- 万有引力定律及其应用
- 共7173题
设质子的半径为r0,氢气的摩尔质量为μ,阿伏加德罗常数为NA,万有引力恒量为G,如果在宇宙间有一个恒星的密度等于质子的密度,假想该恒星的第一宇宙速度达到光速c,电子质量忽略不计,π值取3
求:(1)该恒星的半径R;(2)该恒星表面的重力加速度g.
正确答案
设恒星的质量为m1,绕恒星运行的卫星质量为m2,则G=m2
;
密度ρ==
;
星球表面重力等于万有引力:G=m2g;
由以上各式解得:R=r0c;g=
;
答:(1)该恒星的半径R为r0c;
(2)该恒星表面的重力加速度g为.
宇航员在某星球表面欲估测该星球的质量.该宇航员将一长为2.0m的细线上端固定,下端系一质量为50g的小球,拉起小球,让小球在同一竖直面内做小角度摆动,测得小球在60s时间内完成25次全振动.已知该星球的半径为3.2×107m,求该星球的质量.(已知万有引力常量G=6.67×10-11N•m2/Kg2,计算中取π2≈10,计算结果保留一位有效数字.)
正确答案
由题意知,小球在该星球表面做简谐运动,其周期为T==
s=2.4s
由单摆做简谐运动的周期公式:T=2π,得星球表面的重力加速度g=
在该星球表面:=mg
得:M=
故M==
kg≈2×1026kg
答:该星球的质量为2×1026kg.
一名宇航员在登陆某星球后为了测量此星球的质量进行了如下实验:他把一小钢球托举到距星球表面高度为 h 处由静止释放,计时仪器测得小钢球从释放到落回星球表面的时间为t.此前通过天文观测测得此星球的半径为 R,已知万有引力常量为G,不计小钢球下落过程中的气体阻力,可认为此星球表面的物体受到的重力等于物体与星球之间的万有引力.求:
(1)此星球表面的重力加速度 g;
(2)此星球的质量 M;
(3)若距此星球表面高 H 的圆形轨道有一颗卫星绕它做匀速圆周运动,求卫星的运行周期 T.
正确答案
(1)由h=gt2得,g=
.
(2)根据G=mg
解得M==
.
(3)根据万有引力提供向心力得,G=m(R+H)(
)2
又GM=gR2
解得T=.
因为g=.
所以T=.
答:(1)此星球表面的重力加速度g=.
(2)此星球的质量为.
(3)卫星的运行周期为.
(1)水利发电具有防洪、防旱、减少污染多项功能,是功在当代,利在千秋的大事,现在水力发电已经成为我国的重要能源之一.某小河水流量为40m3/s,现在欲在此河段上筑坝安装一台发电功率为1000千瓦的发电机发电.
①设发电机输出电压为500V,在输送途中允许的电阻为5Ω,许可损耗总功率的5%,则所用升压变压器原副线圈匝数比应是多大?
②若所用发电机总效率为50%,要使发电机能发挥它的最佳效能,则拦河坝至少要建多高?g取10m/s2.
(2)探月飞船离开地球后关闭推进器,仅仅依靠惯性沿地球与月球的连心线飞往月球.在飞行途中飞船会经过一个特殊的点P,在这一点,飞船所受到的地球对它的引力与月球对它的引力正好抵消(不考虑其他星体对飞船的引力作用).已知地球质量为6.0×1024kg,月球质量为7.4×1022kg,地球中心与月球中心之间的距离约为 r=3.8×108m.
①在探月飞船到达P点之前,飞船作什么运动?
②P点距离月球中心多远?
正确答案
(1)①设送电电流为I,损耗的功率为P耗、导线R线,
由P=I2R
解得:I==
=100(A)
设送电电压为U送,由P=IU
解得:U送==
=1×104(V)
则升压变压器原副线圈匝数比=
=
=
②发电时水的重力势能转化为电能
故:mgh×50%=Pt
其中=ρ
=1×103×40=4×104kg/s
∴h==
=5(m)
(2)①在探月飞船到达P点之前,飞船作减速运动(加速度逐渐减小的减速运动);
②设P点距离月球中心为x,则G=G
代入数据,解得:x≈=3.8×107m
答:(1)①所用升压变压器原副线圈匝数比应是1:20;②拦河坝至少要建5m高.
(2)①在探月飞船到达P点之前,飞船作加速度逐渐减小的减速运动;②P点距离月球中心3.8×107m.
一宇航员抵达一半径为R的星球两极的表面后,为了测定该星球的质量M,做如下的实验,取一根细线穿过光滑的细直管,细线一端栓一质量为m的砝码,另一端连在一固定的测力计上,手握细线直管抡动砝码,使它在竖直平面内做半径为L的完整的圆周运动,停止抡动细直管,砝码可继续在同一竖直平面内做完整的圆周运动,且砝码恰能通过圆周运动的最高点,如图所示.此时观察得到当砝码运动到圆周最高点位置时,砝码的速度为v.
已知引力常量为G,试根据题中所提供的条件和测量结果,求:
(1)该星球表面重力加速度;
(2)该星球的质量M;
(3)若将物体置于该星体的赤道处,发现它对地面的压力比在两极处时物体对地面的压力小10%,求该星体自转周期.
正确答案
(1)若砝码恰能通过圆周运动的最高点,则此时绳上作用力为零,物体所受重力提供物体做圆周运动的向心力得:
mg=m
代入数据得:星球表面的重力加速度g=
(2)由于星球围绕地轴转动,故在两极处有G=F万则有:
mg=G
∴M==
(3)在两极处,由于地转半径为零,物体对地面的压力大小等于物体受到的万有引力,故在赤道处物体对地面的压力为两极处小10%,即物体受到地面的支持力为万有引力的90%.
又物体受到星球的万有引力和地面支持力的合力提供物体随星球自转的向心力,故有:
G(1-0.90)=mR(
)2
T=2π代入M=
得T=2π
答:(1)该星球表面的重力加速度为g=
(2)该星球的质量为M=
(3)该星球的自转周期为T=2π
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