- 万有引力与航天
- 共16469题
宇宙中存在一些离其他恒星较远的、由质量均为m的三颗星组成的三星系统,通常可忽略其它星体对它们的引力作用.已观测到稳定的三星系统存在两种基本的构成形式,其中一种是三颗星位于同一直线上,位置关系如图所示,两颗星围绕中央星在同一半径为R的圆轨道上运行.引力常量为G.求:
(1)星体1转动时的向心力大小.
(2)星体1运动的线速度和角速度.
正确答案
解:(1)星体1转动时向心力的大小为:.
(2)根据得线速度为:v=
,角速度为:
.
答:(1)星体1转动时的向心力大小为.
(2)星体1运动的线速度和角速度分别为、
.
解析
解:(1)星体1转动时向心力的大小为:.
(2)根据得线速度为:v=
,角速度为:
.
答:(1)星体1转动时的向心力大小为.
(2)星体1运动的线速度和角速度分别为、
.
假设航天飞机在太空绕地球作匀速圆周运动.宇航员利用机械手将卫星举到机舱外,并相对航天飞机静止释放该卫星,则被释放的卫星将( )
正确答案
解析
解:航天飞机在太空绕地球作匀速圆周运动时,由地球的万有引力提供向心力,由牛顿第二定律得到航天飞机的速度表达式为v=,M是地球的质量,r是航天飞机的轨道半径.将卫星相对航天飞机静止释放时,卫星的速度也等于v=
,地球对卫星万有引力恰好提供向心力,所以卫星将随航天飞机同步绕地球作匀速圆周运动,不做自由落体运动.故B正确.
故选B
1798年英国物理学家卡文迪许测出万有引力常量G,因此卡文迪许被人们称为能称出地球质量的人,若已知万有引力常量G,地球表面处的重力加速度g,地球半径为R,地球上一个昼夜的时间为T1(地球自转周期),一年的时间T2(地球公转的周期),地球中心到月球中心的距离L1,地球中心到太阳中心的距离为L2.则( )
正确答案
解析
解:A、根据万有引力等于重力,有:.则
.故A正确.
B、根据万有引力提供向心力有:,解得
.故B正确.
C、因为月球的周期未知,无法求出月球的质量.故C错误.
D、月球的质量无法求出,则无法求出月球的密度.故D错误.
故选:AB.
嫦娥二号探月卫星于2010年10月1日18时59分57秒发射成功,经过若干次轨道调整后,在距离月球表面100km的高度处做匀速圆周运动.嫦娥二号发射的圆满成功,是我国航天科技领域的又一次重大胜利,实现了我国空间技术发展具有里程碑意义的重大跨越.已知月球的半径为R,月球表面的重力加速度为g0,引力常量为G.
(1)求月球的平均密度p;
(2)若嫦娥二号的飞行高度用h表示,则在它绕月球做匀速圆周的时间t内,共绕月球运转多少圈?(用给定字母表示)
正确答案
解:(1)设月球的质量为M,对于在月球表面处质量为m的物体有:
又因为:
解得:
(2)在月球表面:
在轨道上:
解得:
故飞行圈数为:
解析
解:(1)设月球的质量为M,对于在月球表面处质量为m的物体有:
又因为:
解得:
(2)在月球表面:
在轨道上:
解得:
故飞行圈数为:
美国宇航局2011年12月5日宣布,他们发现了太阳系外第一颗类似地球的、可适合居住的行星--“开普勒-22b”,它每290天环绕着一颗类似于太阳的恒星运转一周,距离地球约600光年,半径是地球的2.4倍.已知万有引力常量和地球表面的重力加速度.根据以上信息,下列推理中正确的是( )
正确答案
解析
解:A:万有引力提供该行星运动的向心力:,中心天体的质量:
.能观测到该行星的轨道半径,可求出所绕恒星的质量.故A正确;
B:由,得:
,轨道的半径与该行星的密度和半径无关,故B错误;
C:由于地球与行星不是围绕同一个中心天体做匀速圆周运动,故根据地球的公转周期与轨道半径,无法求出该行星的轨道半径,故C错误;
D:根据星球表面万有引力等于重力得:,
得:
若该行星的密度与地球的密度相等,半径是地球的2.4倍.已知万有引力常量,所以可以求出表面该行星的重力加速度,故D正确
故选:AD
土星周围有许多大小不等的岩石颗粒,其绕土星的运动可视为圆周运动.其中有两个岩石颗粒A和B与土星中心距离分别为rA=8.0×104km和rB=1.2×105km.忽略所有岩石颗粒间的相互作用,求:(结果可用根式表示)
(1)求岩石颗粒A和B的线速度之比;
(2)求岩石颗粒A和B的周期之比;
(3)土星探测器上有一物体,在地球上重为10N,推算出他在距土星中心3.2×105km处受到土星的引力为0.38N.已知地球半径为6.4×103km,请估算土星质量是地球质量的多少倍?
正确答案
解:(1)设土星质量为M0,颗粒质量为m,颗粒距土星中心距离为r,线速度为v,据牛顿第二定律和万有引力定律有
解得
对于A、B两颗粒分别有
解得
故岩石颗粒A和B的线速度之比为:2.
(2)设颗粒绕土星作圆周运动的周期为T,则有
对于A、B两颗粒分别有
解得
故岩石颗粒A和B的周期之比为2:9.
(3)设地球质量为M,地球半径为r0,地球上物体的重力可视为万有引力,探测器上物体质量为m0,在地球表面重力为
G0,距土星中心r0′=3.2×105 km处的引力为G0′,根据万有引力定律有
解得
故土星质量大约是地球质量的95倍.
解析
解:(1)设土星质量为M0,颗粒质量为m,颗粒距土星中心距离为r,线速度为v,据牛顿第二定律和万有引力定律有
解得
对于A、B两颗粒分别有
解得
故岩石颗粒A和B的线速度之比为:2.
(2)设颗粒绕土星作圆周运动的周期为T,则有
对于A、B两颗粒分别有
解得
故岩石颗粒A和B的周期之比为2:9.
(3)设地球质量为M,地球半径为r0,地球上物体的重力可视为万有引力,探测器上物体质量为m0,在地球表面重力为
G0,距土星中心r0′=3.2×105 km处的引力为G0′,根据万有引力定律有
解得
故土星质量大约是地球质量的95倍.
(2015•江苏一模)已知月球半径为R,飞船在距月球表面高度为R的圆轨道上飞行,周期为T.万有引力常量为G,下列说法正确的是( )
正确答案
解析
解:B、D、飞船在距月球表面高度为R的圆轨道上做匀速圆周运动,故:
G=m
在月球表面,重力等于万有引力,故:
联立解得:
g=
M=
故B错误,D正确;
A、月球第一宇宙速度为:
=
,故A错误;
C、月球的密度:=
=
;故C错误;
故选:D
如图所示是位于X星球表面的竖直光滑圆弧轨道,宇航员实验发现,当位于轨道最低点的小球速度至少为v0时,才能在竖直面内做完整的圆周运动.已知圆弧轨道半径为r,X星球的半径为R,万有引力常量为G.求:(结果可以用根式表示)
(1)X星球表面重力加速度;
(2)X星球的第一宇宙速度;
(3)环绕X星球的轨道半径为2R的卫星的周期.
正确答案
解:( 1)设X星球表面重力加速度为g,质量为M,小球刚好能做完整的圆周运动;则小球在最高点时,仅由重力提供向心力;根据牛顿第二定律有:
mg=
小球从轨道最低点到最高点的过程中,由动能定理有:
-mg×
联立两式可得:g=
(2)在X星球发射卫星的最小速度为月球第一宇宙速度
又
联立方程解得:Vmin=
(3)环绕X星球的轨道半径为2R的卫星由万有引力提供向心力,有
解得T==
=
答:(1)X星球表面重力加速度;
(2)X星球的第一宇宙速度;
(3)环绕X星球的轨道半径为2R的卫星的周期
解析
解:( 1)设X星球表面重力加速度为g,质量为M,小球刚好能做完整的圆周运动;则小球在最高点时,仅由重力提供向心力;根据牛顿第二定律有:
mg=
小球从轨道最低点到最高点的过程中,由动能定理有:
-mg×
联立两式可得:g=
(2)在X星球发射卫星的最小速度为月球第一宇宙速度
又
联立方程解得:Vmin=
(3)环绕X星球的轨道半径为2R的卫星由万有引力提供向心力,有
解得T==
=
答:(1)X星球表面重力加速度;
(2)X星球的第一宇宙速度;
(3)环绕X星球的轨道半径为2R的卫星的周期
小型登月器连接在航天站上,一起绕月球做圆周运动,其轨道半径为月球半径的3倍,某时刻,航天站使登月器减速分离,登月器沿如图所示的椭圆轨道登月,在月球表面逗留一段时间完成科考工作后,经快速启动仍沿原椭圆轨道返回,当第一次回到分离点时恰与航天站对接,登月器快速启动时间可以忽略不计,整个过程中航天站保持原轨道绕月运行.已知月球表面的重力加速度为g,月球半径为R,不考虑月球自转的影响,则登月器可以在月球上停留的最短时间约为( )
正确答案
解析
解:设登月器和航天飞机在半径3R的轨道上运行时的周期为T,
因其绕月球作圆周运动,
所以应用牛顿第二定律有
=m
r=3R
T=2π=6π
,
在月球表面的物体所受重力近似等于万有引力,
GM=gR2
所以T=6π,①
设登月器在小椭圆轨道运行的周期是T1,航天飞机在大圆轨道运行的周期是T2.
对登月器和航天飞机依据开普勒第三定律分别有=
=
②
为使登月器仍沿原椭圆轨道回到分离点与航天飞机实现对接,登月器可以在月球表面逗留的时间t应满足
t=nT2-T1 ③(其中,n=1、2、3、…)…
联立①②③得 t=6πn-4π
(其中,n=1、2、3、…)
当n=1时,登月器可以在月球上停留的时间最短,即t=4.7π
故选A.
已知月球表面的重力加速度约为地球表面的六分之一,地球表面的重力加速度g=10m/s2,假设我国的登月工程中把一名质量m=60kg的宇航员送到月球表面.
(1)求这名宇航员在月球上受到的重力大小;
(2)假设这名宇航员在地球上最多能举起M=90kg的物体,那么该宇航员在月球上最多能举起多大质量的物体.
正确答案
解:(1)该宇航员在月球上的重力大小为:G=mg′=m×=
=100N;
(2)宇航员在地球上最多能举起90kg的物体说明其能支持的力最大为90×10=900N;
则在月球上能举起的物体的质量为:
m==540kg;
答:(1)这名宇航员在月球上的重力大小为100N;
(2)该宇航员在月球上最多能举起540kg质量的物体.
解析
解:(1)该宇航员在月球上的重力大小为:G=mg′=m×=
=100N;
(2)宇航员在地球上最多能举起90kg的物体说明其能支持的力最大为90×10=900N;
则在月球上能举起的物体的质量为:
m==540kg;
答:(1)这名宇航员在月球上的重力大小为100N;
(2)该宇航员在月球上最多能举起540kg质量的物体.
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、公F=G中G为引力常数,由卡文迪许通过实验测得,而不是人为规定的.故A正确;
B、公式F=G中从数学角度讲:当R趋近于零时其值是趋于无穷大,然而这是物理公式,所以R不可能为零.万有引力公式只适合于两个可以看做质点的物体,即,物体(原子)的自身半径相对两者的间距可以忽略时适用.而当距离无穷小时,相临的两个原子的半径远大于这个距离,它们不再适用万有引力公式.故B错误;
CD、m1、m2之间的万有引力是一对相互作用力,根据牛顿第三定律,总是大小相等、方向相反,与m1,m2是否相等无关,故C错误、D错误;
故选:A.
我国的月球探测计划“嫦娥工程”,计划在2020年前依次完成绕月探测、落月探测和无人采样返回,目前正在进行着落月探测二期工程,探月三期工程的核心是完成无人月球表面采样返回;若已知引力常量为G,月球
的半径为R和月球表面的加速度g月 (不考虑月球自转的影响),请同学们根据所学的知识计算:
(1)月球的质量M?
(2)月球的“第一宇宙速度”大小v?
正确答案
解:(1)根据月球表面的物体受到的重力等于万有引力得
=mg月
所以 M=①
(2)根据近月卫星的万有引力提供向心力得
=
②(或mg月=
)
由①②解得 v=
答:(1)月球的质量是;
(2)月球的“第一宇宙速度”大小是.
解析
解:(1)根据月球表面的物体受到的重力等于万有引力得
=mg月
所以 M=①
(2)根据近月卫星的万有引力提供向心力得
=
②(或mg月=
)
由①②解得 v=
答:(1)月球的质量是;
(2)月球的“第一宇宙速度”大小是.
宇航员站在一星球表面上的某处,以初速度V0沿竖直方向抛出一个小球,经过时间t,小球落回到星球表面的抛出点.已知该星球的半径为R,引力常量为G.求:
(1)该星球的质量M.
(2)该星球的第一宇宙V.
正确答案
解:(1)竖直上抛落回原点的速度大小等于初速度,方向与初速度相反.设星球表面的重力加速度为g,由竖直上抛规律可得:
v0=-v0+gt
解得:g=
在星球表面的物体受到的重力等于万有引力,有:G=mg
得:M==
(2)物体在星球表面附近能做匀速圆周运动,其重力由星球的吸引力提供,则有:mg=m
解得第一宇宙速度为:v==
答:(1)该星球的质量M为.
(2)该星球的第一宇宙V为.
解析
解:(1)竖直上抛落回原点的速度大小等于初速度,方向与初速度相反.设星球表面的重力加速度为g,由竖直上抛规律可得:
v0=-v0+gt
解得:g=
在星球表面的物体受到的重力等于万有引力,有:G=mg
得:M==
(2)物体在星球表面附近能做匀速圆周运动,其重力由星球的吸引力提供,则有:mg=m
解得第一宇宙速度为:v==
答:(1)该星球的质量M为.
(2)该星球的第一宇宙V为.
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”原本是“嫦娥一号”的备份卫星,因此两颗星在外形和重量上并没有太大差别.不过它的绕月飞行轨道将由“嫦娥一号”时的200公里高度降低到100公里,这样就能把月球看得更清楚.它们绕月球运动的示意图如图所示(轨道视为圆周),则下列有关探月卫星的说法正确的是( )
正确答案
解析
解:根据月球对嫦娥卫星的万有引力提供向心力,则得
G=ma=m
解得 a=,v=
A、根据G=mg,得 g=a=
,“嫦娥二号”卫星的轨道半径小,则“嫦娥二号”卫星所在位置的重力加速度大,故A正确.
B、当卫星绕月球表面运行时,其运行的加速度等于月球表面的重力加速度,由a=,知r越大,a越小,可知“嫦娥二号”卫星在图示轨道上运行时的加速度小于月球表面的重力加速度.故B错误.
C、卫星的动能为 Ek==
,“嫦娥二号”卫星的轨道半径小,则“嫦娥二号”卫星绕月球运行的动能大于“嫦娥一号”卫星绕月球的动能.故C错误.
D、“嫦娥一号”卫星在绕月轨道上经过加速,将做离心运动,轨道半径增大,不可能到达“嫦娥二号”的绕月轨道,故D错误
故选:A
天文学家近日在银河系发现一颗全新的星球--“超级地球”.它的半径是地球的2.3倍,而质量却是地球的17倍,科学家们认为这颗星球可能是由岩石组成.它的发现将有助于探索地球之外是否存在生命.这颗“超级地球“的第一宇宙速度约为( )
正确答案
解析
解:在地球上第一宇宙速度是近地卫星的运行速度,根据万有引力提供圆周运动向心力有:可得地球的第一宇宙速度
据此关系知,超级地球的第一宇宙速度=
21.47km/h,故C正确,ABD错误.
故选:C.
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