(全國版)2019版高考物理一輪復(fù)習(xí) 第5章 天體運(yùn)動(dòng) 第19課時(shí) 萬有引力定律及其應(yīng)用學(xué)案
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1、 第19課時(shí) 萬有引力定律及其應(yīng)用 考點(diǎn)1 開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律 開普勒行星運(yùn)動(dòng)三大定律 [例1] (2013·江蘇高考)火星和木星沿各自的橢圓軌道繞太陽運(yùn)行,根據(jù)開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律可知( ) A.太陽位于木星運(yùn)行軌道的中心 B.火星和木星繞太陽運(yùn)行速度的大小始終相等 C.火星與木星公轉(zhuǎn)周期之比的平方等于它們軌道半長(zhǎng)軸之比的立方 D.相同時(shí)間內(nèi),火星與太陽連線掃過的面積等于木星與太陽連線掃過的面積 解析 本題考查開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律,意在考查考生對(duì)開普勒三大定律的理解。由于火星和木星在橢圓軌道上運(yùn)行,太陽位于橢圓軌道的一個(gè)焦點(diǎn)上,A錯(cuò)誤;由于火星和木星在不同的軌道
2、上運(yùn)行,且是橢圓軌道,速度大小變化,火星和木星的運(yùn)行速度大小不一定相等,B錯(cuò)誤;由開普勒第三定律可知,==k,得=,C正確;由于火星和木星在不同的軌道上,因此D錯(cuò)誤。 答案 C 在利用開普勒第三定律解題時(shí),應(yīng)注意=k中的k是一個(gè)與行星質(zhì)量無關(guān)的常量,但不是恒量。在不同的星系中,k值不相同,k值是由中心天體決定的。在以后的計(jì)算中,我們都把行星的軌道近似看成圓,把衛(wèi)星的運(yùn)行軌道也近似看成圓,這樣表達(dá)式=k中的R則是軌道圓的半徑。 1.(2016·全國卷Ⅲ)關(guān)于行星運(yùn)動(dòng)的規(guī)律,下列說法符合史實(shí)的是( ) A.開普勒在牛頓定律的基礎(chǔ)上,導(dǎo)出了行星運(yùn)動(dòng)的規(guī)律 B.開普勒在天文觀測(cè)數(shù)據(jù)
3、的基礎(chǔ)上,總結(jié)出了行星運(yùn)動(dòng)的規(guī)律 C.開普勒總結(jié)出了行星運(yùn)動(dòng)的規(guī)律,找出了行星按照這些規(guī)律運(yùn)動(dòng)的原因 D.開普勒總結(jié)出了行星運(yùn)動(dòng)的規(guī)律,發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律 答案 B 解析 開普勒在前人觀測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,總結(jié)出了行星運(yùn)動(dòng)的規(guī)律,與牛頓定律無聯(lián)系,A錯(cuò)誤、B正確;開普勒總結(jié)出了行星運(yùn)動(dòng)的規(guī)律,但沒有找出行星按照這些規(guī)律運(yùn)動(dòng)的原因,C錯(cuò)誤;牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律,D錯(cuò)誤。 2.(2017·全國卷Ⅱ)(多選)如圖,海王星繞太陽沿橢圓軌道運(yùn)動(dòng),P為近日點(diǎn),Q為遠(yuǎn)日點(diǎn),M、N為軌道短軸的兩個(gè)端點(diǎn),運(yùn)行的周期為T0。若只考慮海王星和太陽之間的相互作用,則海王星在從P經(jīng)M、Q到N的運(yùn)動(dòng)過程中( )
4、 A.從P到M所用的時(shí)間等于 B.從Q到N階段,機(jī)械能逐漸變大 C.從P到Q階段,速率逐漸變小 D.從M到N階段,萬有引力對(duì)它先做負(fù)功后做正功 答案 CD 解析 由開普勒第二定律可知,相等時(shí)間內(nèi),太陽與海王星連線掃過的面積都相等,A錯(cuò)誤;從Q到N階段,機(jī)械能守恒,B錯(cuò)誤;從P到Q階段,萬有引力做負(fù)功,動(dòng)能減小,速率逐漸變小,C正確;從M到N階段,萬有引力與速度的夾角先是鈍角后是銳角,即萬有引力對(duì)它先做負(fù)功后做正功,D正確。 3.(人教版必修2 P36·T4改編)地球的公轉(zhuǎn)軌道接近圓,但彗星的運(yùn)動(dòng)軌道則是一個(gè)非常扁的橢圓。天文學(xué)家哈雷曾經(jīng)在1682年跟蹤過一顆彗星,他算出這顆彗
5、星軌道的半長(zhǎng)軸等于地球公轉(zhuǎn)半徑的18倍,并預(yù)言這顆彗星將每隔一定時(shí)間就會(huì)出現(xiàn)。哈雷的預(yù)言得到證實(shí),該彗星被命名為哈雷彗星。哈雷彗星最近出現(xiàn)的時(shí)間是1986年,請(qǐng)你根據(jù)開普勒行星運(yùn)動(dòng)第三定律估算,該星下次飛經(jīng)地球是哪一年? 答案 2062年 解析 將地球的公轉(zhuǎn)軌道看成圓軌道,其周期T1=1年,半徑為r1;設(shè)哈雷彗星的周期為T2,軌道半長(zhǎng)軸為a2, 則根據(jù)開普勒第三定律=k,有:=。因?yàn)閍2=18r1,所以可知哈雷彗星的周期為T2=·≈76.4年,則下次為2062年。 考點(diǎn)2 萬有引力定律的理解和應(yīng)用 1.萬有引力定律 (1)內(nèi)容:自然界中任何兩個(gè)物體都相互吸引,引力的方向在
6、它們的連線上,引力的大小與兩物體的質(zhì)量m1和m2的乘積成正比,與它們之間距離r的平方成反比。 (2)表達(dá)式:F=G,其中G為引力常量,G=6.67×10-11 N·m2/kg2?!喛ㄎ牡显S第一個(gè)通過實(shí)驗(yàn)精確測(cè)量出G值。 (3)適用條件:嚴(yán)格地說,公式只適用于質(zhì)點(diǎn)間的相互作用,當(dāng)兩個(gè)物體間的距離遠(yuǎn)大于物體本身的大小時(shí),物體可視為質(zhì)點(diǎn)。質(zhì)量分布均勻的球體可視為質(zhì)點(diǎn),其中r是兩球心間的距離。對(duì)于一個(gè)質(zhì)量分布均勻的球體與球外一個(gè)質(zhì)點(diǎn)間的萬有引力,r為球心到質(zhì)點(diǎn)的距離。 2.萬有引力理論的主要成就:(1)發(fā)現(xiàn)未知天體,(2)計(jì)算天體質(zhì)量。 [例2] 理論上已經(jīng)證明:質(zhì)量分布均勻
7、的球殼對(duì)殼內(nèi)物體的萬有引力為零。現(xiàn)假設(shè)地球是一半徑為R、質(zhì)量分布均勻的實(shí)心球體,O為球心,以O(shè)為原點(diǎn)建立坐標(biāo)軸Ox,如圖所示。一個(gè)質(zhì)量一定的質(zhì)點(diǎn)(假設(shè)它能夠在地球內(nèi)部移動(dòng))在x軸上各位置受到的引力大小用F表示,則F隨x的變化關(guān)系圖正確的是( )
解析 根據(jù)題意,質(zhì)量分布均勻的球殼對(duì)殼內(nèi)物體的引力為零,當(dāng)質(zhì)點(diǎn)在地球的球內(nèi)離球心x處時(shí),受到地球的萬有引力即為半徑等于x的球體對(duì)質(zhì)點(diǎn)的萬有引力,所以F=G=Gx。當(dāng)質(zhì)點(diǎn)在地球球面或球面以外,離球心x處時(shí),受到地球的萬有引力,地球可以看成質(zhì)量集中于球心的質(zhì)點(diǎn),對(duì)質(zhì)點(diǎn)的萬有引力F=G。
當(dāng)x 8、以A正確。
答案 A
(1)在勻質(zhì)球?qū)拥目涨粌?nèi)任意位置處,質(zhì)點(diǎn)受到球殼萬有引力的合力為零。
(2)在勻質(zhì)球體內(nèi)部距球心r外,質(zhì)點(diǎn)受到的萬有引力就等于半徑為r的球體的引力。
(3)萬有引力定律的表達(dá)式F=G適用于計(jì)算質(zhì)點(diǎn)或勻質(zhì)球體間的萬有引力。當(dāng)物體間的作用力不符合萬有引力公式的適用條件時(shí),可以把物體分成若干部分,求出兩物體每部分之間的萬有引力,然后求它們的合力。這是“分割求和”的思想方法,此處的“和”是矢量和。
1.對(duì)于萬有引力定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式F=G,下列說法中正確的是( )
A.牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律, 并第一個(gè)通過實(shí)驗(yàn)精確測(cè)量出引力常量G的大小
B.r趨近于0時(shí),萬 9、有引力趨于無窮大
C.m1、m2受到的萬有引力總是大小相等
D.m1、m2受到的萬有引力總是大小相等,方向相反,是一對(duì)平衡力
答案 C
解析 牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律,卡文迪許第一個(gè)通過實(shí)驗(yàn)精確測(cè)量出引力常量G的大小,A錯(cuò)誤;萬有引力定律的表達(dá)式F=G,適用于兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)之間的計(jì)算。當(dāng)r→0時(shí),兩個(gè)物體都不能看成質(zhì)點(diǎn),上式不再成立,B錯(cuò)誤;兩個(gè)物體間的萬有引力是一對(duì)作用力與反作用力,它們總是大小相等,方向相反,作用在兩個(gè)物體上,C正確、D錯(cuò)誤。
2.(人教版必修2 P41·T3改編)兩艘輪船,質(zhì)量都是1.0×104 t,相距10 km它們之間的引力是多大,這個(gè)力與輪船所受重力的比值是多少? 10、(g取值為10 N/kg)
答案 6.67×10-5 N 6.67×10-13
解析 輪船之間的引力F=G=6.67×10-11
× N=6.67×10-5 N
輪船重力G=mg=1.0×108 N
引力與重力的比值=6.67×10-13。
3.如圖所示,在半徑為R的鉛球中挖出一個(gè)球形空穴,空穴直徑為R且與鉛球相切,并通過鉛球的球心。在未挖出空穴前鉛球質(zhì)量為M。求挖出空穴后的鉛球與距鉛球球心距離為d、質(zhì)量為m的小球(可視為質(zhì)點(diǎn))間的萬有引力。
答案
解析 可以用“補(bǔ)償法”進(jìn)行等效計(jì)算。設(shè)挖出空穴前鉛球與小球間的萬有引力為F1,挖出的球形實(shí)體質(zhì)量為M′,與小球間的萬有引力為 11、F2,鉛球剩余部分與小球間的萬有引力為F,則有F1=F+F2。設(shè)挖出空穴前鉛球的體積為V,挖出的球形實(shí)體體積為V′,則M′=M=M=,根據(jù)萬有引力定律可得F1=G,F(xiàn)2==G,故挖出空穴后的鉛球與小球間的萬有引力F=F1-F2=G-G=。
考點(diǎn)3 計(jì)算天體質(zhì)量與密度
1.萬有引力定律從動(dòng)力學(xué)角度解決了天體運(yùn)動(dòng)問題。天體運(yùn)動(dòng)遵循與地面上物體相同的動(dòng)力學(xué)規(guī)律。行星(或衛(wèi)星)的運(yùn)動(dòng)可視為勻速圓周運(yùn)動(dòng),由恒星對(duì)其行星(或行星對(duì)其衛(wèi)星)的萬有引力提供向心力。運(yùn)用萬有引力定
律不僅可以計(jì)算太陽和地球的質(zhì)量,還可以計(jì)算其他天體的質(zhì)量,根據(jù)不同的已知條件可以選用不同的公式計(jì)算中 12、心天體的質(zhì)量。
2.根據(jù)質(zhì)量與密度的關(guān)系M=ρ·πR3可知,在已知天體半徑R和天體質(zhì)量M的條件下,可以計(jì)算天體的密度。
3.下表列出了我們常見的計(jì)算天體質(zhì)量和密度的方法
[例3] (2013·大綱卷)“嫦娥一號(hào)”是我國首次發(fā)射的探月衛(wèi)星,它在距月球表面高度為200 km的圓形軌道上運(yùn)行,運(yùn)行周期為127 min。已知引力常量G=6.67×10-11 N·m2/kg2,月球半徑約為1.74×103 km。利用以上數(shù)據(jù)估算月球的質(zhì)量約為( )
A.8.1×1010 kg B.7.4×1013 kg
C.5.4×1019 kg D.7.4×1022 kg
解析 13、由G=m··r得M=,又r=R月+h,代入數(shù)據(jù)得月球質(zhì)量M≈7.4×1022 kg,D正確。
答案 D
1.天體半徑和衛(wèi)星的軌道半徑
通常把天體看成一個(gè)球體,天體的半徑指的是球體的半徑。衛(wèi)星的軌道半徑指的是衛(wèi)星圍繞天體做圓周運(yùn)動(dòng)的圓的半徑。衛(wèi)星的軌道半徑大于等于天體的半徑。
2.自轉(zhuǎn)周期和公轉(zhuǎn)周期
自轉(zhuǎn)周期是指天體繞自身某軸線運(yùn)動(dòng)一周所用的時(shí)間,公轉(zhuǎn)周期是指衛(wèi)星(或行星)繞中心天體做圓周運(yùn)動(dòng)一周所用的時(shí)間。自轉(zhuǎn)周期與公轉(zhuǎn)周期一般不相等。
(人教版必修2 P43·T3改編)經(jīng)測(cè)定月地距離為3.84×108 m,月球繞地球運(yùn)動(dòng)的周期為2.36×106 s,試計(jì)算地球質(zhì)量。(G 14、=6.67×10-11 N·m2/kg2)
答案 6.01×1024 kg
解析 月球與地球間的萬有引力提供月球繞地球運(yùn)動(dòng)的向心力
F=G,F(xiàn)=m2r
G=m2r,M地=≈6.01×1024 kg。
考點(diǎn)4 天體表面的重力加速度問題
1.物體的重力是地球?qū)ξ矬w萬有引力的一個(gè)分力
在地球表面上的物體所受的萬有引力F可以分解成物體所受的重力G和隨地球自轉(zhuǎn)而做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力F′,如圖所示。其中F=G,而F′=mω2r。除赤道和兩極點(diǎn)外,重力與萬有引力的大小、方向皆不同。
(1)物體在赤道上時(shí),F(xiàn)、G、F′三力同向,此時(shí)F′達(dá)最大值,重力達(dá)最小值,則:
Gmin= 15、F-F′=G-mω2R。
(2)物體在兩極的極點(diǎn)時(shí),F(xiàn)′=0,F(xiàn)=G,此時(shí)重力等于萬有引力,重力達(dá)到最大值,此最大值為Gmax=G。
2.不考慮地球自轉(zhuǎn)時(shí),重力等于萬有引力
(1)設(shè)在地球表面附近的重力加速度為g,則
mg=G,得g=。
(2)設(shè)在地球上空距離地面高度為h處的重力加速度為g′,則
mg′=,得g′=
所以=。
[例4] 設(shè)宇宙中某一小行星自轉(zhuǎn)較快,但仍可近似看成質(zhì)量分布均勻的球體,半徑為R。宇航員用彈簧測(cè)力計(jì)稱量一個(gè)相對(duì)自己靜止的小物體的重量,第一次在極點(diǎn)處,彈簧測(cè)力計(jì)的讀數(shù)為F1=F0;第二次在赤道處,彈簧測(cè)力計(jì)的讀數(shù)為F2=。假設(shè)第三次在赤道平面內(nèi)深度為 16、的隧道底部,示數(shù)為F3;第四次在距行星表面高度為R處繞行星做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的人造衛(wèi)星中,示數(shù)為F4。已知均勻球殼對(duì)殼內(nèi)物體的引力為零,則以下判斷正確的是( )
A.F3=、F4= B.F3=、F4=0
C.F3=、F4=0 D.F3=4F0、F4=
解析 設(shè)該行星的質(zhì)量為M,則質(zhì)量為m的物體在極點(diǎn)處受到的萬有引力:F1==F0。
在赤道處,彈簧測(cè)力計(jì)的讀數(shù)為F2=,則:
Fn2=F1-F2=F0=mω2·R。
由于球體的體積公式為:V=
所以半徑以內(nèi)的部分的質(zhì)量為:
M′=·M=M
物體在處受到的萬有引力:
F3′==F1=F0
物體需要的向心力:Fn3=mω2· 17、=mω2R=F0,
所以在赤道平面內(nèi)深度為的隧道底部,示數(shù)為:
F3=F3′-Fn3=F0-F0=F0。
第四次在距行星表面高度為R處繞行星做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的人造衛(wèi)星中時(shí),物體受到的萬有引力恰好提供向心力,所以彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)為0,故B正確。
答案 B
(1)F1和F2不同時(shí)需考慮行星的自轉(zhuǎn),F(xiàn)=mg,m不變,g不同。
(2)F2,F(xiàn)3不同是因R不同,g不同。
(3)F4和F1、F2、F3不同是其物體所受萬有引力全部提供向心力。
1.(多選)假如地球自轉(zhuǎn)速度增大,關(guān)于物體所受的重力,下列說法正確的是( )
A.放在赤道地面上物體的萬有引力不變
B.放在兩極地 18、面上的物體的重力不變
C.放在赤道地面上物體的重力減小
D.放在兩極地面上物體的重力增加
答案 ABC
解析 地球自轉(zhuǎn)角速度增大,物體受到的萬有引力不變,A正確;在兩極,物體受到的萬有引力等于其重力,則其重力不變,B正確、D錯(cuò)誤;而對(duì)于放在赤道地面上的物體,F(xiàn)萬=G重+mω2R,由于ω增大,則G重減小,C正確。
2.(2015·重慶高考)宇航員王亞平在“天宮1號(hào)”飛船內(nèi)進(jìn)行了我國首次太空授課,演示了一些完全失重狀態(tài)下的物理現(xiàn)象。若飛船質(zhì)量為m,距地面高度為h,地球質(zhì)量為M,半徑為R,引力常量為G,則飛船所在處的重力加速度大小為( )
A.0 B. C. D.
答案 B
19、解析 飛船受的萬有引力等于在該處所受的重力,即G
=mg,得g=,B正確。
3.(2015·海南高考)若在某行星和地球上相對(duì)于各自的水平地面附近相同的高度處、以相同的速率平拋一物體,它們?cè)谒椒较蜻\(yùn)動(dòng)的距離之比為2∶。已知該行星質(zhì)量約為地球的7倍,地球的半徑為R。由此可知,該行星的半徑約為( )
A.R B.R C.2R D.R
答案 C
解析 平拋運(yùn)動(dòng)在水平方向上做勻速直線運(yùn)動(dòng),即x=v0t,在豎直方向上做自由落體運(yùn)動(dòng),即h=gt2,所以x=v0,兩種情況下,拋出的速度相同,高度相同,所以==,根據(jù)公式G=mg可得g=,故==,解得R行=2R,故C正確。
1.(2 20、018·重慶永川中學(xué)月考)(多選)下列說法正確的是( )
A.關(guān)于公式=k中的常量k,它是一個(gè)與中心天體有關(guān)的常量
B.開普勒定律只適用于太陽系,對(duì)其他恒星系不適用
C.已知金星繞太陽公轉(zhuǎn)的周期小于地球繞太陽公轉(zhuǎn)的周期,則可判定金星到太陽的距離小于地球到太陽的距離
D.發(fā)現(xiàn)萬有引力定律和測(cè)出引力常量的科學(xué)家分別是開普勒、伽利略
答案 AC
解析 公式=k中的k是一個(gè)與中心天體有關(guān)的常量,A正確;開普勒定律不僅適用于太陽系,對(duì)其他恒星系也適用,B錯(cuò)誤;已知金星繞太陽公轉(zhuǎn)的周期小于地球繞太陽公轉(zhuǎn)的周期,由=k可知金星到太陽的距離小于地球到太陽的距離,C正確;發(fā)現(xiàn)萬有引力定律和測(cè)出引力 21、常量的科學(xué)家分別是牛頓和卡文迪許,D錯(cuò)誤。
2.(2017·西安模擬)(多選)歐洲航天局的第一枚月球探測(cè)器——“智能1號(hào)”環(huán)繞月球沿橢圓軌道運(yùn)動(dòng),用m表示它的質(zhì)量,h表示它近月點(diǎn)的高度,ω表示它在近月點(diǎn)的角速度,a表示它在近月點(diǎn)的加速度,R表示月球的半徑,g表示月球表面處的重力加速度。忽略其他星球?qū)Α爸悄?號(hào)”的影響,則它在近月點(diǎn)所受月球?qū)λ娜f有引力的大小等于( )
A.ma B.m
C.m(R+h)ω2 D.m
答案 AB
解析 “智能1號(hào)”在近月點(diǎn)所受月球?qū)λ娜f有引力,即為它所受的合力,由牛頓第二定律得F=ma,A正確;由萬有引力定律得F=G,又月球表面上,G=mg 22、,解得F=m,B正確;由于“智能1號(hào)”環(huán)繞月球沿橢圓軌道運(yùn)動(dòng),曲率圓半徑不是R+h,C、D錯(cuò)誤。
3.(2017·南通質(zhì)檢)“嫦娥一號(hào)”是我國首次發(fā)射的探月衛(wèi)星,它在距月球表面高度為h的圓形軌道上運(yùn)行,運(yùn)行周期為T。已知引力常量為G,月球的半徑為R。利用以上數(shù)據(jù)估算月球質(zhì)量的表達(dá)式為( )
A. B.
C. D.
答案 D
解析 “嫦娥一號(hào)”繞月球做勻速圓周運(yùn)動(dòng),由牛頓第二定律得G=m,解得月球的質(zhì)量為M=,D正確。
4.對(duì)于環(huán)繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星來說,它們繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)的周期會(huì)隨著軌道半徑的變化而變化,某同學(xué)根據(jù)測(cè)得的不同衛(wèi)星做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑r與周期T的關(guān)系作出如圖 23、所示圖象,則可求得地球質(zhì)量為(已知引力常量為G)( )
A. B. C. D.
答案 A
解析 由=m·r可得=,結(jié)合題圖圖線可得,=,故M=,A正確。
5.(2017·湖北黃岡中學(xué)???假定太陽系一顆質(zhì)量均勻、可看成球體的小行星開始時(shí)不自轉(zhuǎn),若該星球某時(shí)刻開始自轉(zhuǎn),角速度為ω時(shí),該星球表面的“赤道”上物體對(duì)星球的壓力減為原來的。已知引力常量為G,則該星球密度ρ為( )
A. B. C. D.
答案 C
解析 星球不自轉(zhuǎn)時(shí)萬有引力等于重力,即G=mg;自轉(zhuǎn)角速度為ω時(shí)F向=G-mg=mω2R,星球的密度ρ==,聯(lián)立解得ρ=,C正確。
6.一衛(wèi)星繞某一行星表面 24、附近做勻速圓周運(yùn)動(dòng),其線速度大小為v。假設(shè)宇航員在該行星表面上用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)量一質(zhì)量為m的物體重力,物體靜止時(shí),彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)為N。已知引力常量為G,則這顆行星的質(zhì)量為( )
A. B. C. D.
答案 B
解析 設(shè)行星的質(zhì)量為M、半徑為R,行星表面的重力加速度為g,衛(wèi)星的質(zhì)量為m′,由萬有引力提供向心力,得G=
m′;
在行星表面萬有引力等于重力,即G=m′g;
由已知條件N=mg得g=;
聯(lián)立以上三式可得R=,M=,故B正確。
7.(2017·文登模擬)如圖所示,“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)過時(shí)間t通過的 25、弧長(zhǎng)為l,該弧長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的圓心角為θ弧度。已知萬有引力常量為G,則月球的質(zhì)量是( )
A. B. C. D.
答案 C
解析 因?yàn)槊拷?jīng)過時(shí)間t通過的弧長(zhǎng)為l,故“嫦娥三號(hào)”的線速度為v=,角速度為ω=,“嫦娥三號(hào)”的運(yùn)行半徑為R==,則根據(jù)萬有引力提供向心力得:=,則月球的質(zhì)量M==,C正確。
8.(2017·商丘模擬)地質(zhì)勘探發(fā)現(xiàn)某地區(qū)表面的重力加速度發(fā)生了較大的變化,懷疑地下有空腔區(qū)域。進(jìn)一步探測(cè)發(fā)現(xiàn)在地面P點(diǎn)的正下方有一球形空腔區(qū)域儲(chǔ)藏有天然氣,如圖所示。假設(shè)該地區(qū)巖石均勻分布且密度為ρ,天然氣的密度遠(yuǎn)小于ρ,可忽略不計(jì)。如果沒有該空腔,地球表面正常的重力加速度大小為g; 26、由于空腔的存在,現(xiàn)測(cè)得P點(diǎn)處的重力加速度大小為kg(k<1)。已知引力常量為G,球形空腔的球心深度為d,則此球形空腔的體積是( )
A. B.
C. D.
答案 D
解析 分析可得如果將該球形空腔填滿密度為ρ的巖石,則地面質(zhì)量為m的物體的重力為mg,沒有填滿時(shí)重力是kmg,故空腔填滿后增加的引力為(1-k)mg;由萬有引力定律,有:(1-k)mg=G,解得:V=,D正確。
9.(2015·江蘇高考)過去幾千年來,人類對(duì)行星的認(rèn)識(shí)與研究?jī)H限于太陽系內(nèi),行星“51 peg b”的發(fā)現(xiàn)拉開了研究太陽系外行星的序幕?!?1 peg b”繞其中心恒星做勻速圓周運(yùn)動(dòng),周期約為4 27、天,軌道半徑約為地球繞太陽運(yùn)動(dòng)半徑的。該中心恒星與太陽的質(zhì)量比約為( )
A. B.1 C.5 D.10
答案 B
解析 行星繞中心恒星做勻速圓周運(yùn)動(dòng),萬有引力提供向心力,故有G=mr可得M=,則=3×2=3×2≈1,B正確。
10.(2017·安徽安慶統(tǒng)測(cè))“嫦娥四號(hào)”探測(cè)器由軌道器、返回器和著陸器等多個(gè)部分組成。探測(cè)器預(yù)計(jì)在2018年發(fā)射升空,自動(dòng)完成月面樣品采集,并從月球起飛,返回地球,帶回約2 kg月球樣品。某同學(xué)從網(wǎng)上得到地球和月球的半徑之比為4∶1、地球表面和月球表面的重力加速度之比為6∶1,則可判斷地球和月球的密度之比為( )
A.2∶3 B.3∶2 C. 28、4∶1 D.6∶1
答案 B
解析 在地球表面,重力等于萬有引力,故mg=G,解得M=,故密度ρ===,同理,月球的密度ρ0=,故地球和月球的密度之比==6×=,B正確。
11.(2017·河南商丘二模)(多選)“雪龍?zhí)枴蹦蠘O考察船在由我國駛向南極的過程中,經(jīng)過赤道時(shí)測(cè)得某物體的重力是G1;在南極附近測(cè)得該物體的重力為G2。已知地球自轉(zhuǎn)的周期為T,引力常量為G,假設(shè)地球可視為質(zhì)量分布均勻的球體,由此可知( )
A.地球的密度為
B.地球的密度為
C.當(dāng)?shù)厍虻淖赞D(zhuǎn)周期為 T時(shí),放在地球赤道地面上的物體不再對(duì)地面有壓力
D.當(dāng)?shù)厍虻淖赞D(zhuǎn)周期為 T時(shí),放在地球赤道地面上的物體不再對(duì) 29、地面有壓力
答案 BC
解析 在兩極物體受到的重力等于地球?qū)ζ涞囊Γ视蠫=G2①,在赤道引力與支持力的合力提供向心力,故有G-G1=mR②,地球的密度ρ==③,聯(lián)立以上三式解得ρ=,故A錯(cuò)誤、B正確;在赤道上萬有引力完全充當(dāng)向心力時(shí),放在地球赤道地面上的物體不再對(duì)地面有壓力,即G=mR,聯(lián)立①、②式解得T1=T,故C正確,D錯(cuò)誤。
12.(2017·貴州遵義中學(xué)模擬)(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,萬有引力常量為G。則下列說法正確的是( )
A.月球表面的重力加速度g月=
B.月球的平均密度ρ=
C 30、.月球的第一宇宙速度v=
D.月球的質(zhì)量M月=
答案 AB
解析 平拋運(yùn)動(dòng)的時(shí)間t=,再根據(jù)h=g月t2,得g月==,故A正確;在月球表面G=mg月,得M月==,月球的體積V月=,月球的平均密度ρ==,故B正確、D錯(cuò)誤;月球的第一宇宙速度v1== =,故C錯(cuò)誤。
13.(2017·寧夏銀川一中模擬)萬有引力定律揭示了天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律與地上物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律具有內(nèi)在的一致性。
(1)用彈簧測(cè)力計(jì)稱量一個(gè)相對(duì)于地球靜止的物體的重力,隨稱量位置的變化可能會(huì)有不同結(jié)果。已知地球質(zhì)量為M、自轉(zhuǎn)周期為T,引力常量為G。將地球視為半徑為R、質(zhì)量分布均勻的球體,不考慮空氣的影響。設(shè)在地球北極地面稱量時(shí),彈 31、簧測(cè)力計(jì)的讀數(shù)是F0。
①若在北極上空高出地面h處稱量,彈簧測(cè)力計(jì)讀數(shù)為F1,求比值的表達(dá)式,并就h=1.0%R的情形算出具體數(shù)值(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字);
②若在赤道表面稱量,彈簧測(cè)力計(jì)讀數(shù)為F2,求比值的表達(dá)式。
(2)設(shè)想地球繞太陽公轉(zhuǎn)的圓周軌道半徑為r、太陽半徑為RS和地球的半徑R三者均減小為現(xiàn)在的1.0%,而太陽和地球的密度均勻且不變。僅考慮太陽與地球之間的相互作用,以現(xiàn)實(shí)地球的1年為標(biāo)準(zhǔn),則“設(shè)想地球”的1年將變?yōu)槎嚅L(zhǎng)?
答案 (1)①= 0.98 ②=1-
(2)“設(shè)想地球”的1年與現(xiàn)實(shí)地球的1年時(shí)間相同
解析 (1)設(shè)物體的質(zhì)量為m,
①在北極地面F0=,在北極上空高出地面h處F1=,所以=,當(dāng)h=1.0%R時(shí),=≈0.98。
②在赤道表面,物體隨地球自轉(zhuǎn)做勻速圓周運(yùn)動(dòng),受到萬有引力和彈簧測(cè)力計(jì)的拉力,則有G-F2=mR,聯(lián)立F0=可得=1-。
(2)地球繞太陽做勻速圓周運(yùn)動(dòng),受到太陽的萬有引力。設(shè)太陽的質(zhì)量為MS,太陽的半徑為RS,太陽的密度為ρ,地球質(zhì)量為M,地球公轉(zhuǎn)周期為TE,則G=Mr,MS=ρ·πR,聯(lián)立解得TE==,其中,ρ為太陽的密度。由上式可知,地球公轉(zhuǎn)周期TE僅與太陽的密度、地球公轉(zhuǎn)軌道半徑和太陽半徑之比有關(guān),分析可得,“設(shè)想地球”的1年與現(xiàn)實(shí)地球的1年時(shí)間相同。
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