- 万有引力定律及其应用
- 共7173题
图示是我国的“探月工程”向月球发射一颗绕月探测卫星“嫦娥一号”过程简图.月球探测计划“嫦娥工程”预计在2017年送机器人上月球,实地采样送回地球,为载人登月及月球基地选址做准备.设想我国宇航员随“嫦娥”号登月飞船绕月球飞行,飞船上备有以下实验仪器:
A.计时表一只,B.弹簧秤一把,C.已知质量为m的物体一个,D.天平一只(附砝码一盒).
在飞船贴近月球表面时可近似看成绕月球做匀速圆周运动,宇航员测量出飞船在靠近月球表面的圆形轨道绕行N圈所用的时间为t.飞船的登月舱在月球上着陆后,遥控机器人利用所携带的仪器又进行了第二次测量,利用上述两次测量的物理量可出推导出月球的半径和质量.(已知万有引力常量为G),要求:
(1)说明机器人是如何进行第二次测量的?
(2)试推导用上述测量的物理量表示的月球半径和质量的表达式.
(3)若已知R月=R地,g月=
g地,则近月卫星的运行速度约为近地卫星运行速度的多少倍?
正确答案
解:(1)机器人在月球上用弹簧秤竖直悬挂物体,静止时读出弹簧秤的读数F,即为物体在月球上所受重力的大小.
(2)在月球上忽略月球的自转可知 mg月=F ①②
飞船在绕月球运行时,因为是靠近月球表面,故近似认为其轨道半径为月球的半径R,由万有引力提供飞船做圆周运动的向心力可知③又
④
由①.②.③.④式可知月球的半径 ,
月球的质量 .
(3)设近月卫星和近地卫星的速度分别为v月、v地.
由得
则.
答:(1)机器人是这样进行第二次测量的:机器人在月球上用弹簧秤竖直悬挂物体,静止时读出弹簧秤的读数F,即为物体在月球上所受重力的大小.
(2)月球半径的表达式R=,质量表达式量
.
(3)近月卫星的运行速度约为近地卫星运行速度的倍.
解析
解:(1)机器人在月球上用弹簧秤竖直悬挂物体,静止时读出弹簧秤的读数F,即为物体在月球上所受重力的大小.
(2)在月球上忽略月球的自转可知 mg月=F ①②
飞船在绕月球运行时,因为是靠近月球表面,故近似认为其轨道半径为月球的半径R,由万有引力提供飞船做圆周运动的向心力可知③又
④
由①.②.③.④式可知月球的半径 ,
月球的质量 .
(3)设近月卫星和近地卫星的速度分别为v月、v地.
由得
则.
答:(1)机器人是这样进行第二次测量的:机器人在月球上用弹簧秤竖直悬挂物体,静止时读出弹簧秤的读数F,即为物体在月球上所受重力的大小.
(2)月球半径的表达式R=,质量表达式量
.
(3)近月卫星的运行速度约为近地卫星运行速度的倍.
神舟五号载人飞船在绕地球飞行的第5圈进行变轨,由原来的椭圆轨道变为距地面高度h的圆形轨道.已知地球半径R,地面处的重力加速度g,万有引力常量为G.求:
(1)地球质量的表达式.
(2)试用h、R、g表示飞船在上述圆轨道上运行的周期T的表达式.
正确答案
解:(1)根据在地面重力和万有引力相等,则有
=mg
解得:M=;
(2)设地球质量为M,飞船质量为m,速度为v,地球的半径为R,神舟五号飞船圆轨道的半径为r,飞船轨道距地面的高度为h,
则据题意有:r=R+h
飞船在轨道上飞行时,万有引力提供向心力有:
=m
r
解得:T=2π=2π
;
答:(1)地球质量的表达式是M=;
(2)用h、R、g表示飞船在上述圆轨道上运行的周期T的表达式是T=2π.
解析
解:(1)根据在地面重力和万有引力相等,则有
=mg
解得:M=;
(2)设地球质量为M,飞船质量为m,速度为v,地球的半径为R,神舟五号飞船圆轨道的半径为r,飞船轨道距地面的高度为h,
则据题意有:r=R+h
飞船在轨道上飞行时,万有引力提供向心力有:
=m
r
解得:T=2π=2π
;
答:(1)地球质量的表达式是M=;
(2)用h、R、g表示飞船在上述圆轨道上运行的周期T的表达式是T=2π.
如图所示,某行星半径为R、表面的重力加速度为g,有一颗离行星表面高度为2R的卫星在环绕该行星做圆周运动.求:
(1)该行星的质量M是多大?
(2)卫星环绕行星运动的周期?
正确答案
解:(1)根据得,行星的质量M=
.
(2)根据得,T=
=
.
答:(1)行星的质量为.
(2)卫星绕行星的周期为.
解析
解:(1)根据得,行星的质量M=
.
(2)根据得,T=
=
.
答:(1)行星的质量为.
(2)卫星绕行星的周期为.
中国计划在2017年实现返回式月球软着陆器对月球进行科学探测,宇航员在月球上着陆后,自高h处以初速度v0水平抛出一小球,测出水平射程为L(这时月球表面可以看作是平坦的),已知月球半径为R,万有引力常量为G.求:
(1)月球表面处的重力加速度及月球的质量M.
(2)如果要在月球上发射一颗月球卫星,发射速度至少为多大?
正确答案
解:(1)小球做平抛运动,在竖直方向上做自由落体运动,有:
水平方向上做匀速直线运动,有:L=v0t
解得:
着陆器在月球表面有:
解得:
(2)着陆器绕月球表面运行有:
而月球表面上的物体有
解得:v=
答:(1)月球表面处的重力加速度及月球的质量M为.
(2)如果要在月球上发射一颗月球卫星,发射速度至少为.
解析
解:(1)小球做平抛运动,在竖直方向上做自由落体运动,有:
水平方向上做匀速直线运动,有:L=v0t
解得:
着陆器在月球表面有:
解得:
(2)着陆器绕月球表面运行有:
而月球表面上的物体有
解得:v=
答:(1)月球表面处的重力加速度及月球的质量M为.
(2)如果要在月球上发射一颗月球卫星,发射速度至少为.
近年来,随着人类对火星的了解越来越多,美国等国家都已经开始进行移民火星的科学探索,并面向全球招募“单程火星之旅”的志愿者.若某物体在火星表面做自由落体运动的时间是在地球表面同一高度处自由落体时间的1.5倍,已知地球半径是火星半径的2倍.
(1)求火星表面重力加速度与地球表面重力加速度的比值.
(2)如果将来成功实现了“火星移民”,求出在火星表面发射载人航天器的最小速度v1与地球上卫星最小发射速度v2的比值.
正确答案
解:(1)根据自由落体运动的位移时间关系公式h=,有:
解得:
(2)第一宇宙速度是星球表面的环绕速度,重力等于向心力,根据牛顿第二定律,有:
解得:v=
故:
答:(1)火星表面重力加速度与地球表面重力加速度的比值为.
(2)在火星表面发射载人航天器的最小速度v1与地球上卫星最小发射速度v2的比值为.
解析
解:(1)根据自由落体运动的位移时间关系公式h=,有:
解得:
(2)第一宇宙速度是星球表面的环绕速度,重力等于向心力,根据牛顿第二定律,有:
解得:v=
故:
答:(1)火星表面重力加速度与地球表面重力加速度的比值为.
(2)在火星表面发射载人航天器的最小速度v1与地球上卫星最小发射速度v2的比值为.
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