- 万有引力与航天
- 共16469题
2003年10月16日我国成功地发射了载人宇宙飞船,标志着我国的运载火箭技术已跨入世界先进行列,成为第三个实现“飞天”梦想的国家.在某一次火箭发射实验中,若该火箭(连同装载物)的质量M=3.00×105kg,启动后获得的推动力恒为F=4.50×106N,火箭发射塔高H=125m,不计火箭质量的变化和空气阻力,取g=10m/s2).
求:
(1)该火箭启动后获得的加速度.
(2)该火箭从启动到脱离发射塔所需要的时间.
正确答案
(1)根据牛顿第二定律有:
F-mg=ma
故a=m/s2=5.0m/s2
(2)设火箭在发射塔上运动的时间为t,则:
H=at2
故 t==
s=7.1s
答:
(1)该火箭启动后获得的加速度为5.0m/s2.
(2)该火箭从启动到脱离发射塔所需要的时间为7.1s.
设宇航员在月球上从高20m处自由释放一重物,测得在下落最后1s内所通过的距离为7.2m,则重物下落的时间是多少?该星球的重力加速度为多少?
正确答案
(1)设重物下落时间为t,根据自由落体运动的规律h=gt2有:
gt2-
g(t-1)2=7.2m
h=gt2=20m
解得:t=5s,a=1.6m/s2答:重物下落的时间是5s,该星球的重力加速度为1.6m/s2.
我国已启动“嫦娥工程”,并于2007年10月24日成功发射绕月运行的探月卫星“嫦娥Ⅰ号”.设该卫星可贴近月球表面运动且轨道是圆形的,已知地球半径约是月球半径的4倍,地球质量约是月球质量的81倍,地球近地卫星的周期约为84min,地球表面重力加速度g取10m/s2,求:
(1)绕月表面做匀速圆周运动的“嫦娥Ⅰ号”,其运动周期约是多大?
(2)设想宇航员在月球表面上做自由落体实验,某物体从离月球表面20m处自由下落,约经多长时间落地?
正确答案
设地球质量为M,半径为R,近地卫星的质量为m,周期为T0,它受地球的万有引力提供向心力,则
=m(
2π
T0
)2R
设月球质量为M1,半径为R1,探月卫星的质量为m1,周期为T1,它受月球的万有引力提供向心力,则
=m1(
)2R1
=
=
=
T1=94.5min
(2)设地球表面重力加速度g,月球表面重力加速度g1,自由下落高度为h,
根据星球表面的物体受到的重力等于万有引力,在地球和月球上都有
mg=G
m1g1=G
下式比上式得:=
•(
)2=
×
所以g1=m/s2
根据自由落体运动的规律
h=at12
t1==
s=4.5s
答:(1)绕月表面做匀速圆周运动的“嫦娥Ⅰ号”,其运动周期约是94.5min.
(2)设想宇航员在月球表面上做自由落体实验,某物体从离月球表面20m处自由下落,约经4.5s落地.
(1)现在有很多人对1969年美国的“阿波罗”登月事件表示怀疑,认为美国并没有登上月球,而是在好莱坞影棚里拍摄的.某同学想:那时候还没有电脑特技,画面中人和器材的运动可以造假,但一些细节的物理规律是无法造假的!于是他从网上找到一段宇航员阿姆斯特朗在月球表面向前跳跃的视频,仔细观察到在阿姆斯特朗某次刚好飞到最高点时,在他的脚底有一小块泥土脱落,这块泥土脱落后作的是______运动,他将画面在此暂停,如图1所示,用直尺量出屏幕上阿姆斯特朗的身长为a,量出脚底到月面的垂直距离为b,然后拿出手机开启秒表功能开始计时,同时继续播放视频,测得该泥土从脱落到落地时间为t:他再从网上查到阿姆斯特朗的真实身高为H,子是他通过计算得到月球表面重力加速度为______;最后他将自己的计算结果与真实的地、月表面重力加速度进行了比较,得到了对美国“阿波罗”登月事件自己的判断.
(2)验证碰撞中动量守恒
如图2所示,水平桌面一端固定一水平弹簧,用物块A将弹簧压缩至一定长度(弹簧始终处在弹性限度内),然后静止释放;物块么被弹出后滑行至P点停下.在A滑行路径上适当位置选择一点D并作上标记:再在O点放上与A材质相同的物块B(图中未画出),将A放在上次相同初始位置静止释放,A与B碰撞后各自滑行至从M、N点停下.
①为了验证碰撞中动量守恒,我们需要______
A.用天平测出A、B两物块的质量mA,mB
B.测出地面与物块A、B的动摩擦因素μ
C.为了防止物块A反弹,mA应大于mB
D.A第一次滑行距离OP,A第二次滑行距离OM,B滑行距离ON
②要验证动量守恒.需要验证的公式为______(用所选选项中字母表示)
③做实验时两物块实际上都已不能视为质点,为了更准确,B物块放到O点时应让其______(左、右)端与O点对齐,桌面上记录下的P、M点应为物块A的______(左、右)端,N点应为物块B的______(左、右)端.
正确答案
(1)阿姆斯特朗某次刚好飞到最高点时,在他的脚底有一小块泥土脱落,小块泥土只受重力,初速度为零,所以将做竖直向下初速度为零的匀加速直线运动.
用直尺量出屏幕上阿姆斯特朗的身长为a,量出脚底到月面的垂直距离为b,阿姆斯特朗的真实身高为H,
所以脚底到月面的真实垂直距离h=
根据运动学规律得
h=gt2,解得g=
.
(2)①静止释放,物块么被弹出后滑行至P点停下.
根据动能定理得-μmAgS0P=0-mA
vA=2μgS0P
将A放在上次相同初始位置静止释放,A与B碰撞后各自滑行至从M、N点停下.
根据动能定理得-μmAgS0M=0-mA
=2μgS0M
-μmBgS0N=0-mB
=2μgS0N
所以为了验证碰撞前后动量守恒,即是验证碰撞前的动量等于碰撞后的动量即可.
即mAvA=mA+mB
mAS0P=mAS0M+mBS0N
所以用天平测出A、B两物块的质量mA,mB和A第一次滑行距离OP,A第二次滑行距离OM,B滑行距离ON.
为了防止物块A反弹,mA应大于mB .
故选ACD.
②要验证动量守恒.需要验证的公式为mAS0P=mAS0M+mBS0N
③做实验时两物块实际上都已不能视为质点,为了更准确,B物块放到O点时应让其左端与O点对齐,桌面上记录下的P、M点应为物块A的右端,N点应为物块B的左端.
故答案为:(1)竖直向下初速度为零的匀加速直线,
(2)①ACD
②mAS0P=mAS0M+mBS0N
③左,右,左
我国在2010年实现探月计划--“嫦娥工程”.同学们也对月球有了更多的关注.
(1)若已知地球半径为R,地球表面的重力加速度为g,月球绕地球运动的周期为T,月球绕地球的运动近似看做匀速圆周运动,试求出月球绕地球运动的轨道半径;
(2)若宇航员随登月飞船登陆月球后,在月球表面某处以速度v0竖直向上抛出一个小球,经过时间t,小球落回抛出点.已知月球半径为r,万有引力常量为G,试求出月球的质量M月.
正确答案
(1)根据万有引力定律和向心力公式:
G=M月(
)2r(1)
mg=G(2)
解(1)(2)得:r=
(2)设月球表面处的重力加速度为g月,根据题意:
得到 t= (3)
又g月= (4)
解(3)(4)得:M月=
答:(1)月球绕地球运动的轨道半径是;
(2)月球的质量M月=.
宇航员站在一星球表面上,沿水平方向以初速度v0从倾斜角为θ的斜面顶端P处抛出一个小球,测得经过时间t小球落在斜面上的另一点Q,已知该星球的半径为R,求:
(1)该星球表面的重力加速度;
(2)该星球的第一宇宙速度.
正确答案
(1)小球从P到Q的过程中由平抛运动规律得:
水平位移x=υ0t,竖直位移y=gt2
由位移关系得:tanθ==
,
解得:g=
(2)该星球的近地卫星的向心力由万有引力提供
G=m
①
该星球表面物体所受重力等于万有引力,
G=mg②
由①②得v==
答:(1)该星球表面的重力加速度为;
(2)该星球的第一宇宙速度为.
设质量相等的甲.乙两颗卫星,分别贴近某星球表面和地球表面,环绕其球心做匀速圆周运动,已知该星球和地球的密度比为1:2,其半径分别为R和r,则(1)甲.乙两颗卫星的加速度之比为______;(2)甲.乙两颗卫星所受的向心力之比为______;(3)甲.乙两颗卫星的线速度之比为______;(4)甲.乙两颗卫星的周期之比为______.
正确答案
(1)根据万有引力提供向心力得:
=ma
a==
=
GπρR
已知该星球和地球的密度比为1:2,其半径分别为R和r,
所以甲.乙两颗卫星的加速度之比为
(2)根据牛顿第二定律得:
F向=ma
甲.乙两颗卫星的加速度之比为,甲.乙两颗卫星质量相等,
所以甲.乙两颗卫星所受的向心力之比为
(3)根据万有引力提供向心力得:
=m
v==
已知该星球和地球的密度比为1:2,其半径分别为R和r,
所以甲.乙两颗卫星的线速度之比为
(4)根据圆周运动公式得:
T=
甲.乙两颗卫星的线速度之比为
所以甲.乙两颗卫星的周期之比为:1.
故答案为:(1),(2)
,(3)
,(4)
:1.
在半径为R=1.6×106m某星球上,宇航员在离地面5m高处自由释放一个物体,物体落地时速度大小为9m/s.不计空气阻力和星球自转,求:
(1)求该星球表面的重力加加速度;
(2)若宇航员乘坐的宇宙飞船在离该星球表面高度为H=3R处绕该星球做匀速圆周运动,求飞船的速率.
正确答案
(1)由v2=2gh
可知:g==8.1m/s2.
(2)设该星球质量为M,宇宙飞船的质量为m,则:
宇宙飞船在该星球表面时有:G=mg
宇宙飞船做匀速圆周运动时有:G=m
.
H=3R
由以上三式可知:v1=1.8×103m/s.
答:(1)该星球表面的重力加加速度为8.1m/s2.
(2)飞船的速率为1.8×103m/s.
宇航员站在一星球表面上的某高处,以初速度v0沿水平方向抛出一个小球,经过时间t,球落到星球表面,小球落地时的速度大小为v.已知该星球的半径为R,引力常量为G,求:
(1)小球落地时竖直方向的速度vy
(2)该星球的质量M
(3)若该星球有一颗卫星,贴着该星球的表面做匀速圆周运动,求该卫星的周期T.
正确答案
(1)小球做平抛运动,则落地时水平速度为v0,则vy=
(2)小球竖直方向上,vy=gt
则g==
星球表面万有引力等于重力,则有
G=mg
解得:M=
(3)星体表面重力提供向心力,则有:
mg=mR
解得T=2π
答:(1)小球落地时竖直方向的速度vy=(2)该星球的质量M=
(3)该卫星的周期T=2π
.
一对双星,是由相距L、质量分别为M1和M2的两颗星体构成,两星间引力很大但又未吸引到一起,是因为它们以连线上某点为圆心做圆周运动的结果,如图所示,试求它们各自运转半径和角速度各是多少?
正确答案
(1)根据万有引力提供向心力得:
G=M1R1ω2…①
G=M2R2ω2…②
所以上面①②两式相比得到
=
又因为L=R1+R2
所以解得:R1=L
R2=L
(2)①②相加得到
G=(R1+R2)ω2
因为L=R1+R2
所以ω=.
答:它们的轨道半径分别为:R1=L,R2=
L;
它们的角速度是ω=.
宇航员在地球上用一根长0.5m细绳拴着一个小球在竖直平面内做圆周运动,用传感器测出小球在最高点时的速度大小v=3m/s及绳上的拉力F=4N.若宇航员将此小球和细绳带到某星球上,在该星球表面上让小球也在竖直平面内做圆周运动,用传感器测出在最低点时绳上拉力F1=9N,最高点时绳上拉力F2=3N.取地球表面重力加速度g=10m/s2,空气阻力不计.求:
(1)该小球的质量m;
(2)该星球表面附近的重力加速度g’;
(3)已知该星球的半径与地球半径之比为R星:R地=1:4,求该星球的质量与地球质量之比M星:M地.
正确答案
(1)小球在最高点A时,根据牛顿第二定律得
mg+F=m
解得 m=0.5kg
(2)该星球表面上让小球也在竖直平面内做圆周运动,根据牛顿第二定律得
最低点:F1-mg=m
最高点:F2+mg=m
又由机械能守恒得
m
=
m
+2mg′l
联立以上三式得 F2-F1=6mg′
解得星球表面附近的重力加速度g′=2m/s2
(3)根据重力等于万有引力得:
G=mg
得:=
=
答:
(1)该小球的质量m是0.5kg;
(2)该星球表面附近的重力加速度g为2m/s2;
(3)该星球的质量与地球质量之比M星:M地是1:80.
“嫦娥一号”探月卫星与稍早前日本的“月亮女神号”探月卫星不同,“嫦娥一号”卫星是绕月极地轨道上运动的,加上月球的
自转,因而“嫦娥一号”卫星能探测到整个月球的表面.12月11日“嫦娥一号”卫星CCD相机已对月球表面进行成像探测,并获取了月球背面部分区域的影像图.卫星在绕月极地轨道上做圆周运动时距月球表面高为H,绕行的周期为TM;月球地公转的周期为TE,半径为R0.地球半径为RE,月球半径为RM.试解答下列问题:
(1)若忽略地球及太阳引力对绕月卫星的影响,试求月球与地球质量之比;
(2)当绕月极地轨道的平面与月球绕地公转的轨道平面垂直,也与地心到月心的连线垂直(如图所示).此时探月卫星向地球发送所拍摄的照片,此照片由探月卫星传送到地球最少需要多长时间?已知光速为c.
正确答案
(1)由牛顿第二定律得F向=man=m()2r
月球绕地公转由万有引力提供向心力得,G=M月(
)2R0
同理,探月卫星绕月运动时有:G=M卫(
)2(RM+H)
由上两式联立解得:=(
)2×(
)3;
(2)设探月极地轨道上卫星到地心的距离为L0,则卫星到地面最短距离为L0-RE,由几何知识得:
L02=R02+(RM+H)2
将照片发回地面的时间
t==
答:(1)月球与地球质量之比:=(
)2×(
)3;
(2)探月卫星传送到地球最少需要时间.
“勇气”号探测器离火星地面12m时与降落伞自动脱离,被众气囊包裹的探测器竖直下落到地面后又弹跳到5层楼的(以15m进行计算)高度,这样上下碰撞了20多分后,才静止在火星表面上.已知火星半径为地球半径的二分之一,质量为地球的(取地球表面的重力加速度为10m/s2,计算结果均取两位有效数字).
(1)若探测器第一次碰到火星地面时其机械能损失为探测器12m高处机械能的10%,不计空气的阻力,求探测器在12m高处的速度.
(2)已知探测器和气囊的总质量为200kg,设与地面第一次碰撞时气囊和地面接触时间为0.4s,求探测器与火星碰撞时所受到的平均冲力?
正确答案
(1)设探测器在12m高处向下的速度为v火,则有
mv火2+mg火h1-mg火h2=0.1×(
mv火2+mg火h1)
在星球表面处有=mg,
可得=
=
联立解得v火=6.4m/s
(2)设探测器与火星碰前瞬间的速度为v1,反弹的速度为v2,则有
v12=v火2+2g火h1
v22=2g火h2
规定向上为正方向,对探测器由动量定理可得
(F-mg火)t=mv2-mv1
解以上各式得F=1.3×104N
答:(1)若探测器第一次碰到火星地面时其机械能损失为探测器12m高处机械能的10%,不计空气的阻力,则探测器在12m高处的速度为6.4m/s.
(2)已知探测器和气囊的总质量为200kg,设与地面第一次碰撞时气囊和地面接触时间为0.4s,则探测器与火星碰撞时所受到的平均冲力为1.3×104N.
图示为宇宙中一恒星系的示意图,A为该星系的一颗行星,它绕中央恒星O的运行轨道近似为圆.已知引力常量为G,天文学家观测得到A行星的运行轨道半径为R0,周期为T0
(1)中央恒星O的质量是多大?
(2)长期观测发现A行星每隔t0时间其运行轨道便会偏离理论轨道少许,天文学家认为出现这种现象的原因可能是A行星外侧还存在着一颗未知的行星B(假设其运行的圆轨道与A在同一平面内,且与A的绕行方向相同).根据上述现象和假设,试估箅未知行星B的运动周期和轨道半径.
正确答案
(1)设中央恒星质量为M,A行星质量为m,
由万有引力提供向心力得:G=m
R0
解得:M=
故中央恒星O的质量为.
(2)由题意可知:A、B相距最近时,B对A的影响最大,且每隔时间t0发生一次最大的偏离,说明A、B相距最近,设B行星的周期为T,则有:
(-
)t0=2π
解得:T=
据开普勒第三定律:=
得:R=R0
故未知行星B的运动周期为,轨道半径为
R0.
如图所示.地球和某行星在同一轨道平面内同向绕太阳做匀速圆周运动.地球的轨道半径为R,运转周期为T.地球和太阳中心的连线与地球和行星的连线所夹的角叫地球对该行星的观察视角(简称视角).已知该行星的最大视角为θ,当 行星处于最大视角处时,是地球上的天文爱好者观察该行星的最佳时期.若某时刻该行星正处于最佳观察期,问该行星下一次处于最佳观察期至少需经历多长时间?
正确答案
由题意可得行星的轨道半径r=Rsinθ
设行星绕太阳的转动周期为T′由开普勒第三定律有:
=
设行星最初处于最佳观察时期前,其位置超前于地球,且经时间t地球转过α角后,该行星再次处于最佳观察期,
则行星转过的较大为β=π+α+2θ
于是有:t=α
t=β
解得:t=T
若行星最初处于最佳观察期时,期位置滞后于地球,同理可得:t=T
答:该行星下一次处于最佳观察期至少需经历的时间为T
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