7.3万有引力理论的成就
一、选择题
1.地球半径为R,在距球心r处()有一同步卫星。另有一半径为2R的星球A,在距球心3r处也有一同步卫星它的周期是48h,那么A星球的平均密度与地球的平均密度之比为( )
A. B. C. D.
2.设地球表面重力加速度为g,地球半径为R,物体在距地面2R处,由于地球引力作用而受到的重力加速度为g1,则为( )
A.1 B.4 C. D.
3.2020年10月26日,“遥感三十号”07组卫星在西昌卫星发射中心成功发射。若该卫星绕地球做匀速圆周运动,其轨道半径为r,线速度大小v,地球半径为R,引力常量为G,则地球的平均密度为( )
A. B. C. D.
4.在物理学的发展过程中。许多物理学家的科学研究推动了人类文明进程,下列描述符合史实的是( )
A.伽利略通过“理想斜面实验”提出了能量的概念和能量守恒的思想
B.开普勒总结了行星运动的规律,并指出地球绕太阳运动是因为受到来自太阳的引力
C.卡文迪许在实验室里通过扭秤实验测出了引力常量G的数值
D.牛顿通过比较月球公转的向心加速度和地球赤道上物体随地球自转的向心加速度,对万有引力定律进行了“月地检验”
5.某行星的质量和半径分别约为地球的8倍和2倍,地球表面的重力加速度为g,则该行星表面的重力加速度约为
A.4g B.2g C.4g D.2g
6.卫星绕某一行星的运动轨道可近似看成是圆轨道,观察发现每经过时间t,卫星运动所通过的弧长为L,该弧长对应的圆心角为θ弧度,如图所示.已知万有引力常量为G,由此可计算出该行星的质量为( )
A.M= B.M= C. D.
7.2020年7月23日12时41分,中国首次火星探测任务“天问一号”探测器成功发射,目前“天问一号”火星探测器正在飞往火星的征途中。把火星和地球绕太阳运动的轨道视为圆周,已知地球和火星绕太阳运动的轨道半径之比,可以求得( )
A.地球和火星的质量之比
B.地球和火星绕太阳运动的周期之比
C.地球表面附近重力加速度大小和火星表面附近重力加速度大小之比
D.地球同步卫星距地球表面的高度和火星同步卫星距火星表面的高度之比
8.对于绕地球作匀速圆周运动的人造卫星,下列说法正确的是( )
A.轨道越高的卫星运行线速度越大
B.轨道越高的卫星周期越大
C.轨道越高的卫星角速度越大
D.以上说法都不对
9.2013年11月26日,中国探月工程副总指挥李本正在国防科工局举行的嫦娥三号任务首场发布会上宣布,我国首辆月球车——嫦娥三号月球探测器的巡视器全球征名活动结束,月球车得名“玉兔”号.图3是嫦娥三号巡视器和着陆器,月球半径为,月球表面处重力加速度为,地球和月球的半径之比为,表面重力加速度之比为,地球和月球的密度之比为( )
A. B. C. D.
10.据《世说新语》记载,晋明帝司马昭在回答“汝意谓长安与日孰远”时,一句“举目望日,不见长安”惊愕群臣。我们生活的2020年初的地球,需经8分13秒才能看见太阳的光芒,但我们离长安却隔了将近1111年。距研究者发现,地球与太阳的距离不断缩小,月球却在逐渐远去。下列说法正确的是
A.在2020初,地日距离约为150万千米
B.倘若月球彻底脱离了地球,则它受到地球对它的引力为0
C.与长安城中的人相比,我们的“一个月”在实际上应略长于他们的
D.与长安城中的人相比,我们的“一年”在实际上应略长于他们的
11.某宇航员到达一自转较慢的星球后,在星球表面用图示装置展开了研究。如图,长为L=5 m的轻绳一端固定于O点,另一端连接一小球(可视为质点),让小球在水平面内做圆周运动,绳和竖直方向成θ=37°角时,周期为T=π s。已知该星球半径为地球半径的5倍,地球表面重力加速度g=10 m/s2,该星球的质量和地球质量的比值为( )
A.10∶1 B.20∶1 C.30∶1 D.40∶1
12.2019年10月11日,中国火星探测器“火星一号”首次公开亮相,计划于2020年发射并实现对火星的环绕、着陆与巡视。已知火星的直径约为地球的53%,质量约为地球的11%,那么以下说法中正确的是( )
A.若再给出太阳与火星之间的距离,则可求出太阳的质量
B.探测器在火星表面所受重力约为在地球表面所受重力的20%
C.火星的第一宇宙速度大于地球的第一宇宙速度
D.只需测出探测器在火星表面的环绕周期即可估算出火星的平均密度
13.地球表面重力加速度为g,地球半径为R,引力常量为G,下式关于地球密度的估算式正确的是( )
A. B. C. D.
14.如图所示,a、b、c是环绕地球圆形轨道上运行的3颗人造卫星,它们的质量关系是ma=mb<mc,则( )
A.b、c的线速度大小相等,且大于a的线速度
B.b、c的周期相等,且小于a的周期
C.b、c的向心加速度大小相等,且小于a的向心加速度
D.b所需向心力最大
15.设地球自转周期为,质量为,引力常量为,假设地球可视为质量均匀分布的球体,半径为.同一物体在南极和赤道水平面上静止时所受到的支持力之比为( )
A. B.
C. D.
二、综合题
16.假设在半径为R的某天体上发射一颗该天体的卫星,若它贴近该天体的表面做匀速圆周运动的运行周期为T1,已知引力常量为G,则该天体的密度为________.若这颗卫星距该天体表面的高度为h,测得在该处做圆周运动的周期为T2,则该天体的密度又可表示为________.
17.2021年4月9日,“长征四号”乙遥四十九运载火箭在太原卫星发射中心点火升空,成功将“试验六号”03 星送入预定轨道,发射任务取得圆满成功。已知“试验六号”03 星在地球上空绕地球做匀速圆周运动,经过时间 t,卫星与地球地心的连线扫过的角度是α,那么“试验六号”03 星的环绕周期 T=____;已知“试验六号”03 星的轨道半径为r,引力常量为 G,则地球的质量可表示为 M=______。
18.已知地球半径为R,绕地球做匀速圆周运动的卫星的质量为m,速度为v,它到地心的距离为r,引力常量为G。则地球的质量M=______,地球密度的表达式为ρ=______。
19.若一均匀球形星体的密度为ρ,引力常量为G,则在该星体表面附近沿圆轨道绕其运动的卫星的周期是多少?
20.已知月球的质量为,半径是,引力常量,试求:
(1)月球表面的自由落体加速度为多大?
(2)根据月球表面与地球表面自由落体加速度的差别,分析宇航员在月球表面的行动会受到什么影响。
21.已知某星球的半径为R,宇航员站在距地面高度为h处,以初速度v0沿水平方向抛出,测得抛出点距落地点的距离为L,已知万有引力常量为G,则:
(1)求该星球的表面重力加速度;
(2)求该星球的第一宇宙速度。
参考答案
1.C
【详解】
由万有引力提供向心力,有
天体的质量
天体的体积
故天体密度
。
因为地球的同步卫星和星球A的同步卫星的轨道半径之比为,地球和星球A的半径比为,两同步卫星的周期之比为,所以A星球的平均密度与地球的平均密度之比为。
故选C。
2.D
【详解】
根据万有引力与重力的关系,在地球表面上
在距地面2R处
因此
故选D。
3.A
【详解】
由
可得地球的密度
故选A。
4.C
【详解】
A.伽利略通过理想斜面实验,提出了力不是维持物体运动的原因,而不是能量的概念和能量守恒的思想,故A错误;
B.开普勒总结了行星运动定律,并没有解释行星为什么这样运动;牛顿认为行星绕太阳运动是因为受到了太阳对它的引力,故B错误;
C.卡文迪许通过扭秤实验测出了引力常量,故C正确;
D.牛顿通过比较月球公转的向心加速度和地球表面重力加速度,对万有引力定律进行了“月地检验”,故D错误。
故选C。
5.B
【详解】
试题分析:物体在行星表面受到的万有引力等于它的重力,即:,解得:,
重力加速度之比:,则有:g行星=2g;故选B.
6.B
【详解】
由题意可以知道该卫星运动的线速度和角速度分别为
卫星绕行星做匀速圆周运动,它们直接的万有引力提供向心力,根据牛顿第二定律得
又因为
联立得
故选B。
7.B
【详解】
A.行星的质量与轨道半径无必然联系,所以已知地球和火星的轨道半径之比无法求得质量之比,故A错误;
B.设行星绕太阳运动的周期为T,轨道半径为r,则根据万有引力定律有
解得
所以已知地球和火星绕太阳运动的轨道半径之比可以求得地球和火星绕太阳运动的周期之比,故B正确;
C.质量为m的行星表面附近质量为m0的物体所受重力近似等于万有引力,即
解得行星表面附近重力加速度大小为
所以要想求得地球表面附近重力加速度大小和火星表面附近重力加速度大小之比,需要知道地球和火星的质量之比以及星球半径之比,故C错误;
D.设行星同步卫星的周期为T,距表面的高度为h,则
解得
所以已知地球和火星绕太阳运动的轨道半径之比无法求得地球同步卫星距地球表面的高度和火星同步卫星距火星表面的高度之比,故D错误。
故选B。
8.B
【解析】
根据万有引力提供向心力
可知随着高度的增加,周期增大,而加速度、线速度、角速度都在减小.故B正确;ACD错误;
故选B
9.B
【详解】
根据星球表面万有引力与重力相等有
可得星球质量
根据密度可得星球的密度
所以地球和月球的密度之比
故B正确,ACD错误。
故选B。
10.C
【详解】
A.由可得,地日距离约为
故A错误;
B.倘若月球彻底摆脱了地球,由万有引力定律可知,地球对它仍然有引力作用,故B错误;
C.由于月地距离增大,故月球的公转周期变长,故现在的一月应该长于过去,故C正确;
D.由于日地距离不断缩小,故地球的公转周期变短,因此现在的一年应该略短于过去,故D错误;
故选C。
11.D
【详解】
根据牛顿第二定律
根据黄金代换式
解得
D正确,ABC错误。
故选D。
12.D
【详解】
A.结合题目已知条件,若再给出太阳与火星之间的距离,仍然无法求出太阳质量,故A错误;
B.在星球表面运动的物体,万有引力近似等于重力。设探测器的质量为m,星球质量为M,半径为R,根据万有引力定律可得
解得
根据题意可知,火星直径约为地球的53%,质量约为地球的11%,则代入上式可求得
故由
可判断探测器在火星表面所受重力约为在地球表面所受重力的39%,故B错误;
C.根据万有引力定律可得
可解得
由于7.9km/s是探测器在地球表面附近的环绕速度,也是地球的第一宇宙速度,故可得
故C错误;
D.若测出探测器在火星表面的环绕周期T,则根据万有引力定律可得
又
联立求得火星球密度
故可估算出火星的平均密度,D正确;
故选D。
13.A
【详解】
地球表面,忽略地球自转,重力等于万有引力有
得
地球的密度
又
联立可得
故A正确,BCD错误。
故选A。
14.C
【详解】
人造卫星绕地球做匀速圆周运动,万有引力提供向心力,设卫星的质量为m、轨道半径为r、地球质量为M。
A. 根据:
得:
因为,所以,故A错误;
B.根据:
解得:
,
因为,所以,故B错误;
C. 根据:
解得:
因为,所以,故C正确;
D.根据:
因为,所以b所需向心力最小,故D错误。
15.A
【详解】
在赤道上: ,
可得:
①
在南极: ②
由①②式可得:
A. 与分析相符,故选项A符合题意
B. 与分析不相符,故选项B不符合题意
C. 与分析不相符,故选项C不符合题意
D. 与分析不相符,故选项D不符合题意
16.
【详解】
[1].根据万有引力提供向心力
得天体的质量
则天体的密度
[2].若这颗卫星距该天体的表面的高度为h,测得在该处做圆周运动的周期为T2,根据
天体的质量
.
则天体的密度
ρ′=.
17.
【详解】
[1]根据角速度的定义式可得
由
可得
[2]由万有引力提供向心力
可得
18.
【详解】
[1]由
解得
[2]根据
得
19.
【详解】
设星球的质量为M,半径为R,卫星的质量为m,运行周期为T,在该星体表面附近沿圆轨道绕其运动的卫星所需的向心力由星球对其的万有引力提供,则根据牛顿第二定律得
①
星球的密度
②
联立①②解得
20.(1);(2)见解析
【详解】
解:(1)由于
可得月球表面自由落体加速度
(2)由于月球表面重力加速度比地球表面重力加速度小很多,所以宇航员在月球表面行走感觉是轻飘飘的。
21.(1) ;(2)
【详解】
(1)小球做平抛运动,在竖直方向上做自由落体运动,有
水平方向上做匀速直线运动,有
解得星球的表面重力加速度
(2)重力提供向心力,故有
该星球的第一宇宙速度为