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简答题

甲、乙两个行星的质量之比为81:1,两行星的半径之比为36:1.则:

(1)两行星表面的重力加速度之比;

(2)两行星的第一宇宙速度之比.

正确答案

(1)在行星表面,质量为m的物体的重力近似等于其受到的万有引力,则

G=mg

则得 g=

故得:=×=×=

(2)行星表面的环绕速度即为第一宇宙速度,做匀速圆周运动的向心力是万有引力提供的,则

G=

得v1=(1分)

故得:===

答:

(1)两行星表面的重力加速度之比;为1:16.

(2)两行星的第一宇宙速度之比为3:2.

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一位同学为探月宇航员设计了如下实验:在距月球表面高h处以初速度vo水平抛出一个物体,然后测量该平抛物体的水平位移为x,通过查阅资料知道月球的半径为R,引力常量为G,若物体只受月球引力的作用,求:

(1)月球表面的重力加速度

(2)月球的质量

(3)环绕月球表面运行的宇宙飞船的线速度.

正确答案

依题意可知,

(1)月球表面的物体做平抛运动

x=vot

h=gt2

故月球表面的重力加速度

g=

(2)由G=mg得

月球质量

M=

(3)由G=m

及G=mg可得

环绕月球表面运行的宇宙飞船的线速度

v==

答:(1)月球表面的重力加速度g=

(2)月球的质量M=

(3)环绕月球表面运行的宇宙飞船的线速度v=

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某中子星的质量大约与太阳的质量相等,为2×1030kg,但是它的半径才不过10km,求:(1)此中子星表面的自由落体加速度.

(2)贴近中子星表面,沿圆轨道运动的小卫星的速度.

(已知引力常量为G=6.67×10-11Nm2/kg2=1.1=3.6)

正确答案

(1)重力等于万有引力,则G=mg,

中子星表面的自由落体加速度g=≈1.3×1012m/s2

(2)万有引力提供向心力,由牛顿第二定律得:

G=m′,解得,卫星的线速度v=≈1.1×108m/s;

答:(1)此中子星表面的自由落体加速度为1.3×1012m/s2

(2)贴近中子星表面,沿圆轨道运动的小卫星的速度为1.1×108m/s.

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2013年12月6日17时53分,嫦娥三号探测器成功完成一次“太空刹车”动作,顺利进入距月面平均高度H=100km的环月圆轨道,然后再次变轨进入椭圆轨道,最后进行月球表面软着陆.软着陆过程可简化为三个阶段:距月球表面15km时打开反推发动机减速,下降到距月球表面h1=l00m高度时悬停,寻找合适落月点;找到落月点后继续下降,距月球表面h2=4m时速度再次减为0;此后,关闭所有发动机,使它做自由落体运动落到月球表面.已知嫦娥三号质量为m,月球表面重力加速度为g′,月球半径为R,忽略嫦娥三号的质量变化.求嫦娥三号(所有结果均用题给字母表示):

(1)经“太空刹车”后的速度大小;

(2)悬停时发动机对其的作用力;

(3)从悬停到落至月球表面,发动机对其做的功.

正确答案

(1)设月球质量M,在圆轨道时,根据牛顿第二定律G=m

静止在月球表面上的物体m′,

G=m′g′

公式代入变换后得:v=

(2)因受力平衡,有F=mg′

(3)从h1=l00m处到达h2=4m处过程,设发动机做功W1

由动能定理mg′(h1-h2)+W1=0

从h2=4m处落至月面过程,关闭所有发动机,发动机做功为0

得发动机做功W=W1=mg(h2-h1)

答:(1)经“太空刹车”后的速度大小v=

(2)悬停时发动机对其的作用力为mg′.

(3)从悬停到落至月球表面,发动机对其做的功为mg′(h2-h1).

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2003年10月15日,我国成功发射了第一艘载人宇宙飞船“神舟”五号.火箭全长58.3m,起飞重量479. 8t,火箭点火升空,飞船进入预定轨道.“神舟”五号环绕地球飞行14圈约用时间21h.飞船点火竖直升空时,航天员杨利伟感觉“超重感比较强”,仪器显示他对座舱的最大压力等于他体重的5倍.飞船进入轨道后,杨利伟还多次在舱内飘浮起来.假设飞船运行的轨道是圆形轨道.(地球半径R取6. 4×103 km,地面重力加速度g取10m/s2,计算结果取二位有效数字)

(1)求火箭点火发射时,火箭的最大推力.

(2)估算飞船运行轨道距离地面的高度.

正确答案

(1)火箭点火时,航天员受重力和支持力作用,支持力为N=5mg,

由牛顿第二定律:N-mg=ma,

解得a=4 g.

此加速度即火箭起飞时的加速度,火箭受到向上的推力F与向下的重力;

由牛顿第二定律:F-Mg=Ma,

解得火箭的最大推力为F=2.4×107N.

(2)飞船绕地球做匀速圆周运动,

万有引力提供向心力:G=m(R+h),

在地球表面,万有引力与重力近似相等,得G=mg,,

又T=1.5h=5.4×103s.

 解得h=3.1×102 km.

(1)火箭点火发射时,火箭的最大推力2.4×107N.

(2)估算飞船运行轨道距离地面的高度3.1×102 km.

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