- 万有引力与航天
- 共16469题
原香港中文大学校长、被誉为“光纤之父”的华裔科学家高锟和另外两名美国科学家共同分享了2009年度的诺贝尔物理学奖.早在1996年中国科学院紫金山天文台就将一颗于1981年12月3日发现的国际编号为“3463”的小行星命名为“高锟星”.假设“高锟星”为均匀的球体,其质量为地球质量的,半径为地球半径的
,则“高锟星”表面的重力加速度是地球表面的重力加速度的( )
正确答案
解析
解:根据得,g=
.
因为高锟星的质量为地球质量的,半径为地球半径的
,则“高锟星”表面的重力加速度是地球表面的重力加速度的
.故C正确,A、B、D错误.
故选:C.
宇航员站在一星球表面上,以水平速度V0抛出一小球,抛出点离地高度为h.测得落地点与抛出点间的水平距离为L,已知该星球的半径为R,万有引力常量为G.求:该星球的质量M.
正确答案
解:设该星球表面的重力加速度为g,据平抛运动公式:
水平方向L=V0t------------①
竖直方向h=gt2----------②
整理①②得:g=
根据万有引力等于重力,
=mg
答:该星球的质量是.
解析
解:设该星球表面的重力加速度为g,据平抛运动公式:
水平方向L=V0t------------①
竖直方向h=gt2----------②
整理①②得:g=
根据万有引力等于重力,
=mg
答:该星球的质量是.
我国于2007年10月24日发射了“嫦娥一号”探月卫星.若已知“嫦娥一号”卫星的质量为m,月球的质量为M,万有引力恒量为G,当“嫦娥一号”与月球球心之间的距离为r时,它受到月球的万有引力大小为______;若“嫦娥一号”在半径为R的圆周上绕月球作周期为T的圆周运动,则它运行的线速度大小为______.
正确答案
解析
解:根据万有引力定律得:
“嫦娥一号”受到月球的万有引力大小F=,
根据圆周运动的公式v=得:
它运行的线速度大小为v=.
故答案为:;
已知地球与月球质量比为8:1,半径之比为4:1,在地球表面上发射卫星,至少需要7.9km/s的速度,求在月球上发射一颗环绕月球表面运行的飞行物需要多大的速度?
正确答案
解:发射环绕地球表面运行的飞行物时,有:=m
发射环绕月球表面运行的飞行物时,只有:=m
由此即可得:v月=•v地=
×7.9×103m/s≈5.6×103m/s
答:在月球上发射一颗环绕月球表面运行的飞行物需要5.6×103m/s.
解析
解:发射环绕地球表面运行的飞行物时,有:=m
发射环绕月球表面运行的飞行物时,只有:=m
由此即可得:v月=•v地=
×7.9×103m/s≈5.6×103m/s
答:在月球上发射一颗环绕月球表面运行的飞行物需要5.6×103m/s.
假设两行星的质量之比为2:1,行星绕太阳周期之比为1:2,求两行星的轨道半径之比和受引力之比.
正确答案
解:根据开普勒第三定律=k得:它们的半径之比:
=
根据万有引力公式F=可得它们受到太阳的引力
答:两行星的轨道半径之比为,所受引力之比为
.
解析
解:根据开普勒第三定律=k得:它们的半径之比:
=
根据万有引力公式F=可得它们受到太阳的引力
答:两行星的轨道半径之比为,所受引力之比为
.
我国发射的“嫦娥一号”探月卫星沿近似于圆形的轨道绕月飞行.为了获得月球表面全貌的信息,让卫星轨道平面缓慢变化.卫星将获得的信息持续用微波信号发回地球.设地球和月球的质量分别为M和m,地球和月球的半径分别为R和R1,月球绕地球的轨道半径和卫星绕月球的轨道半径分别为r和r1,月球绕地球转动的周期为T.假定在卫星绕月运行的一个周期内卫星轨道平面与地月连心线共面,求在该周期内卫星发射的微波信号因月球遮挡而不能到达地球的时间(用M、m、R、R1、r、r1和T表示,忽略月球绕地球转动对遮挡时间的影响).
附:解答本题可能用到的数学知识:
若sinθ=a,则θ=arcsina;若cosθ=b,则θ=arccosb.
正确答案
解:如图,O和O′分别表示地球和月球的中心.在卫星轨道平面上,A是地月连心级OO′与地月球面的公切线ACD的交点,D、C和B分别是该公切线与地球表面、月球表面和卫星圆轨道的交点,根据对称性,过A点在另一侧作地月球面的公切线,交卫星轨道于E点.卫星在圆弧BE上运动时发出的信号被遮挡.
设探月卫星的质量为m0,万有引力常量为G,根据万有引力定律有
=m
r ①
=m0
r1 ②
式中,T1是探月卫星绕月球转动的周期.
由①②式得=
③
设卫星的微波信号被遮挡的时间为t,则由于卫星绕月球做匀速圆周运动,应有
=
④
式中,α=∠CO′A,β=∠CO′B.
由几何关系得 rcosα=R-R1⑤r1cosβ=R1⑥
由③④⑤⑥式得t=(arccos
-arccos
)
解析
解:如图,O和O′分别表示地球和月球的中心.在卫星轨道平面上,A是地月连心级OO′与地月球面的公切线ACD的交点,D、C和B分别是该公切线与地球表面、月球表面和卫星圆轨道的交点,根据对称性,过A点在另一侧作地月球面的公切线,交卫星轨道于E点.卫星在圆弧BE上运动时发出的信号被遮挡.
设探月卫星的质量为m0,万有引力常量为G,根据万有引力定律有
=m
r ①
=m0
r1 ②
式中,T1是探月卫星绕月球转动的周期.
由①②式得=
③
设卫星的微波信号被遮挡的时间为t,则由于卫星绕月球做匀速圆周运动,应有
=
④
式中,α=∠CO′A,β=∠CO′B.
由几何关系得 rcosα=R-R1⑤r1cosβ=R1⑥
由③④⑤⑥式得t=(arccos
-arccos
)
现代观测表明,由于引力作用,恒星有“聚集”的特点,众多的恒星组成了不同层次的恒星系统,最简单的恒星系统是两颗互相绕转的双星,事实上,冥王星也是和另一星体构成双星,如图所示,这两颗行星m1、m2各以一定速率绕它们连线上某一中心O匀速转动,这样才不至于因万有引力作用而吸引在一起,现测出双星间的距离始终为L,且它们做匀速圆周运动的半径r1与r2之比为3:2,则( )
正确答案
解析
解:A、因为双星各自做匀速圆周运动的周期相同,根据角速度与周期的关系可知双星的角速度之比为1:1,故A错误;
B、双星靠相互间的万有引力提供向心力,具有相同的角速度,
根据v=ωr,它们做匀速圆周运动的半径r1与r2之比为3:2,
所以它们的线速度大小之比为3:2,故B正确;
C、双星靠相互间的万有引力提供向心力,具有相同的角速度,
对m1:G=m1r1ω2,
对m2:G=m2r2ω2.
得:m1r1=m2r2,
它们做匀速圆周运动的半径r1与r2之比为3:2,所以它们的质量之比为2:3,故C错误;
D、根据T=,它们的周期之比为1:1,故D错误;
故选:B.
2007年10月25日17时55分,北京航天飞行控制中心对“嫦娥一号”卫星实施首次变轨控制并获得成功.右图为“嫦娥一号”某次在近地点A由轨道1变轨为轨道2的示意图,其中B、C分别为两个轨道的远地点.关于上述变轨过程及“嫦娥一号”在两个轨道上运行的情况,下列说法中正确的是( )
正确答案
解析
解:A、从1轨道进入2轨道的过程就是离心运动的过程,在A点时万有引力不变,物体做离心运动,说明此处飞船速度增加,应在此处点火加速,故A正确.
B、因为飞船在轨道1的A点处点火加速,所以飞船在轨道1的A点处的速度比在轨道2的A点处的速度小,故B错误.
C、根据牛顿第二定律得:F==ma,轨道1的B点比在轨道2的C点离中心天体近,所以在轨道1的B点处的加速度比在轨道2的C点处的加速度大,故C正确.
D、因为飞船在轨道1的A点处点火加速进入2轨道,所以2轨道的机械能大于1轨道的机械能,故D错误.
故选:AC
2012年6月16日,发射的“神舟九号”飞船与“天宫一号”成功对接,在发射时,“神舟九号”飞船首先要被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V1;
(2)“神舟九号”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 v=
(2)根据题意可知,设飞船在近地圆轨道运行的速度为v1=v=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 v2=
所以:v1:v2=
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为.
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 v=
(2)根据题意可知,设飞船在近地圆轨道运行的速度为v1=v=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 v2=
所以:v1:v2=
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为.
我们的银河系的恒星中大约四分之一是双星.某双星由质量不等的星体S1和S2构成,两星在相互之间的万有引力作用下绕两者连线上某一定点C做匀速圆周运动.由天文观察测得其运动周期为T,S1到C点的距离为r1,S1和S2的距离为r,已知引力常量为G.由此可求出S2的质量为( )
正确答案
解析
解:设星体S1和S2的质量分别为m1、m2,
星体S1做圆周运动的向心力由万有引力提供得:
解得 m2=,故D正确、ABC错误.
故选:D.
一探空火箭未打中目标而进入绕太阳的近乎圆形的轨道运行,轨道半径是地球绕太阳公转半径的9倍,则探空火箭绕太阳公转周期为______.
正确答案
27
解析
解:由万有引力提供向心力的周期表达式,
解得:
设地球绕太阳公转半径为r,则探空火箭绕太阳公转半径为9r,则:
=1年
故答案为:27年.
模拟我国志愿者王跃曾与俄罗斯志愿者一起进行“火星500”的实验活动.假设王跃登陆火星后,测得火星的半径是地球半径的,质量是地球质量的
.已知地球表面的重力加速度是g,地球的半径为R,王跃在地面上能向上竖直跳起的最大高度是h,忽略天体自转的影响,下列说法正确的是( )
正确答案
解析
解:A、由万有引力等于重力得:G=mg,
得:g=,已知火星半径是地球半径的
,质量是地球质量的
,
则火星表面的重力加速度是地球表重力加速度的,即为g′=
g
设火星质量为M′,由万有引力等于中可得:G=mg′,
解得:M′=,
密度为:ρ=.故A正确;
B、由A分析知,火星表面的重力加速度g′=g,故B错误;
C、根据v=,火星的第一宇宙速度是地球第一宇宙速度的
倍.故C错误;
D、王跃以v0在地球起跳时,根据竖直上抛的运动规律得出可跳的最大高度是:h=,
由于火星表面的重力加速度是g,王跃以相同的初速度在火星上起跳时,可跳的最大高度h′=
h,故D错误.
故选:A
据预测,在太阳系外发现了首颗“宜居”行星,其质量约为地球质量的6.4倍,一个在地球表面重力为700N的人在“宜居”行星表面的重力将变为1120N.该行星绕恒星A旋转,其到恒星A的距离是地球到太阳距离的3倍,恒星A的质量为太阳质量的12倍.由此可推知,该行星的半径是地球半径的______倍,在该行星上的“一年”与在地球上的“一年”之比为______.
正确答案
2
3:2
解析
解:(1)在地球表面,有G地=mg地.
在该行星表面处,有G行=mg行.
则得,该行星表面与地球表面重力加速度之比为:
g行:g地=G行:G地=1120N:700N=1.6:1
在忽略自转的情况下,万有引力等于物体所受的重力得
有 R2=
故=
=4
所以该行星的半径与地球半径之比为2:1.
(2)对于行星绕恒星的运动,由恒星的万有引力提供行星的向心力,则有=
得行星公转周期为 T=2
则得:该行星公转与地球公式周期之比为=
即在该行星上的“一年”与在地球上的“一年”之比为3:2.
故答案为:2;3:2.
历时8年,跋涉48亿公里的“黎明”号飞行器于2015年3月7日首次抵达太阳系的小行星带内质量最大的天体-谷神星,“黎明”号飞行器绕谷神星做匀速圆周运动,已知引力常量为G,下列说法正确的是( )
正确答案
解析
解:A、根据卫星的速度公式v=,可知轨道半径越大,速度越小.故A错误;
B、根据开普勒第三定律=K,飞行器轨道半径越大,运行周期越大,故B正确;
C、设星球的质量为M,半径为R,平均密度为,ρ.张角为θ,飞行器的质量为m,轨道半径为r,周期为T.
对于飞行器,根据万有引力提供向心力得:G=mr
星球的平均密度 ρ=可知若测得周期和轨道半径,可得到星球的质量,
由于不知道星球的半径,不可得到星球的平均密度.故C错误;
D、图示中飞行器由环谷神星圆轨道a变轨进入环谷神星椭圆轨道b时,应让发动机在P点点火使其减速.故D错误.
故选:B
2012年4月16日天文爱好者迎来了“土星冲日”的美丽天象.“土星冲日”是指土星和太阳正好分处地球的两侧,二者几乎成一条直线.该天象每378天发生一次,土星和地球绕太阳公转的方向相同,公转轨迹都近似为圆,根据我们日常生活知识可知( )
正确答案
解析
解:A、根据万有引力提供向心力=
=ma=m
r
v=,a=
,知轨道半径越大,则线速度越小,向心加速度越小,则土星的公转速率小于地球,向心加速度小于地球.故A错误,B正确.
C、T=2π,所以土星公转的周期大于地球的公转周期,故C正确;
D、假如土星适度加速,万有引力不够所需的向心力,做离心运动,不可能与地球实现对接.故D错误.
故选:BC.
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