- 万有引力定律及其应用
- 共7173题
我国的“嫦娥奔月”月球探测工程已经启动,分“绕、落、回”三个发展阶段:在2007年已发射一颗围绕月球飞行的卫星,计划在2012年前后发射一颗月球软着陆器,在2018年后发射一颗返回式月球软着陆器,进行首次月球样品自动取样并安全返回地球.设想着陆器完成了对月球表面的考察任务后,由月球表面回到围绕月球做圆周运动的轨道舱.如图所示,假设返回的着陆器质量为m,月球表面的重力加速度为g,月球的半径为R,轨道舱到月球的中心距离为r,已知着陆器从月球表面返回轨道舱的过程中需克服月球的引力做功W=mgR(1-R/r).不计月球表面大气对着陆器的阻力和月球自转的影响,则返回的着陆器至少需要获得多少能量才能返回轨道舱?
正确答案
设月球的质量为M,着陆器的质量为m,轨道舱的质量为m0
着陆器在月球表面上的重力等于万有引力:mg=G
轨道舱绕月球做圆周运动:G=m0
着陆器与轨道舱对接时的动能:Ek=mv2
着陆器返回过程中需克服引力做功:W=mgR(1-).
着陆器返回过程中至少需要获得的能量:E=Ek+W
联解可得:E=mgR(1-).
答:返回的着陆器至少需要获得mgR(1-)能量才能返回轨道舱
我国将于2008年发射围绕地球做圆周运动的“神州7号”载人飞船,宇航员将进行太空行走.
(1)若已知地球半径为R,地球表面重力加速度为g.“神州7号”载人飞船上的宇航员离开飞船后身上的速度计显示其对地心的速度为v,宇航员及其设备的总质量为M,求该宇航员距离地球表面的高度
(2)该高度处的重力加速度为多少?
(3)已知宇航员及其设备的总质量为M,宇航员通过向后喷出氧气而获得反冲力,每秒钟喷出的氧气质量为m.为了简化问题,设喷射时对气体做功的功率恒为P,在不长的时间t内宇航员及其设备的质量变化很小,可以忽略不计.求喷气t秒后宇航员获得的动能.
正确答案
(1)设地球质量为M0,在地球表面,对于质量为m的物体有mg=G…①
离开飞船后的宇航员绕地球做匀速圆周运动,有G=M
…②
联立解得,r=…③
该宇航员距离地球表面的高度h=r-R=-R.…④
(2)在距地心r高处,对于质量为m物体有mg′=G…⑤
联立①③⑤式得g′=
(3)因为喷射时对气体做功的功率恒为P,而单位时间内喷气质量为m,故在t时
间内,据动能定理Pt=mtv2可求得喷出气体的速度为:v=
⑥
另一方面探测器喷气过程中系统动量守恒,则:0=mtv-Mu…⑦
又宇航员获得的动能,Ek=Mu2…⑧
联立解得:Ek=M(
•
)2=
答:(1)该宇航员距离地球表面的高度为-R
(2)该高度处的重力加速度为
(3)喷气t秒后宇航员获得的动能为.
某一发达国家的宇航员完成了对火星表面的科学考察任务,乘坐返回舱返回围绕火星做圆周运动的轨道舱,如图所示.为了安全,返回舱与轨道舱对接时,必须具有相同的速度.已知返回舱返回过程中需克服火星的引力而做的功可由如下公式计算:W=mgR(1-),其中:R为火星的半径,r为轨道舱到火星中心的距离,m为返回舱与人的总质量,g为火星表面的重力加速度.已知本次科学考察中轨道舱到火星中心的距离r=
R,设 m、R、g为已知的物理量.不计火星表面大气对返回舱的阻力和火星自转的影响,则该宇航员乘坐的返回舱至少需要获得多少能量才能完成与轨道舱对接?安全返回到轨道舱.
正确答案
返回舱与人在火星表面附近有:G=mg
设返回舱与轨道舱对接时速度大小为v,则:G=m
返回舱与轨道舱对接时,具有的动能为:EK=mv2
把上面两式代入,得:EK=mgR
返回舱返回过程克服引力做功W=mgR(1-)=
mgR
所以返回舱返回时至少需要能量E=EK+W=mgR
答:该宇航员乘坐的返回舱至少需要获得mgR能量才能完成与轨道舱对接安全返回到轨道舱.
银河系恒星中大约有四分之一是双星.某双星系统由星球A和B组成,两星球在相互之间的万有引力作用下绕两者连线上某一定点P做匀速圆周运动.已知A和B的质量之比为mA:mB=1:2,两星球的线速度之比为vA:vB=______;若由天文观察测得A星球的周期为T,AB间距离为r,已知万有引力常量为G,则A星球的质量为mA=______.
正确答案
1、双星靠相互间的万有引力提供向心力,周期相等、加速度相等.根据G=mA(
2π
T
)2rA=mB(
2π
T
)2rB,
则半径rA:rB=mB:mA=2:1
所以两星球的半径之比为2:1,
根据v=rω得,
vA:vB=rA:rB=mB:mA=2:1
2、因为=rA:rB=mB:mA=2:1
又rA+rB=r,
所以rA=r,rB=
r,
A、B的周期都为T,根据双星之间的万有引力提供向心力G=mB(
2π
T
)2rB,
所以G=(
2π
T
)2•r
解得:mA=.
故答案为:2:1,.
2005年10月12日,我国再将成功发射载人飞船--“神舟”六号,并首次进行多人多天太空飞行试验,这标志着我国的航天事业有了更高的发展.“神舟”六号以大小为v的速度沿近似的圆形轨道环绕地球运行.已知地球半径为R,地球表面重力加速度为g.
(1)飞船在上述圆形轨道上运行时距地面的高度h为多大?加速度是多大?
(2)飞船在圆形轨道上运行的周期为多少?
正确答案
(1)根据万有引力提供向心力,有:
G=m
在地面附近,有:
G=mg
联立解得:h=-R
a==
(2)飞船周期:T==
答:(1)飞船在上述圆形轨道上运行时距地面的高度h为=-R,加速度是
;
(2)飞船在圆形轨道上运行的周期为.
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