- 万有引力定律及其应用
- 共7173题
质量为100kg行星探测器从某行星表面竖直发射升空,发射时发动机推力恒定,发射升空后8s末,发动机突然间发生故障而关闭,探测器从发射到落回出发点全过程的速度图象如图所示.已知该行星半径是地球半径的
,地球表面重力加速度为10m/s2,该行星表面没有大气,不考虑探测器总质量的变化.求:
(1)探测器发动机推力大小;
(2)该行星的第一宇宙速度大小.
正确答案
解:(1)由图象知,在0-8s内上升阶段的加速度为a,则有:
由牛顿第二定律:F-mg‘=ma
8s末发动机关闭后探测器只受重力作用,有:m/s2
解得:F=m(g′+a)=100×(4+8)N=1200N
(2)该星球的第一宇宙速度为v',则有:
地球的第一宇宙速度为v,有:
可得:
所以行星的第一宇宙速度为:
v'=
答:(1)探测器发动机推力大小为1200N;
(2)该行星的第一宇宙速度大小为1.58km/s.
解析
解:(1)由图象知,在0-8s内上升阶段的加速度为a,则有:
由牛顿第二定律:F-mg‘=ma
8s末发动机关闭后探测器只受重力作用,有:m/s2
解得:F=m(g′+a)=100×(4+8)N=1200N
(2)该星球的第一宇宙速度为v',则有:
地球的第一宇宙速度为v,有:
可得:
所以行星的第一宇宙速度为:
v'=
答:(1)探测器发动机推力大小为1200N;
(2)该行星的第一宇宙速度大小为1.58km/s.
万有引力定律揭示了天体运动规律与地上物体运动规律具有内在的一致性.
(1)用弹簧秤称量一个相对于地球静止的小物体的重量,随称量位置的变化可能会有不同的结果,已知地球质量为M,自转周期为T,万有引力常量为G,将地球视为半径为R,质量均匀分布的球体,不考虑空气的影响,设在地球北极地面称量时,弹簧秤的读数是F0.
a.若在北极上空高出地面h处称量,弹簧秤读数为F1,求比值的表达式,并就h=1,0%R的情形算出具体数值(计算结果保留两位有效数字);
b.若在赤道地面称量,弹簧秤读数为F2,求比值的表达式.
(2)设想地球绕太阳公转的圆周轨道半径r,太阳的半径R1和地球的半径R三者均减小为现在的1.0%,而太阳和地球的密度均匀且不变,仅考虑太阳和地球之间的相互作用,以现实地球的1年为标准,计算“设想地球”的一年将变为多长?
正确答案
解:(1)a.在地球北极点不考虑地球自转,则弹簧秤所称得的重力为其万有引力,即:…①
且…②
由①②可得:
即:F1=0.98 F0
b.在赤道上称重时,万有引力的一部分提供物体做圆周运动的向心力,于是有:
…③
由①③可得:
(2)设太阳质量为M,地球质量为M′,则有:
即地球公转周期为:
而太阳质量为:
其中ρ为太阳密度,则地球公转周期为:
从上式可以看出,当公转半径和太阳半径均减小为现在的1.0%时,地球公转周期不变,即仍为1地球年.
答:(1)a、比值的表达式是
=
,h=1.0%R的情形时,
是0.98;
b.若在赤道地面称量,弹簧秤读数为F2,比值的表达式为
.
(2)“设想地球”的一年仍为1地球年.
解析
解:(1)a.在地球北极点不考虑地球自转,则弹簧秤所称得的重力为其万有引力,即:…①
且…②
由①②可得:
即:F1=0.98 F0
b.在赤道上称重时,万有引力的一部分提供物体做圆周运动的向心力,于是有:
…③
由①③可得:
(2)设太阳质量为M,地球质量为M′,则有:
即地球公转周期为:
而太阳质量为:
其中ρ为太阳密度,则地球公转周期为:
从上式可以看出,当公转半径和太阳半径均减小为现在的1.0%时,地球公转周期不变,即仍为1地球年.
答:(1)a、比值的表达式是
=
,h=1.0%R的情形时,
是0.98;
b.若在赤道地面称量,弹簧秤读数为F2,比值的表达式为
.
(2)“设想地球”的一年仍为1地球年.
月球距地球的平均距离约3.844×105km,地球到太阳的平均距离约1.496×108km.若将它们的公转看成是匀速圆周运动,分别估计它们公转的角速度和线速度.(月球自转一周和它绕地球公转一周的时间相同)
正确答案
解:地球到太阳的平均距离约1.496×108km,地球公转周期为365天,故线速度为:
v地==2.98×104m/s
角速度为:
=1.99×10-7rad/s
月球距地球的平均距离约3.844×105km,月球的公转周期为27天,故线速度为:
v月==
=1034.8m/s
角速度为:
ω月==
=2.69×10-6rad/s
答:地球的公转角速度为1.99×10-7rad/s,公转线速度为2.98×104m/s;
月球的公转角速度为2.69×10-6rad/s,公转线速度为1034.8m/s.
解析
解:地球到太阳的平均距离约1.496×108km,地球公转周期为365天,故线速度为:
v地==2.98×104m/s
角速度为:
=1.99×10-7rad/s
月球距地球的平均距离约3.844×105km,月球的公转周期为27天,故线速度为:
v月==
=1034.8m/s
角速度为:
ω月==
=2.69×10-6rad/s
答:地球的公转角速度为1.99×10-7rad/s,公转线速度为2.98×104m/s;
月球的公转角速度为2.69×10-6rad/s,公转线速度为1034.8m/s.
天文观测到的脉冲星就是中子星,它由超流状态的中子物质组成,其密度比原子核还要大.中子星表面有极强的磁场,由于处于高速旋转状态,使得它发出的电磁波辐射都是“集束的”,像一个旋转的“探照灯”,我们在地球上只能周期性地接收到电磁波脉冲(如图所示).设我们每隔0.1s接收一次中子星发出的电磁波脉冲,万有引力常数G=6.67×10-11Nm2/kg2,球体积V=
πr3,问:
(1)中子星的自转周期T是多大?
(2)为保证该中子星赤道上任意质点不会飞出,该中子星的最小密度ρ=?
(3)设该中子星半径为r=10km,在最小密度的情形下,两极的重力加速度g=?
正确答案
解:(1)根据题意:我们每隔0.1s接收一次中子星发出的电磁波脉冲,所以中子星的自转周期T是0.1s.
(2)该脉冲星半径为r,质量为M,赤道上质点m所受
万有引力提供向心力,则有,得
该星球密度为 =
把T=0.1s代入解得:ρ=1.4×1013kg/m3
(3)两极重力等于万有引力,有,得
又M=,r=104m
解得:g=3.91×107m/s2
答:(1)中子星的自转周期T是0.1s.
(2)为保证该中子星赤道上任意质点不会飞出,该中子星的最小密度ρ=1.4×1013kg/m3.
(3)设该中子星半径为r=10km,在最小密度的情形下,两极的重力加速度g=3.91×107m/s2.
解析
解:(1)根据题意:我们每隔0.1s接收一次中子星发出的电磁波脉冲,所以中子星的自转周期T是0.1s.
(2)该脉冲星半径为r,质量为M,赤道上质点m所受
万有引力提供向心力,则有,得
该星球密度为 =
把T=0.1s代入解得:ρ=1.4×1013kg/m3
(3)两极重力等于万有引力,有,得
又M=,r=104m
解得:g=3.91×107m/s2
答:(1)中子星的自转周期T是0.1s.
(2)为保证该中子星赤道上任意质点不会飞出,该中子星的最小密度ρ=1.4×1013kg/m3.
(3)设该中子星半径为r=10km,在最小密度的情形下,两极的重力加速度g=3.91×107m/s2.
(2015秋•新郑市校级月考)一物体在地球表面上的重力为16N,它在以5m/s2的加速度加速上升的火箭中的用台秤称量示数为9N,则此时火箭离地面的高度是地球半径R的( )
正确答案
解析
解:设地表重力加速度为g=10m/s,火箭中重力加速度为g1;万有引力常数为G;地球的质量为M,物体的质量为m,地球表面上的重力为F1,向上的加速度为a,此时示重9N为F,此时火箭离地面的高度为H;
据在地表万有引力相当于重力得:
F1=mg=16N ①
②
在火箭中力与运动的关系为:
F=9N=mg1+ma ③
④
联立①③并代入计算得:
mg1=1N ⑤
联立②④并代入数值得:
最终得:
H=3R
故则此时火箭离地面的高度是地球半径R的3倍.
故选 D.
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