《2018-2019學(xué)年高中物理 第六章 萬(wàn)有引力與航天 4 萬(wàn)有引力理論的成就學(xué)案 新人教版必修2.doc》由會(huì)員分享,可在線閱讀,更多相關(guān)《2018-2019學(xué)年高中物理 第六章 萬(wàn)有引力與航天 4 萬(wàn)有引力理論的成就學(xué)案 新人教版必修2.doc(22頁(yè)珍藏版)》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。
4 萬(wàn)有引力理論的成就
[學(xué)習(xí)目標(biāo)] 1.了解萬(wàn)有引力定律在天文學(xué)上的重要應(yīng)用.2.了解“稱(chēng)量地球質(zhì)量”“計(jì)算太陽(yáng)質(zhì)量”的基本思路,會(huì)用萬(wàn)有引力定律計(jì)算天體的質(zhì)量.3.理解運(yùn)用萬(wàn)有引力定律處理天體運(yùn)動(dòng)問(wèn)題的思路和方法.
一、計(jì)算天體的質(zhì)量
1.稱(chēng)量地球的質(zhì)量
(1)思路:地球表面的物體,若不考慮地球自轉(zhuǎn),物體的重力等于地球?qū)ξ矬w的萬(wàn)有引力.
(2)關(guān)系式:mg=G.
(3)結(jié)果:M=,只要知道g、R、G的值,就可計(jì)算出地球的質(zhì)量.
2.太陽(yáng)質(zhì)量的計(jì)算
(1)思路:質(zhì)量為m的行星繞太陽(yáng)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí),行星與太陽(yáng)間的萬(wàn)有引力充當(dāng)向心力.
(2)關(guān)系式:=mr.
(3)結(jié)論:M=,只要知道行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的周期T和半徑r就可以計(jì)算出太陽(yáng)的質(zhì)量.
(4)推廣:若已知衛(wèi)星繞行星運(yùn)動(dòng)的周期T和衛(wèi)星與行星之間的距離r,可計(jì)算行星的質(zhì)量M.
二、發(fā)現(xiàn)未知天體
1.海王星的發(fā)現(xiàn):英國(guó)劍橋大學(xué)的學(xué)生亞當(dāng)斯和法國(guó)年輕的天文學(xué)家勒維耶根據(jù)天王星的觀測(cè)資料,利用萬(wàn)有引力定律計(jì)算出天王星外“新”行星的軌道.1846年9月23日,德國(guó)的伽勒在勒維耶預(yù)言的位置附近發(fā)現(xiàn)了這顆行星——海王星.
2.其他天體的發(fā)現(xiàn):近100年來(lái),人們?cè)诤M跣堑能壍乐庥职l(fā)現(xiàn)了冥王星、鬩神星等幾個(gè)較大的天體.
1.判斷下列說(shuō)法的正誤.
(1)地球表面的物體的重力必然等于地球?qū)λ娜f(wàn)有引力.( )
(2)若只知道某行星的自轉(zhuǎn)周期和行星繞太陽(yáng)做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑,則可以求出太陽(yáng)的質(zhì)量.( )
(3)已知地球繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)的周期和軌道半徑,可以求出地球的質(zhì)量.( )
(4)海王星是依據(jù)萬(wàn)有引力定律計(jì)算的軌道而發(fā)現(xiàn)的.( √ )
(5)牛頓根據(jù)萬(wàn)有引力定律計(jì)算出了海王星的軌道.( )
(6)海王星的發(fā)現(xiàn)表明了萬(wàn)有引力理論在太陽(yáng)系內(nèi)的正確性.( √ )
2.已知引力常量G=6.6710-11Nm2/kg2,重力加速度g=9.8 m/s2,地球半徑R=6.4106m,則可知地球的質(zhì)量約為( )
A.21018kg B.21020kg
C.61022kg D.61024kg
答案 D
【考點(diǎn)】計(jì)算天體的質(zhì)量
【題點(diǎn)】已知重力加速度求質(zhì)量
一、天體質(zhì)量和密度的計(jì)算
1.卡文迪許在實(shí)驗(yàn)室測(cè)出了引力常量G的值,他稱(chēng)自己是“可以稱(chēng)量地球質(zhì)量的人”.
(1)他“稱(chēng)量”的依據(jù)是什么?
(2)若還已知地球表面重力加速度g,地球半徑R,求地球的質(zhì)量和密度.
答案 (1)若忽略地球自轉(zhuǎn)的影響,在地球表面上物體受到的重力等于地球?qū)ξ矬w的萬(wàn)有引力.
(2)由mg=G得,M=
ρ===.
2.如果知道地球繞太陽(yáng)的公轉(zhuǎn)周期T和它與太陽(yáng)的距離r,能求出太陽(yáng)的質(zhì)量嗎?若要求太陽(yáng)的密度,還需要哪些量?
答案 由=m地r知M太=,可以求出太陽(yáng)的質(zhì)量.由密度公式ρ=可知,若要求太陽(yáng)的密度還需要知道太陽(yáng)的半徑.
天體質(zhì)量和密度的計(jì)算方法
重力加速度法
環(huán)繞法
情景
已知天體(如地球)的半徑R和天體(如地球)表面的重力加速度g
行星或衛(wèi)星繞中心
天體做勻速圓周運(yùn)動(dòng)
思路
物體在表面的重力近似等于天體(如地球)與物體間的萬(wàn)有引力:mg=G
行星或衛(wèi)星受到的萬(wàn)有
引力充當(dāng)向心力:
G=m()2r
(G=m
或G=mω2r)
天體質(zhì)量
天體(如地球)質(zhì)量:
M=
中心天體質(zhì)量:
M=(M=
或M=)
天體密度
ρ==
ρ==(以T為例)
說(shuō)明
利用mg=求M是忽略了天體自轉(zhuǎn),且g為天體表面的重力加速度
由F引=F向求M,求得的是中心天體的質(zhì)量,而不是做圓周運(yùn)動(dòng)的天體質(zhì)量
例1 假設(shè)在半徑為R的某天體上發(fā)射一顆該天體的衛(wèi)星.若它貼近該天體的表面做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的周期為T(mén)1,已知引力常量為G,忽略該天體的自轉(zhuǎn).
(1)則該天體的密度是多少?
(2)若這顆衛(wèi)星距該天體表面的高度為h,測(cè)得衛(wèi)星在該處做圓周運(yùn)動(dòng)的周期為T(mén)2,則該天體的密度又是多少?
答案 (1) (2)
解析 設(shè)衛(wèi)星的質(zhì)量為m,天體的質(zhì)量為M.
(1)衛(wèi)星貼近天體表面運(yùn)動(dòng)時(shí)有G=mR,M=
根據(jù)幾何知識(shí)可知天體的體積為V=πR3
故該天體的密度為ρ===.
(2)衛(wèi)星距天體表面的高度為h時(shí),忽略自轉(zhuǎn)有
G=m(R+h)
M=
ρ===
【考點(diǎn)】天體密度的計(jì)算
【題點(diǎn)】已知周期、半徑求密度
求解天體質(zhì)量和密度時(shí)的兩種常見(jiàn)錯(cuò)誤
1.根據(jù)軌道半徑r和運(yùn)行周期T,求得M=是中心天體的質(zhì)量,而不是行星(或衛(wèi)星)的質(zhì)量.
2.混淆或亂用天體半徑與軌道半徑,為了正確并清楚地運(yùn)用,應(yīng)一開(kāi)始就養(yǎng)成良好的習(xí)慣,比如通常情況下天體半徑用R表示,軌道半徑用r表示,這樣就可以避免如ρ=誤約分;只有衛(wèi)星在天體表面做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí),如近地衛(wèi)星,軌道半徑r才可以認(rèn)為等于天體半徑R.
針對(duì)訓(xùn)練1 過(guò)去幾千年來(lái),人類(lèi)對(duì)行星的認(rèn)識(shí)與研究?jī)H限于太陽(yáng)系內(nèi),行星“51pegb”的發(fā)現(xiàn)拉開(kāi)了研究太陽(yáng)系外行星的序幕.“51pegb”繞其中心恒星做勻速圓周運(yùn)動(dòng),周期約為4天,軌道半徑約為地球繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)半徑的.該中心恒星與太陽(yáng)的質(zhì)量的比值約為( )
A.B.1C.5D.10
答案 B
解析 由G=mr得M∝
已知=,=,則=()3()2≈1,B項(xiàng)正確.
【考點(diǎn)】計(jì)算天體的質(zhì)量
【題點(diǎn)】已知周期、半徑求質(zhì)量
例2 有一星球的密度與地球相同,但它表面處的重力加速度是地球表面重力加速度的4倍,求:
(1)星球半徑與地球半徑之比;
(2)星球質(zhì)量與地球質(zhì)量之比.
答案 (1)4∶1 (2)64∶1
解析 (1)由=mg得M=,所以ρ===,R=,===4.
(2)由(1)可知該星球半徑是地球半徑的4倍.根據(jù)M=得==64.
【考點(diǎn)】計(jì)算天體的質(zhì)量
【題點(diǎn)】已知重力加速度求質(zhì)量
二、天體運(yùn)動(dòng)的分析與計(jì)算
1.基本思路:一般行星(或衛(wèi)星)的運(yùn)動(dòng)可看做勻速圓周運(yùn)動(dòng),所需向心力由中心天體對(duì)它的萬(wàn)有引力提供,即F引=F向.
2.常用關(guān)系:
(1)G=man=m=mω2r=mr.
(2)忽略自轉(zhuǎn)時(shí),mg=G(物體在天體表面時(shí)受到的萬(wàn)有引力等于物體重力),整理可得:gR2=GM,該公式通常被稱(chēng)為“黃金代換式”.
3.天體運(yùn)動(dòng)的物理量與軌道半徑的關(guān)系
(1)由G=m得v=,r越大,v越小.
(2)由G=mω2r得ω=,r越大,ω越小.
(3)由G=m2r得T=2π,r越大,T越大.
(4)由G=man得an=,r越大,an越小.
例3 2009年2月11日,俄羅斯的“宇宙-2251”衛(wèi)星和美國(guó)的“銥-33”衛(wèi)星在西伯利亞上空約805km處發(fā)生碰撞,這是歷史上首次發(fā)生的完整在軌衛(wèi)星碰撞事件.碰撞過(guò)程中產(chǎn)生的大量碎片可能會(huì)影響太空環(huán)境.假定有甲、乙兩塊碎片繞地球運(yùn)動(dòng)的軌道都是圓,甲的運(yùn)行速率比乙的大,則下列說(shuō)法中正確的是( )
A.甲的運(yùn)行周期一定比乙的長(zhǎng)
B.甲距地面的高度一定比乙的高
C.甲的向心力一定比乙的小
D.甲的向心加速度一定比乙的大
答案 D
解析 甲的運(yùn)行速率大,由G=m,得v=,由此可知,甲碎片的軌道半徑小,故B錯(cuò);由G=mr,得T=,可知甲的周期小,故A錯(cuò);由于未知兩碎片的質(zhì)量,無(wú)法判斷向心力的大小,故C錯(cuò);由=man得an=,可知甲的向心加速度比乙的大,故D對(duì).
【考點(diǎn)】人造衛(wèi)星各物理量與半徑的關(guān)系
【題點(diǎn)】人造衛(wèi)星各物理量與半徑的關(guān)系
針對(duì)訓(xùn)練2 如圖1所示,a、b是兩顆繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的人造衛(wèi)星,它們距地面的高度分別是R和2R(R為地球半徑).下列說(shuō)法中正確的是( )
圖1
A.a、b的線速度大小之比是∶1
B.a、b的周期之比是1∶2
C.a、b的角速度大小之比是3∶4
D.a、b的向心加速度大小之比是9∶2
答案 C
解析 兩衛(wèi)星均做勻速圓周運(yùn)動(dòng),F(xiàn)萬(wàn)=F向.
由=m得,===,故A錯(cuò)誤.
由=mr2得==,故B錯(cuò)誤.
由=mrω2得==,故C正確.
由=man得==,故D錯(cuò)誤.
【考點(diǎn)】人造衛(wèi)星各物理量與半徑的關(guān)系
【題點(diǎn)】人造衛(wèi)星各物理量與半徑的關(guān)系
1.(天體質(zhì)量的估算)土星最大的衛(wèi)星叫“泰坦”(如圖2所示),每16天繞土星一周,其公轉(zhuǎn)軌道半徑約為1.2106km,已知引力常量G=6.6710-11Nm2/kg2,則土星的質(zhì)量約為( )
圖2
A.51017kg B.51026kg
C.71033kg D.41036kg
答案 B
解析 “泰坦”圍繞土星做勻速圓周運(yùn)動(dòng),萬(wàn)有引力提供向心力.G=mr,其中T=16243600s≈1.4106s
代入數(shù)據(jù)解得M≈51026kg.
【考點(diǎn)】計(jì)算天體的質(zhì)量
【題點(diǎn)】天體質(zhì)量的綜合問(wèn)題
2.(天體密度的計(jì)算)一艘宇宙飛船繞一個(gè)不知名的行星表面飛行,要測(cè)定該行星的密度,僅僅需要( )
A.測(cè)定飛船的運(yùn)行周期 B.測(cè)定飛船的環(huán)繞半徑
C.測(cè)定行星的體積 D.測(cè)定飛船的運(yùn)行速度
答案 A
解析 取飛船為研究對(duì)象,由G=mR及M=πR3ρ,知ρ=,故選A.
【考點(diǎn)】天體密度的計(jì)算
【題點(diǎn)】已知周期、半徑求密度
3.(衛(wèi)星各運(yùn)動(dòng)參量與軌道半徑的關(guān)系)我國(guó)高分系列衛(wèi)星的高分辨對(duì)地觀察能力不斷提高.2018年5月9日發(fā)射的“高分五號(hào)”軌道高度約為705km,之前已運(yùn)行的“高分四號(hào)”軌道高度約為36000km,它們都繞地球做圓周運(yùn)動(dòng).與“高分四號(hào)”相比,下列物理量中“高分五號(hào)”較小的是( )
A.周期 B.角速度
C.線速度 D.向心加速度
答案 A
解析 “高分五號(hào)”的運(yùn)動(dòng)半徑小于“高分四號(hào)”的運(yùn)動(dòng)半徑,即r五
ω四,故B錯(cuò);
v=∝,v五>v四,故C錯(cuò);
an=∝,an五>an四,故D錯(cuò).
【考點(diǎn)】天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析
【題點(diǎn)】應(yīng)用萬(wàn)有引力提供向心力分析天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律
4.(天體運(yùn)動(dòng)各參量的比較)如圖3所示,甲、乙兩顆衛(wèi)星以相同的軌道半徑分別繞質(zhì)量為M和2M的行星做勻速圓周運(yùn)動(dòng),下列說(shuō)法正確的是( )
圖3
A.甲的向心加速度比乙的小
B.甲的運(yùn)行周期比乙的小
C.甲的角速度比乙的大
D.甲的線速度比乙的大
答案 A
解析 甲、乙兩衛(wèi)星分別繞質(zhì)量為M和2M的行星做勻速圓周運(yùn)動(dòng),萬(wàn)有引力提供各自做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力.由牛頓第二定律G=man=mr=mω2r=m,可得an=,T=2π,ω=,v=.由已知條件可得a甲<a乙,T甲>T乙,ω甲<ω乙,v甲<v乙,故正確選項(xiàng)為A.
【考點(diǎn)】天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析
【題點(diǎn)】應(yīng)用萬(wàn)有引力提供向心力分析天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律
5.(天體運(yùn)動(dòng)的分析與計(jì)算)如圖4所示,A、B為地球周?chē)膬深w衛(wèi)星,它們離地面的高度分別為h1、h2,已知地球半徑為R,地球表面重力加速度為g,求:
圖4
(1)A的線速度大小v1;
(2)A、B的角速度大小之比ω1∶ω2.
答案 (1) (2)
解析 (1)設(shè)地球質(zhì)量為M,A衛(wèi)星質(zhì)量為m1,
由萬(wàn)有引力提供向心力,對(duì)A有:=m1①
在地球表面對(duì)質(zhì)量為m′的物體有:m′g=G②
由①②得v1=
(2)由G=mω2(R+h)得,ω=
所以A、B的角速度大小之比=.
【考點(diǎn)】天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析
【題點(diǎn)】應(yīng)用萬(wàn)有引力提供向心力分析天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律
一、選擇題
考點(diǎn)一 天體質(zhì)量和密度的計(jì)算
1.已知引力常量G、月球中心到地球中心的距離R和月球繞地球運(yùn)行的周期T,僅利用這三個(gè)數(shù)據(jù),可以估算出的物理量有( )
A.月球的質(zhì)量 B.地球的質(zhì)量
C.地球的半徑 D.地球的密度
答案 B
解析 由天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律知G=mR可得,地球質(zhì)量M=,由于不知地球的半徑,無(wú)法求地球的密度,故選項(xiàng)B正確.
【考點(diǎn)】計(jì)算天體的質(zhì)量
【題點(diǎn)】已知周期、半徑求質(zhì)量
2.若地球繞太陽(yáng)的公轉(zhuǎn)周期及公轉(zhuǎn)軌道半徑分別為T(mén)和R,月球繞地球的公轉(zhuǎn)周期和公轉(zhuǎn)軌道半徑分別為t和r,則太陽(yáng)質(zhì)量與地球質(zhì)量之比為( )
A. B.
C. D.
答案 A
解析 由萬(wàn)有引力提供向心力得=m,即M∝,所以=.
【考點(diǎn)】計(jì)算天體的質(zhì)量
【題點(diǎn)】已知周期、半徑求質(zhì)量
3.如圖1所示是美國(guó)的“卡西尼”號(hào)探測(cè)器經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)7年的“艱苦”旅行,進(jìn)入繞土星飛行的軌道.若“卡西尼”號(hào)探測(cè)器在半徑為R的土星上空離土星表面高h(yuǎn)的圓形軌道上繞土星飛行,環(huán)繞n周飛行時(shí)間為t,已知引力常量為G,則下列關(guān)于土星質(zhì)量M和平均密度ρ的表達(dá)式正確的是( )
圖1
A.M=,ρ=
B.M=,ρ=
C.M=,ρ=
D.M=,ρ=
答案 D
解析 設(shè)“卡西尼”號(hào)的質(zhì)量為m,它圍繞土星的中心做勻速圓周運(yùn)動(dòng),其向心力由萬(wàn)有引力提供,G=m(R+h)()2,其中T=,解得M=.又土星體積V=πR3,所以ρ==.
【考點(diǎn)】天體密度的計(jì)算
【題點(diǎn)】已知周期、半徑求密度
4.2015年7月23日,美國(guó)宇航局通過(guò)開(kāi)普勒太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了迄今“最接近另一個(gè)地球”的系外行星開(kāi)普勒-452b,開(kāi)普勒-452b圍繞一顆類(lèi)似太陽(yáng)的恒星做勻速圓周運(yùn)動(dòng),公轉(zhuǎn)周期約為385天(約3.3107s),軌道半徑約為1.51011m,已知引力常量G=6.6710-11Nm2/kg2,利用以上數(shù)據(jù)可以估算出類(lèi)似太陽(yáng)的恒星的質(zhì)量約為( )
A.1.81030kg B.1.81027kg
C.1.81024kg D.1.81021kg
答案 A
解析 根據(jù)萬(wàn)有引力充當(dāng)向心力,有G=mr,則中心天體的質(zhì)量M=≈ kg≈1.81030 kg,故A正確.
【考點(diǎn)】計(jì)算天體的質(zhì)量
【題點(diǎn)】已知周期、半徑求質(zhì)量
5.2018年2月,我國(guó)500m口徑射電望遠(yuǎn)鏡(天眼)發(fā)現(xiàn)毫秒脈沖星“J0318+0253”,其自轉(zhuǎn)周期T=5.19ms.假設(shè)星體為質(zhì)量均勻分布的球體,已知引力常量為6.6710-11Nm2/kg2.以周期T穩(wěn)定自轉(zhuǎn)的星體的密度最小值約為( )
A.5109 kg/m3 B.51012 kg/m3
C.51015 kg/m3 D.51018 kg/m3
答案 C
解析 脈沖星自轉(zhuǎn),邊緣物體m恰對(duì)星體無(wú)壓力時(shí)萬(wàn)有引力提供向心力,則有G=mr,
又知M=ρπr3
整理得密度ρ==kg/m3≈51015 kg/m3.
【考點(diǎn)】天體密度的計(jì)算
【題點(diǎn)】已知周期、半徑求密度
6.已知地球半徑為R,地球質(zhì)量為m,太陽(yáng)與地球中心間距為r,地球表面的重力加速度為g,地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的周期為T(mén),則太陽(yáng)的質(zhì)量為( )
A. B.
C. D.
答案 B
解析 對(duì)地球繞太陽(yáng)的圓周運(yùn)動(dòng)有=mr
對(duì)地球表面的物體有m′g=
聯(lián)立兩式可得太陽(yáng)質(zhì)量M=,B正確.
考點(diǎn)二 天體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律
7.(多選)如圖2所示,飛船從軌道1變軌至軌道2.若飛船在兩軌道上都做勻速圓周運(yùn)動(dòng),不考慮質(zhì)量變化,相對(duì)于在軌道1上,飛船在軌道2上的( )
圖2
A.速度大 B.向心加速度大
C.運(yùn)行周期長(zhǎng) D.角速度小
答案 CD
解析 飛船繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng),萬(wàn)有引力提供向心力,即F引=Fn,
所以G=man===mrω2,
即an=,v=,T=,ω=.
因?yàn)閞1v2,an1>an2,T1ω2,選項(xiàng)C、D正確.
【考點(diǎn)】人造衛(wèi)星各物理量與半徑的關(guān)系
【題點(diǎn)】人造衛(wèi)星各物理量與半徑的關(guān)系
8.a、b、c、d是在地球大氣層外的圓形軌道上運(yùn)行的四顆人造衛(wèi)星.其中a、c的軌道相交于P,b、d在同一個(gè)圓軌道上,b、c軌道在同一平面上.某時(shí)刻四顆衛(wèi)星的運(yùn)行方向及位置如圖3所示,下列說(shuō)法中正確的是( )
圖3
A.a、c的加速度大小相等,且大于b的加速度
B.b、c的角速度大小相等,且小于a的角速度
C.a、c的線速度大小相等,且小于d的線速度
D.a、c存在在P點(diǎn)相撞的危險(xiǎn)
答案 A
解析 由G=m=mω2r=mr=man可知,選項(xiàng)B、C錯(cuò)誤,A正確;因a、c軌道半徑相同,周期相同,由題圖可知當(dāng)C運(yùn)動(dòng)到P點(diǎn)不相撞,以后就不可能相撞了,選項(xiàng)D錯(cuò)誤.
【考點(diǎn)】人造衛(wèi)星各物理量與半徑的關(guān)系
【題點(diǎn)】人造衛(wèi)星各物理量與半徑的關(guān)系
9.伽利略用他自制的望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了圍繞木星的四顆衛(wèi)星,假定四顆衛(wèi)星均繞木星做勻速圓周運(yùn)動(dòng),它們的轉(zhuǎn)動(dòng)周期如表所示,關(guān)于這四顆衛(wèi)星,下列說(shuō)法中正確的是( )
名稱(chēng)
周期/天
木衛(wèi)一
1.77
木衛(wèi)二
3.65
木衛(wèi)三
7.16
木衛(wèi)四
16.7
A.木衛(wèi)一角速度最小
B.木衛(wèi)四線速度最大
C.木衛(wèi)四軌道半徑最大
D.木衛(wèi)一受到的木星的萬(wàn)有引力最大
答案 C
10.(多選)地球半徑為R0,地面重力加速度為g,若衛(wèi)星在距地面R0處做勻速圓周運(yùn)動(dòng),則( )
A.衛(wèi)星的線速度為
B.衛(wèi)星的角速度為
C.衛(wèi)星的加速度為
D.衛(wèi)星的加速度為
答案 ABD
解析 由=man=m=mω2(2R0)及GM=gR,可得衛(wèi)星的向心加速度an=,角速度ω=,線速度v=,所以A、B、D正確,C錯(cuò)誤.
【考點(diǎn)】天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析
【題點(diǎn)】應(yīng)用重力等于萬(wàn)有引力分析天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律
11.兩顆行星A和B各有一顆衛(wèi)星a和b,衛(wèi)星軌道接近各自行星的表面,如果兩行星的質(zhì)量之比為=p,兩行星的半徑之比為=q,則兩個(gè)衛(wèi)星的周期之比為( )
A. B.q
C.p D.q
答案 D
解析 衛(wèi)星做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí),萬(wàn)有引力提供做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力,則有:G=mR()2,得T=,解得:=q,故D正確,A、B、C錯(cuò)誤.
【考點(diǎn)】天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析
【題點(diǎn)】應(yīng)用萬(wàn)有引力提供向心力分析天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律
二、非選擇題
12.(天體質(zhì)量、密度的計(jì)算)若宇航員登上月球后,在月球表面做了一個(gè)實(shí)驗(yàn):將一片羽毛和一個(gè)鐵錘從同一高度由靜止同時(shí)釋放,二者幾乎同時(shí)落地.若羽毛和鐵錘是從高度為h處下落,經(jīng)時(shí)間t落到月球表面.已知引力常量為G,月球的半徑為R.求:(不考慮月球自轉(zhuǎn)的影響)
(1)月球表面的自由落體加速度大小g月.
(2)月球的質(zhì)量M.
(3)月球的密度ρ.
答案 (1) (2) (3)
解析 (1)月球表面附近的物體做自由落體運(yùn)動(dòng)h=g月t2,月球表面自由落體的加速度大小g月=.
(2)因不考慮月球自轉(zhuǎn)的影響,則有G=mg月,月球的質(zhì)量M=.
(3)月球的密度ρ===.
【考點(diǎn)】萬(wàn)有引力定律和力學(xué)其他問(wèn)題的綜合應(yīng)用
【題點(diǎn)】重力加速度和拋體運(yùn)動(dòng)的綜合問(wèn)題
13.(天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律)我國(guó)在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用“長(zhǎng)征二號(hào)丁”運(yùn)載火箭,將“高分一號(hào)”衛(wèi)星發(fā)射升空,衛(wèi)星順利進(jìn)入預(yù)定軌道,這是我國(guó)重大科技專(zhuān)項(xiàng)高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)的首發(fā)星.設(shè)“高分一號(hào)”軌道的離地高度為h,地球半徑為R,地面重力加速度為g,求“高分一號(hào)”在時(shí)間t內(nèi),繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)多少圈?(忽略地球的自轉(zhuǎn))
答案
解析 在地球表面的物體m′g=
“高分一號(hào)”在軌道上=m(R+h)
所以T=2π=2π
故n==.
【考點(diǎn)】天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析
【題點(diǎn)】應(yīng)用萬(wàn)有引力提供向心力分析天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律
一、選擇題
考點(diǎn)一 天體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律
1.把太陽(yáng)系各行星的運(yùn)動(dòng)近似看成勻速圓周運(yùn)動(dòng),則離太陽(yáng)越遠(yuǎn)的行星( )
A.周期越大 B.線速度越大
C.角速度越大 D.向心加速度越大
答案 A
解析 行星繞太陽(yáng)做勻速圓周運(yùn)動(dòng),所需的向心力由太陽(yáng)對(duì)行星的引力提供,由G=m得v=,可知r越大,線速度越小,B錯(cuò)誤.由G=mω2r得ω=,可知r越大,角速度越小,C錯(cuò)誤.由=k知,r越大,周期越大,A對(duì).由G=man得an=,可知r越大,向心加速度越小,D錯(cuò)誤.
【考點(diǎn)】天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析
【題點(diǎn)】應(yīng)用萬(wàn)有引力提供向心力分析天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律
2.據(jù)報(bào)道,“嫦娥一號(hào)”和“嫦娥二號(hào)”繞月飛行的圓形工作軌道距月球表面分別約為200km和100km,運(yùn)行速率分別為v1和v2.那么,v1和v2的比值為(月球半徑取1700km)( )
A. B.
C. D.
答案 C
解析 根據(jù)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的向心力由萬(wàn)有引力提供,有G=m,那么衛(wèi)星的線速度跟其軌道半徑的平方根成反比,則有==.
【考點(diǎn)】人造衛(wèi)星各物理量與半徑的關(guān)系
【題點(diǎn)】人造衛(wèi)星的線速度與半徑的關(guān)系
3.(多選)火星直徑約為地球直徑的一半,質(zhì)量約為地球質(zhì)量的十分之一,它繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的軌道半徑約為地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的軌道半徑的1.5倍.根據(jù)以上數(shù)據(jù),下列說(shuō)法中正確的是( )
A.火星表面重力加速度的數(shù)值比地球表面的小
B.火星公轉(zhuǎn)的周期比地球的長(zhǎng)
C.火星公轉(zhuǎn)的線速度比地球的大
D.火星公轉(zhuǎn)的向心加速度比地球的大
答案 AB
解析 由G=m′g得g=G,計(jì)算得A對(duì);由G=m()2r得T=2π,計(jì)算得B對(duì);周期長(zhǎng)的線速度小(或由v=判斷軌道半徑大的線速度小),C錯(cuò);公轉(zhuǎn)的向心加速度an=G,計(jì)算得D錯(cuò).
【考點(diǎn)】天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析
【題點(diǎn)】應(yīng)用萬(wàn)有引力提供向心力分析天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律
4.(多選)土星外層有一個(gè)環(huán),為了判斷它是土星的一部分還是土星的衛(wèi)星群,可以測(cè)量環(huán)中各層的線速度v與該層到土星中心的距離R之間的關(guān)系,則下列判斷正確的是( )
A.若v2∝R,則該層是土星的衛(wèi)星群
B.若v∝R,則該層是土星的一部分
C.若v∝,則該層是土星的一部分
D.若v2∝,則該層是土星的衛(wèi)星群
答案 BD
解析 若外層的環(huán)為土星的一部分,則它們各部分轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度ω相等,由v=ωR知v∝R,B正確,C錯(cuò)誤;若是土星的衛(wèi)星群,則由G=m,得v2∝,故A錯(cuò)誤,D正確.
【考點(diǎn)】天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析
【題點(diǎn)】應(yīng)用萬(wàn)有引力提供向心力分析天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律
5.(多選)如圖1所示,a、b、c是地球大氣層外圈圓形軌道上運(yùn)動(dòng)的三顆衛(wèi)星,a和b質(zhì)量相等,且小于c的質(zhì)量,則( )
圖1
A.b所需向心力最小
B.b、c的周期相同且大于a的周期
C.b、c的向心加速度大小相等,且大于a的向心加速度
D.b、c的線速度大小相等,且小于a的線速度
答案 ABD
解析 因衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的向心力是由它們所受的萬(wàn)有引力提供,由F向=知b所受的引力最小,故A對(duì).由=mrω2=mr()2得T=2π,即r越大,T越大,所以b、c的周期相等且大于a的周期,B對(duì).由=man,得an=,即an∝,所以b、c的向心加速度大小相等且小于a的向心加速度,C錯(cuò).由=,得v=,即v∝,所以b、c的線速度大小相等且小于a的線速度,D對(duì).
【考點(diǎn)】人造衛(wèi)星各物理量與半徑的關(guān)系
【題點(diǎn)】人造衛(wèi)星各物理量與半徑的關(guān)系
6.(多選)如圖2所示,2018年2月2日,我國(guó)成功將電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星“張衡一號(hào)”發(fā)射升空,標(biāo)志我國(guó)成為世界上少數(shù)擁有在軌運(yùn)行高精度地球物理場(chǎng)探測(cè)衛(wèi)星的國(guó)家之一.通過(guò)觀測(cè)可以得到衛(wèi)星繞地球運(yùn)動(dòng)的周期,并已知地球的半徑和地球表面處的重力加速度.若將衛(wèi)星繞地球的運(yùn)動(dòng)看做是勻速圓周運(yùn)動(dòng),且不考慮地球自轉(zhuǎn)的影響,根據(jù)以上數(shù)據(jù)可以計(jì)算出衛(wèi)星的( )
圖2
A.密度 B.向心力的大小
C.離地高度 D.線速度的大小
答案 CD
解析 設(shè)衛(wèi)星的周期為T(mén),軌道半徑為r,地球質(zhì)量和半徑分別為M、R,則在地球表面的物體:G=m′g,GM=gR2①
對(duì)衛(wèi)星:根據(jù)萬(wàn)有引力提供向心力,有
G=m2r②
聯(lián)立①②式可求軌道半徑r,而r=R+h,故可求得衛(wèi)星離地高度.
由v=rω=r,從而可求得衛(wèi)星的線速度.
衛(wèi)星的質(zhì)量未知,故衛(wèi)星的密度不能求出,萬(wàn)有引力即向心力Fn=G也不能求出.故選項(xiàng)C、D正確.
7.(多選)科學(xué)探測(cè)表明,月球上至少存在豐富的氧、硅、鋁、鐵等資源,設(shè)想人類(lèi)開(kāi)發(fā)月球,不斷把月球上的礦藏搬運(yùn)到地球上,假定經(jīng)長(zhǎng)期的開(kāi)采后月球與地球仍可看成均勻球體,月球仍沿開(kāi)采前的軌道運(yùn)動(dòng),則與開(kāi)采前相比(提示:a+b=常量,則當(dāng)a=b時(shí),ab乘積最大)( )
A.地球與月球間的萬(wàn)有引力將變大
B.地球與月球間的萬(wàn)有引力將變小
C.月球繞地球運(yùn)行的周期將變大
D.月球繞地球運(yùn)行的周期將變小
答案 BD
解析 萬(wàn)有引力公式F=中,G和r不變,因地球和月球的總質(zhì)量不變,當(dāng)M增大而m減小時(shí),兩者的乘積減小,萬(wàn)有引力減小,故選項(xiàng)A錯(cuò)誤,B正確;又=mr,T=,M增大,則T減小,故選項(xiàng)C錯(cuò)誤,D正確.
【考點(diǎn)】天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析
【題點(diǎn)】應(yīng)用萬(wàn)有引力提供向心力分析天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律
8.如圖3所示,甲、乙兩顆衛(wèi)星在同一平面上繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng),公轉(zhuǎn)方向相同.已知衛(wèi)星甲的公轉(zhuǎn)周期為T(mén),每經(jīng)過(guò)最短時(shí)間9T,衛(wèi)星乙都要運(yùn)動(dòng)到與衛(wèi)星甲在地球同一側(cè)且三者共線的位置上,則衛(wèi)星乙的公轉(zhuǎn)周期為( )
圖3
A.T B.T
C.T D.T
答案 A
解析 由題意得,
(-)t=2π①
t=9T②
聯(lián)立①②得T乙=T,選項(xiàng)A正確.
【考點(diǎn)】衛(wèi)星的“追趕”問(wèn)題
【題點(diǎn)】衛(wèi)星的“追趕”問(wèn)題
考點(diǎn)二 天體質(zhì)量和密度的計(jì)算
9.(多選)2016年10月19日凌晨,“神舟十一號(hào)”飛船與“天宮二號(hào)”成功實(shí)施自動(dòng)交會(huì)對(duì)接.如圖4所示,已知“神舟十一號(hào)”與“天宮二號(hào)”對(duì)接后,組合體在時(shí)間t內(nèi)沿圓周軌道繞地球轉(zhuǎn)過(guò)的角度為θ,組合體軌道半徑為r,地球表面重力加速度為g,引力常量為G,不考慮地球自轉(zhuǎn).則( )
圖4
A.可求出地球的質(zhì)量
B.可求出地球的平均密度
C.可求出組合體做圓周運(yùn)動(dòng)的線速度
D.可求出組合體受到的地球的萬(wàn)有引力
答案 ABC
解析 組合體在時(shí)間t內(nèi)沿圓周軌道繞地球轉(zhuǎn)過(guò)的角度為θ,則角速度ω=,萬(wàn)有引力提供組合體做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力,則=mω2r,所以M==①,A正確.不考慮地球的自轉(zhuǎn)時(shí),組合體在地球表面的重力等于地球?qū)M合體的萬(wàn)有引力,則mg=G,解得R=,地球的密度ρ===(),將①式代入即可求出平均密度,B正確.根據(jù)線速度與角速度的關(guān)系v=ωr可知v=,C正確.由于不知道組合體的質(zhì)量,所以不能求出組合體受到的萬(wàn)有引力,D錯(cuò)誤.
【考點(diǎn)】天體質(zhì)量和密度的計(jì)算
【題點(diǎn)】天體質(zhì)量和密度的計(jì)算
10.(多選)若宇航員在月球表面附近自高h(yuǎn)處以初速度v0水平拋出一個(gè)小球,測(cè)出小球的水平射程為L(zhǎng).已知月球半徑為R,引力常量為G.則下列說(shuō)法中正確的是( )
A.月球表面的重力加速度g月=
B.月球的質(zhì)量m月=
C.月球的自轉(zhuǎn)周期T=
D.月球的平均密度ρ=
答案 AB
解析 根據(jù)平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律,L=v0t,h=g月t2,聯(lián)立解得g月=,選項(xiàng)A正確;由mg月=G解得m月=,選項(xiàng)B正確;根據(jù)題目條件無(wú)法求出月球的自轉(zhuǎn)周期,選項(xiàng)C錯(cuò)誤;月球的平均密度ρ==,選項(xiàng)D錯(cuò)誤.
【考點(diǎn)】天體質(zhì)量和密度的計(jì)算
【題點(diǎn)】天體質(zhì)量和密度的計(jì)算
11.“嫦娥三號(hào)”的環(huán)月軌道可近似看成是圓軌道,觀察“嫦娥三號(hào)”在環(huán)月軌道上的運(yùn)動(dòng),發(fā)現(xiàn)每經(jīng)過(guò)時(shí)間t通過(guò)的弧長(zhǎng)為l,該弧長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的圓心角為θ(弧度),如圖5所示.已知引力常量為G,由此可推導(dǎo)出月球的質(zhì)量為( )
圖5
A. B.
C. D.
答案 A
解析 根據(jù)弧長(zhǎng)及對(duì)應(yīng)的圓心角,可得“嫦娥三號(hào)”的軌道半徑r=,根據(jù)轉(zhuǎn)過(guò)的角度和時(shí)間,可得ω=,由于月球?qū)Α版隙鹑?hào)”的萬(wàn)有引力提供“嫦娥三號(hào)”做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力,可得G=mω2r,由以上三式可得M=.
【考點(diǎn)】計(jì)算天體的質(zhì)量
【題點(diǎn)】天體質(zhì)量的綜合問(wèn)題
二、非選擇題
12.(物體的運(yùn)動(dòng)與萬(wàn)有引力的結(jié)合)宇航員在地球表面以一定初速度豎直上拋一小球,經(jīng)過(guò)時(shí)間t小球落回原處;若他在某星球表面以相同的初速度豎直上拋同一小球,需經(jīng)過(guò)時(shí)間5t小球落回原處.(取地球表面重力加速度g=10m/s2,空氣阻力不計(jì))
(1)求該星球表面附近的重力加速度g星的大??;
(2)已知該星球的半徑與地球半徑之比為=,求該星球的質(zhì)量與地球質(zhì)量之比.
答案 (1)2m/s2 (2)1∶80
解析 (1)在地球表面以一定的初速度v0豎直上拋一小球,經(jīng)過(guò)時(shí)間t小球落回原處,
根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)公式可知t=.
同理,在某星球表面以相同的初速度豎直上拋同一小球,經(jīng)過(guò)時(shí)間5t小球落回原處,則5t=
根據(jù)以上兩式,解得g星=g=2m/s2
(2)在天體表面時(shí),物體的重力近似等于萬(wàn)有引力,即
mg=,所以M=
由此可得,===.
【考點(diǎn)】萬(wàn)有引力定律和力學(xué)其他問(wèn)題的綜合應(yīng)用
【題點(diǎn)】重力加速度和拋體運(yùn)動(dòng)的綜合問(wèn)題
13.(天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析)某課外科技小組長(zhǎng)期進(jìn)行天文觀測(cè),發(fā)現(xiàn)某行星周?chē)斜姸嘈⌒l(wèi)星,這些小衛(wèi)星靠近行星且分布相當(dāng)均勻,經(jīng)查對(duì)相關(guān)資料,該行星的質(zhì)量為M.現(xiàn)假設(shè)所有衛(wèi)星繞該行星的運(yùn)動(dòng)都是勻速圓周運(yùn)動(dòng),已知引力常量為G.
(1)若測(cè)得離行星最近的一顆衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)軌道半徑為R1,忽略其他小衛(wèi)星對(duì)該衛(wèi)星的影響,求該衛(wèi)星的運(yùn)行速度v1為多大?
(2)在進(jìn)一步的觀測(cè)中,發(fā)現(xiàn)離行星很遠(yuǎn)處還有一顆衛(wèi)星,其運(yùn)動(dòng)軌道半徑為R2,周期為T(mén)2,試估算靠近行星周?chē)姸嘈⌒l(wèi)星的總質(zhì)量m衛(wèi)為多大?
答案 (1) (2)-M
解析 (1)設(shè)離行星最近的一顆衛(wèi)星的質(zhì)量為m1,
有G=m1,解得v1=.
(2)由于靠近行星周?chē)谋姸嘈l(wèi)星分布均勻,可以把行星及靠近行星的小衛(wèi)星看做一星體,其質(zhì)量中心在行星的中心,設(shè)離行星很遠(yuǎn)的衛(wèi)星質(zhì)量為m2,則有
G=m2R2
解得m衛(wèi)=-M.
【考點(diǎn)】天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析
【題點(diǎn)】應(yīng)用萬(wàn)有引力提供向心力分析天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律
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