- 万有引力与航天
- 共16469题
100多年前,英国物理学家卡文迪许在实验室里通过几个铅球之间万有引力的测量比较准确的得到了G的数值,一旦万有引力恒量G值为已知,决定地球质量就成为可能,若已知
万有引力恒量G=6.67×10-11N•m2/kg2
重力加速度g=9.8m/s2
地球半径R=6.4×106m
则可知地球质量为______(只写表达式)
正确答案
解析
解:设地球表面上一物体的质量为m,根据地球表面的物体受到的重力等于万有引力,有:
=mg,
解得:M=
故答案为:
我国的航天事业取得了巨大成就.2010年10月1日,我国成功发射了“嫦娥二号”探月卫星.“嫦娥二号”的质量为m,它绕月球做匀速圆周时距月球表面的距离为h.已知引力常量为G,月球质量为M,月球半径R.求:
(1)“嫦娥二号”绕月球做匀速圆周的周期
(2)“嫦娥二号”绕月球做匀速圆周的向心加速度与月球表面附近的重力加速度的大小之比.
正确答案
解:(1)“嫦娥二号”做圆周运动的轨道半径为:r=R+h
根据牛顿第二定律得:,得v=
“嫦娥二号”做圆周运动的周期为T,则
T=
解得 T=2π(R+h)
(2)嫦娥二号”做圆周运动的向心加速度为:
质量为m0的物体在月球表面附近时,有:
解得
答:
(1)“嫦娥二号”绕月球做匀速圆周的周期为2π(R+h).
(2)“嫦娥二号”绕月球做匀速圆周的向心加速度与月球表面附近的重力加速度的大小之比为.
解析
解:(1)“嫦娥二号”做圆周运动的轨道半径为:r=R+h
根据牛顿第二定律得:,得v=
“嫦娥二号”做圆周运动的周期为T,则
T=
解得 T=2π(R+h)
(2)嫦娥二号”做圆周运动的向心加速度为:
质量为m0的物体在月球表面附近时,有:
解得
答:
(1)“嫦娥二号”绕月球做匀速圆周的周期为2π(R+h).
(2)“嫦娥二号”绕月球做匀速圆周的向心加速度与月球表面附近的重力加速度的大小之比为.
两个相同的、质量分布均匀的金属球a和b,分别固定于绝缘支座上,设两球质量均为m,两球心间的距离l为球半径R的3倍.若使它们带上等量异种电荷,所带电荷量的绝对值均为Q,则a、b两球之间的万有引力F引和库仑力F库的表达式正确的是( )
正确答案
解析
解:万有引力定律的使用的条件是质点和质量均匀分布的球,由于金属球a和b质量分布均匀,所以万有引力定律可以直接的应用,所以它们之间的万有引力为,
由于两球心间的距离l为球半径的3倍,它们之间的距离并不是很大,所以此时的电荷不能看成是点电荷,由于它们带的是等量异种电荷,由于电荷之间的相互吸引,电荷之间的距离会比l小,所以此时电荷间的库仑力,所以C正确.
故选C.
如果测出行星的公转周期T以及它和太阳的距离r,就可以求出______的质量.根据月球绕地球运动的轨道半径和周期,就可以求出______的质量.______星的发现,显示了万有引力定律对研究天体运动的重要意义.
正确答案
太阳
地球
海王
解析
解:设太阳的质量为M日.行星的质量为m.则由万有引力等于向心力,得:G=m
,则得:M日=
,即可以求出太阳的质量.
月球绕地球运动时由地球的万有引力提供向心力,同理可得:根据月球绕地球运动的轨道半径和周期,就可以求出地球的质量.
海王星的发现,显示了万有引力定律对研究天体运动的重要意义.
故答案为:太阳,地球,海王
一物体在某星球表面受到的吸引力为在地球表面受到吸引力的N倍,该星球半径是地球半径的M倍,若该星球和地球的质量分布都是均匀的,则该星球的密度是地球密度的______倍.
正确答案
解析
解:根据题意可得:①
②
解得:
该星球的平均密度ρ星=
地球的平均密度ρ地=
解得:
故答案为:
嫦娥二号卫星由地面发射后,进入地月转移轨道,经多次变轨最终进入距离月球表面100公里,周期为118分钟的工作轨道,开始对月球进行探测( )
正确答案
解析
解:A.月球的第一宇宙速度是卫星贴近月球表面做匀速圆周运动的速度,卫星在轨道Ⅲ上的半径大于月球半径,根据万有引力充当向心力得v=,可知卫星在轨道Ⅲ上的运动速度比月球的第一宇宙速度小.故A正确.
B.卫星在轨道Ⅰ上经过P点若要进入轨道Ⅲ,需减速,故卫星在轨道Ⅲ上经过P点的速度比在轨道Ⅰ上经过P点时小.故B错误.
C.根据万有引力充当向心力知周期T=,故卫星在轨道Ⅲ上运动周期比在轨道Ⅰ上短,故C正确.
D.卫星在在轨道Ⅱ上和在轨道Ⅰ上经过P时所受万有引力相等,所以加速度也相等.故D正确.
故选:ACD
太阳光到达地球需要的时间为500s,地球绕太阳运行一周需要的时间为365天,试估算太阳的质量(取一位有效数字)
正确答案
解:地球到太阳的距离为:
r=ct=3.0×108×500 m=1.5×1011m …①
地球绕太阳的运动可看成是匀速圆周运动,向心力为太阳对地球的引力,则:
G=m
r…②
得太阳的质量为:
M==
kg=2×1020kg
答:太阳的质量约为2×1020kg.
解析
解:地球到太阳的距离为:
r=ct=3.0×108×500 m=1.5×1011m …①
地球绕太阳的运动可看成是匀速圆周运动,向心力为太阳对地球的引力,则:
G=m
r…②
得太阳的质量为:
M==
kg=2×1020kg
答:太阳的质量约为2×1020kg.
物体在月球表面上的重力加速度等于地球表面上重力加速度的,将物体以10m/s的初速度竖直上抛,(g地取10m/s2)求:
(1)物体上升的最大高度是多少?
(2)物体落回地面的时间是多少?
正确答案
解:(1)物体上升的最大高度h=.
(2)物体上升和下降的时间相等,则t=.
答:(1)物体上升的最大高度为30m;
(2)物体落回地面的时间为12s.
解析
解:(1)物体上升的最大高度h=.
(2)物体上升和下降的时间相等,则t=.
答:(1)物体上升的最大高度为30m;
(2)物体落回地面的时间为12s.
某行星绕太阳运动可近似看作匀速圆周运动,已知行星运动的轨道半径为R,周期为T,万有引力恒量为G,则该行星的线速度v大小为______;太阳的质量M可表示为______.
正确答案
解析
解:根据圆周运动知识得:
v=
研究行星绕太阳运动作匀速圆周运动,根据万有引力提供向心力,列出等式:
解得:
故答案为:;
把火星和地球绕太阳运行的轨道视为圆周运动,由火星和地球绕太阳运动的周期之比可以求出( )
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;
CD、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:,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;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CD正确.
故选:CD.
一物体从某一行星表面竖直向上抛出(不计空气阻力).t=0时抛出,得到如图所示的s-t图象,则( )
正确答案
解析
解:
A、B、C由图读出,物体上升的最大高度为h=25m,上升的时间为t=2.5s.
对于上升过程,有h=得,初速度
=
,
又物体上升的加速度大小a=g==
.故A正确,BC错误.
D、根据对称性可知,该物体落到行星表面时的速度大小与初速度大小相等,也为20m/s.故D正确.
故选AD
宇宙中存在着这样一种四星系统,这四颗星的质量相等,远离其他恒星,因此可以忽略其他恒星对它们的作用,四颗星稳定地分布在一个正方形的四个顶点上,且均围绕正方形对角线的交点做匀速圆周运动,假设每颗星的质量为m,正方形的边长为L,每颗星的半径为R,引力常量为G,则( )
正确答案
解析
解:A、由星体均围绕正方形对角线的交点做匀速圆周运动可知,星体做匀速圆周运动的轨道半径
r=L,故A错误;
B、星体在其他三个星体的万有引力作用下围绕正方形对角线的交点做匀速圆周运动,由万有引力定律和向心力公式得:
F合=+2
cos45°=m
×
L
T=,故B错误,D正确;
C、根据万有引力等于重力得:=m′g
解得:g=,故C正确;
故选:CD.
中国探月工程预计在2015年研制和发射小型采样返回舱,采集关键样品后返回地球,如图为从月面返回时的运动轨迹示意图,轨道①为月球表面附近的环月轨道,轨道②为月地转移椭圆轨道,已知月球的平均密度为ρ,半径为R,万有引力常量为G,下列说法正确的是( )
正确答案
解析
解:A、在月球表面,重力等于万有引力,故:
mg=G
其中:
M=
解得:
g=
故A错误;
B、返回舱绕月圆周运动过程,根据牛顿第二定律,有:
mg=m
故返回舱进入环月轨道①所需的最小发射速度为:
v==
故B正确;
C、返回舱绕环月轨道①的运动周期为:
T==
=
故C错误;
D、根据开普勒周期定律=C,返回舱在轨道②上的周期大于在轨道①上的运行周期,故D正确;
故选:BD.
2012年7月26日,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正确.
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:BC.
中国首个月球探测计划“嫦娥工程”预计在2017年实现月面无人采样返回,为载人登月及月球基地选址做准备.在某次登月计划中,飞船上备有以下实验仪器:A.计时表一只,B.弹簧秤一把,C.已知质量为m的钩码一个,D.天平一只(附砝码一盒).“嫦娥”号飞船接近月球表面时,先绕月做匀速圆周运动,宇航员测量出绕行N圈所用时间为t,飞船的登月舱在月球上着陆后,宇航员利用所携带的仪器又进行第二次测量,已知万有引力常量为G,把月球看做球体.利用上述两次测量所得的物理量可求出月球的密度和半径.
(1)宇航员进行第二次测量的内容是什么.
(2)试推导月球的平均密度和半径的表达式(用上述测量的物理量表示).
正确答案
解:①宇航员在月球上用弹簧秤竖直悬挂质量为m的钩码,静止时读出弹簧秤的读数F,即为钩码在月球上所受重力的大小.(或F/m即为月球表面重力加速度的大小)
②飞船靠近月球表面做圆周运动,根据万有引力提供向心力得:
=
月球的平均密度ρ==
在月球上忽略月球的自转时,对钩码有:G=F
又 T=,r=R,
由以上各式可得:月球的密度ρ=
月球的半径 R=
答:(1)宇航员进行第二次测量的内容是用弹簧秤竖直悬挂物体,静止时读出弹簧秤的读数F.
(2)月球的平均密度和半径的表达式分别为ρ=,R=
.
解析
解:①宇航员在月球上用弹簧秤竖直悬挂质量为m的钩码,静止时读出弹簧秤的读数F,即为钩码在月球上所受重力的大小.(或F/m即为月球表面重力加速度的大小)
②飞船靠近月球表面做圆周运动,根据万有引力提供向心力得:
=
月球的平均密度ρ==
在月球上忽略月球的自转时,对钩码有:G=F
又 T=,r=R,
由以上各式可得:月球的密度ρ=
月球的半径 R=
答:(1)宇航员进行第二次测量的内容是用弹簧秤竖直悬挂物体,静止时读出弹簧秤的读数F.
(2)月球的平均密度和半径的表达式分别为ρ=,R=
.
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