- 万有引力定律及其应用
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已知火星质量M火和地球的质量M地之比M火/M地=p,火星的半径R火和地球半径R地之比R火/R地=q,那么离火星表面高处R火的重力加速度g火和离地球表面高处R地的重力加速度g地之比等于多少?
正确答案
设质量为m的物体分别位于火星和地球上,火星和地球对它万有引力等于它的重力,则有
mg火=G 得到g火=
•
mg地=G 得到g地=
•
所以 =
•
=
答:离火星表面高处R火的重力加速度g火和离地球表面高处R地的重力加速度g地之比等于.
据中国月球探测计划的有关负责人披露,如果顺利实现把宇航员送入太空的目标,中国可望在2010年以前完成首次月球探测.“神舟七号”载人飞船的成功为我国实现探月计划--“嫦娥工程”又一次积累了宝贵经验.假设月球半径为R,月球表面的重力加速度为g0,飞船在距月球表面高度为3R的圆形轨道I运动,到达轨道的A点点火变轨进入椭圆轨道II,到达轨道的近月点B再次点火进入月球近月轨道III绕月球作圆周运动.求:
(1)飞船在轨道I上的运行速率.
(2)飞船在A点处点火时,动能如何变化?
(3)飞船在轨道III绕月球运行一周所需的时间.
正确答案
(1)设月球的质量为M,飞船的质量为m,
据万有引力充当向心力得
G=m
据月球表面重力等于万有引力得 G=mg0,
解得v=
(2)飞船在半径为4R的圆形轨道Ⅰ运动,到达轨道的A点时点火变轨进入椭圆轨道Ⅱ是做逐渐靠近地心的运动,要实现这个运动必须万有引力大于飞船所需向心力,所以应给飞船减速,减小所需的向心力.
所以飞船在A点处点火时动能减小.
(3)设飞船在轨道III绕月球运行一周所需的时间为T,此时重力充当向心力
则mg0=m()2R
∴T=2π
答:(1)飞船在轨道I上的运行速率是.
(2)飞船在A点处点火时动能减小.
(3)飞船在轨道III绕月球运行一周所需的时间是2π.
荡秋千是大家喜爱的一项体育活动.随着科技的迅速发展,将来的某一天,同学们也许会在其它是星球上享受荡秋千的乐趣.假设你所在某星球的质量是M,半径为R,C万有引力常量为G;秋千质量不计,摆动过程中阻力不计,摆角小于90°,人的质量为m,那么:
(1)该星球表面附近的重力加速度g星等于多少?
(2)若最大摆角为θ,求摆到最低点时踏板对人的支持力?
正确答案
(1)据在星球表面附近的重力等于万有引力,有mg星=
解得 g星=
(2)摆动到最低点时,人对秋千踏板的压力最大.
由最高点运动到最低点时,据机械能守恒有 mg星l(1-cosθ)=mv2
在最低点,据牛顿第二定律,有
N-mg星=m
解得N=
答:(1)该星球表面附近的重力加速度g星等于;
(2)摆到最低点时踏板对人的支持力为.
某宇航员携带如下器材来到x星球上测量该星球表面处的重力加速度gx.这些器材是:
A.天平一台(含砝码1盒) B.电子秒表一个 C.刻度尺一把 D.测力计一个 E.无弹性轻丝线若干根 F.重锤一个 G.带孔金属小球一个,直径已知为d H.支架,能满足实验所的固定作用.
请你设计两种实验帮助宇航员测定该星球表面处的重力加速度gx.
实验一:(1)器材有:______
(2)主要实验步骤(简明扼要)______
(3)计算重力加速度的公式为gx=______.
正确答案
实验一:原理是根据G=mg得g=进行测量
①器材有:天平、测力计、丝线、金属小球
②主要实验步骤:用天平测出金属小球质量m,将丝线穿过金属小球并用测力计测出小球的重力G
③计算重力加速度的公式为gx=
实验二:计算重力加速度的公式为根据自由落体运动位移时间公式h=gt2
得g=测出重力加速度.
①器材有:重锤、电子秒表、刻度尺
②主要实验步骤:让重锤从某一高度自由下落,用刻度尺测出高度h,用电子秒表测出时间t
③计算重力加速度的公式为g=
故答案为:1、①天平、测力计、丝线、金属小球②用天平测出金属小球质量m,将丝线穿过金属小球并用测力计测出小球的重力G③
2、实验二:①重锤、电子秒表、刻度尺
②让重锤从某一高度自由下落,用刻度尺测出高度h,用电子秒表测出时间t
③g=
宇航员在某一未知星球表面完成下面实验:如图所示,在固定的竖直光滑圆弧轨道内部的最低点,有一质量为m的小球(可视为质点),现给小球水平初速度v0,使小球在竖直平面内做圆周运动,测得小球在最高点和最低点时所受压力大小分别为F1、F2.然后他在携带的资料中发现这样的信息:在该星球赤道上有相距路程为L的A、B两位置,当某一时刻阳光垂直照射A处时,B处的阳光与星球表面成θ角.请你帮他完成如下计算:
(1)求出该星球表面的重力加速度;
(2)求出该星球的第一宇宙速度.
正确答案
(1)由题意根据合力提供向心力:
在最低点:F1-mg=m
在最高点:F2+mg=m
根据机械能守恒得:
mv02=
mv2+mg2r
解得g=
故星球表面的重力加速度为.
(2)根据A、B两点的日照情况可计算出该星球的半径R=
用v表示该星球的第一宇宙速度,有
mg=m
得v==
故星球的第一宇宙速度为.
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