:F1-mgsinθ-μmgcosθ=ma1
1s末速度为 v=a1t1
小物块在力F2=-4N作用过程中有:F2+mgsinθ+μmgcosθ=ma2
且有 v=a2t2
联立以上四式,解得 g=8m/s2
由G=mg
得 M==
kg=2.4×1024kg
(2)要从该星球上抛出一个物体,使该物体不再落回星球,物体的最小速度为v′,必须满足:mg=m
得v′==
=6×103m/=6.0km/s
答:
(1)该星球的质量大约是2.4×1024kg.
(2)要从该星球上抛出一个物体,使该物体不再落回星球,至少需要6.0km/s的速度.
为了测量某未知天体表面的重力加速度,半径和密度.宇航员驾驶一宇宙飞船贴其表面飞行,测得其周期为T.宇宙飞船着陆后,宇航员用弹簧测力计悬挂一质量为m的仪器并处于静止状态,测力计读数为F.已知引力常量为G.求:
(1 )未知天体表面的重力加速度
(2)未知天体的半径
(3)未知天体的密度.
正确答案
解:(1)根据题意有:天体表面的重力加速度
…①
(2)设天体的质量为M,宇宙飞船的质量为m′.
对宇宙飞船有:…②
在天体表面对一个质量为m1的物体有:…③
由①②③得
(3)由①②③得
…④
M=ρV…⑤
得
答:
(1)未知天体表面的重力加速度为.
(2)未知天体的半径是.
(3)未知天体的密度是.
解析
解:(1)根据题意有:天体表面的重力加速度
…①
(2)设天体的质量为M,宇宙飞船的质量为m′.
对宇宙飞船有:…②
在天体表面对一个质量为m1的物体有:…③
由①②③得
(3)由①②③得
…④
M=ρV…⑤
得
答:
(1)未知天体表面的重力加速度为.
(2)未知天体的半径是.
(3)未知天体的密度是.
关于万有引力公式F=,以下说法正确的是( )
正确答案
解析
解:A、万有引力公式适用于两个质点间的万有引力,与物体的质量无关,故A错误;
B、公式适用于两质点间,当两物体间的距离趋近于0时,公式已经不适用,故B错误;
C、两物体间的万有引力大小相等、方向相反、作用在同一直线上,两物体间的万有引力也符合牛顿第三定律,故C正确;
D、公式中引力常量G的值是卡文迪许第一次在实验室测定的,故D错误;
故选:C.
已知引力常量G,某恒星半径R,一个环绕此恒星做匀速圆周运动的行星(运动只受恒星引力影响),距恒星表面的高度是h,行星绕恒星的运转周期T1,行星的自转周期T2,某同学根据以上条件,提出一种估算地球质量M的方法:行星绕恒星做圆周运动,由G=mh
得M=
(1)请判断上面的结果是否正确,并说明理由,如不正确,请给出正确的解法和结果;
(2)恒星演化后期,部分恒星会因为内部引力而坍缩成为黑洞,根据拉普拉斯黑洞理论,黑洞的质量M和半径R的关系满足=
(其中c为光速,G为引力常量),假设题目中的恒星质量不变,则演化成黑洞的临界半径.
正确答案
解:(1)错误.轨道半径和周期错误.
行星绕恒星做圆周运动,万有引力提供向心力.
(2)由题意可知,最小半径.
答:(1)解法错误,轨道半径和周期错误,地球质量M为.
(2)演化成黑洞的临界半径为.
解析
解:(1)错误.轨道半径和周期错误.
行星绕恒星做圆周运动,万有引力提供向心力.
(2)由题意可知,最小半径.
答:(1)解法错误,轨道半径和周期错误,地球质量M为.
(2)演化成黑洞的临界半径为.
2014年1月25日,继“勇气”号之后,“机遇”号火星探测器再次成功登陆火星.在人类成功登陆火星之前,人类为了探测距离地球大约3.0×105km的月球,也发射了一种类似四轮小车的月球探测器.它能够在自动导航系统的控制下行走,且每隔10s向地球发射一次信号.探测器上还装着两个相同的减速器(其中一个是备用的),这种减速器可提供的最大加速度为5m/s2.某次探测器的自动导航系统出现故障,从而使探测器只能匀速前进而不再能自动避开障碍物.此时地球上的科学家必须对探测器进行人工遥控操作.下表为控制中心的显示屏的数据:(已知信号在地月之间以光速c=3×108m/s传播)
已知控制中心的信号发射与接收设备工作速度极快.科学家每次分析数据并输入命令最少需要3s.问:
(1)经过数据分析,你认为减速器是否执行了减速命令?
(2)假如你是控制中心的工作人员,应采取怎样的措施?加速度需满足什么条件?请计算说明.
正确答案
解:(1)设在地球和月球之间传播电磁波需时为…(1)
从前两次收到的信号可知:探测器的速度…(2)
由题意可知,从发射信号到探测器收到信号并执行命令的时刻为9:1034.控制中心第三次收到的信号是探测器在9:1039发出的.
从后两次收到的信号可知探测器的速度…(3)
可见,探测器速度未变,并未执行命令而减速.减速器出现故障.
(2)应启用另一个备用减速器.再经过3s分析数据和1s接收时间,探测器在9:1044执行命令,此时距前方障碍物距离s=2m.设定减速器加速度为a,则有m,
可得a≥1m/s2…(4)
即只要设定加速度a≥1m/s2,便可使探测器不与障碍物相撞.
答:(1)经过数据分析,没.行了减速命令.
(2)只要设定加速度a≥1m/s2,便可使探测器不与障碍物相撞
解析
解:(1)设在地球和月球之间传播电磁波需时为…(1)
从前两次收到的信号可知:探测器的速度…(2)
由题意可知,从发射信号到探测器收到信号并执行命令的时刻为9:1034.控制中心第三次收到的信号是探测器在9:1039发出的.
从后两次收到的信号可知探测器的速度…(3)
可见,探测器速度未变,并未执行命令而减速.减速器出现故障.
(2)应启用另一个备用减速器.再经过3s分析数据和1s接收时间,探测器在9:1044执行命令,此时距前方障碍物距离s=2m.设定减速器加速度为a,则有m,
可得a≥1m/s2…(4)
即只要设定加速度a≥1m/s2,便可使探测器不与障碍物相撞.
答:(1)经过数据分析,没.行了减速命令.
(2)只要设定加速度a≥1m/s2,便可使探测器不与障碍物相撞
已知火星的一个卫星作圆周运动的轨道半径为r、周期为T,火星可视为半径为R的均匀球体.
求:(1)火星表面的重力加速度;
(2)勇气号火星探测器火星,在它着陆的最后阶段,降落到火星表面上,再经过多次弹跳才停下来.假设着陆器第一次落到火星表面弹起后,到达最高点时高度为h,速度方向是水平的,速度大小为v0,求它第二次落到火星表面时速度的大小,计算时不计火星大气阻力.
正确答案
解:(1)根据万有引力提供向心力有:G=m(
)2r,
根据万有引力等于重力得:mg=G,
联立两式解得:g=.
(2)根据动能定理得:mgh=mv2-
mv02,
解得:v=.
答:(1)火星表面的重力加速度为:.
(2)它第二次落到火星表面时速度的大小为:.
解析
解:(1)根据万有引力提供向心力有:G=m(
)2r,
根据万有引力等于重力得:mg=G,
联立两式解得:g=.
(2)根据动能定理得:mgh=mv2-
mv02,
解得:v=.
答:(1)火星表面的重力加速度为:.
(2)它第二次落到火星表面时速度的大小为:.
把火星和地球绕太阳运行的轨道视为圆周.由火星和地球绕太阳运动的周期之比可求得( )
正确答案
解析
解:A、我们研究火星和地球绕太阳做圆周运动,火星和地球作为环绕体,无法求得火星和地球的质量之比,故A错误;
B、根据题目已知条件,不能求得火星和太阳的质量之比,故B错误;
C、研究火星和地球绕太阳做圆周运动,根据万有引力提供向心力,列出等式:
=m
r,得T=2π
,其中M为太阳的质量,r为轨道半径.
火星和地球绕太阳运动的周期之比 =
,所以能求得火星和地球到太阳的距离之比,故C正确;
D、根据圆周运动知识得:v=,
由于火星和地球绕太阳运动的周期之比和火星和地球到太阳的距离之比都知道,所以能求得火星和地球绕太阳运行速度大小之比,故D正确.
故选CD.
“嫦娥三号”探测器在到达距离月球100m高度时,会在自主发动机的控制下进行短暂悬停.然后“嫦娥三号”在反推火箭的作用下慢慢下降,到距离月球4m高度再次悬停.最后,关掉发动机,自由下落到月球表面.下列判断不正确的是( )
正确答案
解析
解:A、“嫦娥三号”在整个落月过程中除了受力月球的吸引力外还受到反推火箭的作用,反推火箭对“嫦娥三号”做负功,机械能减少,故A正确;
B、悬停时,“嫦娥三号”处于与月球相对静止状态,加速度为零,故B正确;
C、根据h=得:t=
=
,故C错误;
D、慢慢下降阶段受力平衡,合外力做功为零,故D正确.
本题选择错误的,故选:C.
地球的半径为R,地球表面的重力加速度为g,一颗人造卫星在离地面高h=R的轨道上绕地球做匀速圆周运动,则卫星运行的速度大小是______,向心加速度的大小是______.
正确答案
解析
解:根据,GM=gR2得,线速度大小
,向心加速度大小a=
.
故答案为:,
.
2012年7月,一个国际研究小组借助于智利的甚大望远镜,观测到了一组双星系统,它们绕两者连线上的某点O做匀速圆周运动,如图所示.此双星系统中体积较小成员能“吸食”另一颗体积较大星体表面物质,达到质量转移的目的,假设在演变的过程中两者球心之间的距离保持不变,则在最初演变的过程中( )
正确答案
解析
解:A、设体积较小的星体质量为m1,轨道半径为r1,体积大的星体质量为m2,轨道半径为r2.双星间的距离为L.转移的质量为△m.
则它们之间的万有引力为F=G,根据数学知识得知,随着△m的增大,F先增大后减小.故A错误.
B、对m1:G=(m1+△m)ω2r1 ①
对m2:G=(m2-△m)ω2r2 ②
由①②得:ω=,总质量m1+m2不变,两者距离L不变,则角速度ω不变.故B错误.
C、D由②得:ω2r2=,ω、L、m1均不变,△m增大,则r2 增大,即体积较大星体圆周运动轨迹半径变大.
由v=ωr2得线速度v也增大.故C正确.D错误.
故选C
地球的半径为R,某地球卫星在地球表面所受万有引力为F,则该卫星在离地面高度约6R的轨道上受到的万有引力约为( )
正确答案
解析
解:卫星在地面受到的万有引力:F=.
卫星在离地面高度为2R的圆形轨道上受到的万有引力:
=
.故D正确,ABC错误.
故选:D.
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