- 万有引力与航天
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已知某行星绕太阳运动的轨道半径为r,周期为T,太阳的半径是R,则太阳的平均密度是______.
(球体的体积公式:V=πR3)
正确答案
解析
解:由万有引力提供向心力可得:
解得:
故太阳的密度为:
故答案为:.
一个质量均匀分布的球体,半径为2r,在其内部挖去一个半径为r的球形空穴,其表面与球面相切,如图所示.已知挖去小球的质量为m,在球心和空穴中心连线上,距球心d=6r处有一个质量为m2的质点,求剩余部分对m2的万有引力?
正确答案
解:
由万有引力表达式:,由其内部挖去一个半径为r的球形空穴,挖去小球的质量为m,可知球体密度为:
.挖去之前的求的质量为M,则:
=8m,
故挖去前的引力为:
被挖部分对质点的引力为:,剩余部分的引力为:
=
答:剩余部分对m2的万有引力为
解析
解:
由万有引力表达式:,由其内部挖去一个半径为r的球形空穴,挖去小球的质量为m,可知球体密度为:
.挖去之前的求的质量为M,则:
=8m,
故挖去前的引力为:
被挖部分对质点的引力为:,剩余部分的引力为:
=
答:剩余部分对m2的万有引力为
某星球的质量为M,在该星球表面某一倾角为θ的山坡上(相当于是倾角为θ的斜面)以初速度v0平抛一物体,经过时间t该物体落到山坡上.(不计一切阻力,万有引力常数为G)求:
(1)在该星球表面的重力加速度g
(2)欲使该物体不再落回该星球的表面,至少应以多大的速度抛出该物体?
正确答案
解:(1)根据tanθ=,
解得星球表面的重力加速度为:g=.
(2)根据mg=m得:v=
,
又GM=gR2,解得:R=,
则有:v=.
答:在该星球表面的重力加速度为.
(2)欲使该物体不再落回该星球的表面,至少应以的速度抛出该物体.
解析
解:(1)根据tanθ=,
解得星球表面的重力加速度为:g=.
(2)根据mg=m得:v=
,
又GM=gR2,解得:R=,
则有:v=.
答:在该星球表面的重力加速度为.
(2)欲使该物体不再落回该星球的表面,至少应以的速度抛出该物体.
已知两个质量都是4kg的铅球,相距0.1m远,它们之间的万有引力大小为______.
正确答案
1.07×10-7N
解析
解:根据万有引力定律公式F=G=
=1.07×10-7N
故答案为:1.07×10-7N
2011年11月3日,神舟八号宇宙飞船与天宫一号成功对接.在发射时,神舟八号宇宙飞船首先要发射到离地面很近的圆轨道,然后经过多次变轨后,最终与在距地面高度为h的圆形轨道上绕地球飞行的天宫一号完成对接,之后,整体保持在距地面高度仍为h的圆形轨道上绕地球继续运行.已知地球半径为R,地面附近的重力加速度为g.求:
(1)地球的第一宇宙速度;
(2)神舟八号宇宙飞船在近地圆轨道运行的速度与对接后整体的运行速度之比.
正确答案
解:(1).设地球第一宇宙速度为v,在近地轨道上运行的卫星做圆周运动的向心力由万有引力提供,故有:
①
又因为在地面附近卫星受到的万有引力等于卫星的重力
即: ②
由①和②得 地球的第一宇宙速度
(2)根据题意可知,设飞船在近地圆轨道运行的速度为 ③
神舟八号对接后,整体的运行速度为v2根据万有引力提供整体圆周运动的向心力得:
④
由②、③和④可得,对接后整体运动的速度
所以:
答:(1)地球的第一宇宙速度为;
(2)神舟八号宇宙飞船在近地圆轨道运行的速度与对接后整体的运行速度之比
解析
解:(1).设地球第一宇宙速度为v,在近地轨道上运行的卫星做圆周运动的向心力由万有引力提供,故有:
①
又因为在地面附近卫星受到的万有引力等于卫星的重力
即: ②
由①和②得 地球的第一宇宙速度
(2)根据题意可知,设飞船在近地圆轨道运行的速度为 ③
神舟八号对接后,整体的运行速度为v2根据万有引力提供整体圆周运动的向心力得:
④
由②、③和④可得,对接后整体运动的速度
所以:
答:(1)地球的第一宇宙速度为;
(2)神舟八号宇宙飞船在近地圆轨道运行的速度与对接后整体的运行速度之比
可视为质点的甲、乙两物体相距一定距离,当质量分别为m和5m时万有引力为F.若仅将甲物体质量增为2m,乙物体质量减为3m时,万有引力将( )
正确答案
解析
解:根据万有引力定律公式F=得变化前的万有引力为:
F=
变化后的万有引力为:
F′=>F,所以A正确;
故选:A.
(2015秋•云南校级月考)宇宙中存在一些质量相等且离其他恒星较远的四颗星组成的四星系统,通常可忽略其他星体对它们的引力作用.如图,设四星系统中每个星体的质量均为m,半径均为R,四颗星稳定分布在边长为L的正方形的四个顶点上.已知引力常量为G,关于四星系统(忽略星体自转的影响),下列说法正确的是( )
正确答案
解析
解:A、四星系统的圆心在正方形中心,半径为r=,向心力由合力提供,故:
,
解得:,故A错误.
B、根据a=,有:v=
,故B正确.
D、根据T=,有:T=
,故D错误.
C、由,得到g=
,故C正确.
故选:BC
已知引力常量G、月球中心到地球中心的距离R和月球绕地球运行的周期T.仅利用这三个数据,可以估算出的物理量有( )
正确答案
解析
解:研究月球绕地球做匀速圆周运动,根据万有引力提供向心力,列出等式
=
M=,所以可以估算出地球的质量,不能估算出月球的质量,故A错误,B正确.
C、由于不知道地球表面的重力加速度,也不知道近地卫星的线速度或者周期,所以无法求出地球的半径,故C错误.
D、研究月球绕地球做匀速圆周运动,根据圆周运动知识得:
月球绕地球运行速度的大v=,故D正确.
故选BD.
(2015秋•海淀区月考)登月探测器由地球出发经地月转移轨道靠近月球后,先在近月圆轨道上绕月运行,继而经过一系列减速过程后将包围在探测器外面的气囊充气再落向月球,落月后再经过多次弹跳最终静止在平坦的月球表面上.已知探侧器第一次着月弹起到达最高点时距离月球表面的高度为h,速度方向是水平的,速度大小为v0,第二次着月点到第一次弹起最高点的水平距离为x,月球半径为r.
(1)求月球表面的重力加速度的大小g月;
(2)忽略探测器近月圆轨道距月表的高度,求其近月绕行的速度大小v和周期T.
正确答案
解:(1)探测器第一次落到月球表面弹起后,到达最高点的高度为h,此后做平抛运动,
则水平方向有:t=,
竖直方向有:h=
解得:g月=
(2)根据月球表面,万有引力等于重力结合向心力公式得:
mg月=m=m
解得:v=,T=
答:(1)月球表面的重力加速度的大小g月为;
(2)忽略探测器近月圆轨道距月表的高度,其近月绕行的速度大小v为,周期T为
.
解析
解:(1)探测器第一次落到月球表面弹起后,到达最高点的高度为h,此后做平抛运动,
则水平方向有:t=,
竖直方向有:h=
解得:g月=
(2)根据月球表面,万有引力等于重力结合向心力公式得:
mg月=m=m
解得:v=,T=
答:(1)月球表面的重力加速度的大小g月为;
(2)忽略探测器近月圆轨道距月表的高度,其近月绕行的速度大小v为,周期T为
.
某行星和地球绕太阳公转的轨道均可视为圆.每过N年,行星会运行到日地连线的延长线上(相距最近),如图所示.设该行星与地球的公转周期之比为k1,公转半径之比为k2,则( )
正确答案
解析
解:A、B、C、D:由图可知行星的轨道半径大,那么由开普勒第三定律知其周期长.每过N年,该行星会运行到日地连线的延长线上,说明从最初在日地连线的延长线上开始,每一年地球都在行星的前面比行星多转圆周的N分之一,N年后地球转了N圈,比行星多转1圈,即行星转了N-1圈,从而再次在日地连线的延长线上.所以行星的周期是年,根据开普勒第三定律有
=
,即:
=
,所以,选项A、C错误,选项BD正确.
故选:BD.
为了探测X星球,某探测飞船先在以该星球中心为圆心,高度为h的圆轨道上运动,随后飞船多次变轨,最后围绕该星球做近表面圆周飞行,周期为T.引力常量G已知.则( )
正确答案
解析
解:A、变轨时飞船运动的轨道半径变小,做近心运动,要减速,所以变轨过程中必须向运动的方向喷气,故A错误;
B、变轨时,动能减小,势能减小,所以机械能减小,之后只有万有引力做功,机械能不变,所以轨后比变轨前相比,飞船的机械能减小,故B错误;
C、飞船围绕该星球做近表面圆周飞行,周期为T.则有:
G
解得:,所以可知确定密度,但不能确定质量,故C错误,D正确.
故选:D
2013年12月2日1时30分,我国在西昌卫星发射中心用“长征三号乙”运载火箭,成功将“嫦娥三号”探测飞船发射升空,展开奔月之旅.“嫦娥三号”首次实现月面巡视勘察和月球软着陆,为我国探月工程开启新的征程.设载着登月舱的探测飞船在以月球中心为圆心,半径为r1的圆轨道上运动时,周期为T1.随后登月舱脱离飞船,变轨到离月球更近的半径为r2的圆轨道上运动.万有引力常量为G,则下列说法正确的是( )
正确答案
解析
解:A、B、根据万有引力提供向心力,得:G=m
=mω2r,得:v=
,ω=
,可知卫星的轨道半径越小,角速度和线速度越大,所以登月舱在半径为r2的圆轨道上比在半径r1的圆轨道上运动时的角速度、线速度都大,故AB正确.
C、登月舱在半径为r1的圆轨道上运动时,由G=m
r1,则得月球的质量为:M=
,故C正确.
D、根据开普勒第三定律有:=
,可得:T2=
,故D错误.
故选:ABC.
已知引力常量G和下列各组数据,能计算出地球质量的是( )
正确答案
解析
解:
A、地球绕太阳做圆周运动,由太阳的万有引力提供向心力,则得:
G=
则得:M日=,可知能求出太阳的质量,不能求出地球的质量,故A错误.
B、同理,已知月球绕地球运行的周期T及月球中心到地球中心的距离r,能求出地球的质量,故B正确.
C、人造地球卫星在地面附近绕行时,轨道半径近似等于地球的半径,由G=m
,则地球的质量 M=
;又 T=
可得:M=,可以求出地球的质量,故C正确.
D、根据重力等于万有引力,得:G=mg,得地球的质量M=
,由于地球的半径R未知,所以不能求出地球的质量.故D错误.
故选:BC.
中子星是由密集的中子组成的星体,具有极大的密度,通过观察已知某中子星的自转速度ω=60πrad/s,该中子星并没有因为自转而解体,根据这些事实人们可以推知中子星的密度.试写出中子星的密度最小值的表达式ρ=______.计算出该中子星的密度至少为______kg/m3.(假设中子通过万有引力结合成球状星体,G=6.67×10-11Nm2/kg2,保留2位有效数字)
正确答案
1.3×1014
解析
解:中子星因为自转没有解体,临界情况是赤道处物体的支持力为零,物体靠万有引力提供向心力,
由牛顿第二定律得:G=mω2R,
中子星的最小密度:ρ==
,
解得:ρ=,代入数据得:ρ=1.3×1014kg/m3.
故答案为:;1.3×1014.
一飞船在某星球表面附近,受星球引力作用而绕其做匀速圆周运动的速率为v1,飞船在离该星球表面高度为h处,受星球引力作用而绕其做匀速圆周运动的速率为v2,已知引力常量为G,则该星球的质量表达式为______.
正确答案
解析
解:飞船绕星球表面做圆周运动,向心力由万有引力提供,令星球的质量M、飞船的质量为m半径为R则根据题意有:
①
②
由①②可得M=
故答案为:
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