- 万有引力与航天
- 共16469题
天文学家将相距较近、仅在彼此间引力作用下运行的两颗恒星称为双星。双星系统在银河系中很普遍。利用双星系统中两颗恒星的运动特征可推算出它们的总质量。已知某双星系统中两颗恒星围绕它们连线上的某一固定点分别做匀速圆周运动,周期均为T,两颗恒星之间的距离为r,试推算这个双星系统的总质量。(引力常量为G)
正确答案
解:设两颗恒星的质量分别为、
,做圆周运动的半径分别为
、
,角速度分别为
、
。根据题意有
=
=
,
+
=
根据万有引力定律和牛顿运动定律,有
,
联立以上各式解得
2007年4月24日,瑞士天体物理学家斯蒂芬妮·尤德里(右)和日内瓦大 学天文学家米歇尔·迈耶(左)拿着一张绘制图片,图片上显示的是在红矮星581 (图片右上角)周围的行星系统,这一代号“581C”的行星正围绕一颗比太阳小、温度比太阳低的红矮星运行,现测得“581C”行星的质量为M2、半径为R2。已知地球的质量为M1、半径为R1,且已知地球表面的重力加速度为g,则:
(1)求该行星表面的重力加速度;
(2)若宇宙飞船在地面附近沿近地圆轨道做匀速圆周运动的周期为T,求宇宙飞船在距离“581C”行星表面为h的轨道上绕该行星做匀速圆周运动的线速度v。
正确答案
解:(1)物体在星球表面所受万有引力近似等于物体的重力,即
解得星球表面重力加速度为:。
(2)飞船在地面附近绕地球运行的周期为T,
根据万有引力定律和牛顿第二定律,有
飞船在距离“5 81c”行星表面为h的轨道上绕该行星做匀速圆周运动,
根据万有引力定律和牛顿第二定律,
解得:。
已知火星半径R火=R地,火星质量M火=M地,地球表面的重力加速度g=10m/s2,问:
(1)火星表面处的重力加速度与地球表面处的重力加速度之比为多大?
(2)在地球表面以某一初速度竖直上抛一小球,上升的最大高度为1.5m,在火星上以同样的初速度竖直上抛,该小球上升的最大高度为多大?
(3)若在火星表面发射一颗人造卫星,则火星表面人造卫星的速率与地球表面人造卫星的速率之比为多少?
正确答案
解:(1)因=m
①
=m
②
由①②得=
(2)因=2
③
④
由③④得=3.375m
(3)因=m
⑤
=m
⑥
由⑤⑥得=
。
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作匀速圆周运动,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
解:(1)根据万有引力定律和向心力公式: G ①
mg = G ②
解①②得:r= ③
(2)设月球表面处的重力加速度为g月,根据题意: V0=g月t/2 ④
g月=GM月/r2 ⑤
解④⑤得:M月=2v0r2/Gt ⑥。
一卫星在地面的质量为m,在地面的重力为mg,在距地面高为地球半径R的轨道上做匀速圆周运动时,卫星的质量、向心加速度及线速度分别是多少?
正确答案
解:物体的质量不随物体的位置和状态而变。因此在轨道上的质量仍为m。
在地面万有引力和重力的大小相等,
在距地面高度为R的轨道上有,
所以有,
设卫星在轨道上的线速度的大小为v,由向心加速度,得
。
天体运动中,将两颗彼此相距较近的行星称为双星,它们在万有引力作用下间距始终保持不变,并沿半径不同的同心轨道作匀速圆周运动,设双星间距为L,质量分别为M1、M2,试计算:
(1)双星的轨道半径;
(2)双星运动的周期。
正确答案
解:(1)双星绕两者连线上某点做匀速圆周运动,即
由以上两式可得:,
(2)又由
得:
在地球某处海平面上测得物体自由下落高度h 所用时间为t ,到某高山山顶测得物体自由下落同样高度所用时间增加了△t. 已知地球半径为R ,试求山的高度H.
正确答案
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匀速圆周运动。其中有两个岩石颗粒A和B与土星中心距离分别为RA和RB。忽略所有岩石颗粒间的相互作用 。(结果用字母表示)
(1)求岩石颗粒A和B的线速度之比。
(2)求岩石颗粒的A和B的向心加速度之比。
(3)若测得A颗粒的运行周期为TA,已知引力常量为G,求土星的质量。
正确答案
(1)
(2)
(3)
两个靠得很近的天体,离其它天体非常遥远,它们以其连线上某一点O为圆心各自做匀速圆周运动,两者的距离保持不变,科学家把这样的两个天体称为“双星”,如图所示。已知双星的质量为和
,它们之间的距离为
。求双星运行轨道半径
和
,以及运行的周期
。
正确答案
解:如图,
设双星中质量为的天体轨道半径为
,质量为m2的天体轨道半径为r2。
据万有引力定律和牛顿第二定律,
得: ①
②
③
由①②③联立解得:,
再由:
得运行的周期。
在地球某处海平面上测得物体自由下落高度h所需的时间为t,到某高山顶测得物体自由下落h同样高度所需时间增加了Δt,已知地球半径为R,试求山的高度H。
正确答案
解:海平面 ①
②
山顶上 ③
④
联解①②③④有
已知某星球的半径为R,星球的质量为M,它的自转周期为T,有一质量为m的物体静置于该星球的赤道上,试求物体所受的支持力FN有多大?(不能忽略星球的自转)
正确答案
星球对物体的万有引力和支持力的合力提供向心力,
由万有引力定律和牛顿第二定律得:G-FN=mω2R,
圆周运动的角速度为ω=,
解得:FN=G-m
R;
答:物体所受的支持力大小为G-m
R.
某颗人造地球卫星在距地面高度为h的圆形轨道上绕地球飞行,其运动可视为匀速圆周运动.已知地球半径为R,地面附近的重力加速度为g.求卫星在圆形轨道上运行速度的表达式和运行周期的表达式.
正确答案
设地球质量为M,卫星质量为m,圆轨道半径为r,
根据万有引力定律和牛顿第二定律G=m
在地面附近G=mg
由已知条件知r=R+h
联立①②③得v=R
由周期公式T=
得T=.
答:卫星在圆形轨道上运行速度的表达式v=R.运行周期的表达式T=
.
航天宇航员在月球表面完成了如下实验:如图所示,在月球表面固定一竖直光滑圆形轨道,在轨道内的最低点,放一可视为质点的小球,当给小球水平初速度v0时,小球刚好能在竖直面内做完整的圆周运动。已知圆形轨道半径为r,月球的半径为R 。若在月球表面上发射一颗环月卫星,求最小发射速度。
正确答案
解:设小球的质量为m ,月球质量为M ,月球表面的重力加速度为g
因球刚好完成圆周运动,小球在最高点有①
从最低点至最高点的过程有②
联解①②得,对在月球表面的物体有
③
在月球表面发射卫星的最小速度为月球第一宇宙速度v1,有④
联解得。
某星球的半径是地球的2倍,质量为地球的8倍,该星球表面的自由落体加速度是多大?该星球的第一宇宙速度是多大?
正确答案
20m/s2,15.8km/s
2008年9月,神舟七号载人航天飞行获得了圆满成功,我国航天员首次成功实施空间出舱活动、飞船首次成功实施释放小伴星的实验,实现了我国空间技术发展的重大跨越。已知飞船在地球上空的圆轨道上运行时离地面的高度为h。地球半径为R,地球表面的重力加速度为g。求飞船在该圆轨道上运行时:
(1)速度v的大小和周期T。
(2)速度v与第一宇宙速度的比值。
正确答案
解:(1)用M表示地球质量,m表示飞船质量,
由万有引力定律和牛顿定律得
地球表面质量为m0的物体,有
解得飞船在圆轨道上运行时速度
飞船在运行的周期
解得
(2)第一宇宙速度v1满足
因此飞船在圆轨道上运行时速度与第一宇宙速度的比值。
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