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高考物理万有引力定律的应用的技巧及练习题及练习题(含答案)及解析
ω1△t-ω0△t=2π,
所以
t=
2 1 0
=
2 2 T
0
=
1 3
2
g 3R
0
;
3.木星的卫星之一叫艾奥,它上面的珞珈火山喷出的岩块初速度为 v0 时,上升的最大高 度可达 h.已知艾奥的半径为 R,引力常量为 G,忽略艾奥的自转及岩块运动过程中受到稀 薄气体的阻力,求:
(1)艾奥表面的重力加速度大小 g 和艾奥的质量 M; (2)距艾奥表面高度为 2R 处的重力加速度大小 g'; (3)艾奥的第一宇宙速度 v.
【答案】 r
3
R2gT 2 4 2
【解析】
【分析】
根据万有引力充当向心力即Biblioteka 求出轨道半径大小。【详解】
质量为 m 的北斗地球同步卫星绕地球做匀速圆周运动,根据牛顿第二定律有:
G
Mm r2
=m
4 2 T2
r
;
在地球表面: G
Mm1 R2
m1g
联立解得: r 3
GMT 2 4 2
3
R2gT 2 4 2
2hv02 R2 GL2
(3)根据万有引力公式 G
mM R2
=m
4 2 T2
R ;可得 M
4 2R3 GT 2
,
而星球密度 M ,V 4 R3
V
3
联立可得
3 GT 2
8.用弹簧秤可以称量一个相对于地球静止的小物体 m 所受的重力,称量结果随地理位置 的变化可能会有所不同。已知地球质量为 M,自转周期为 T,万有引力常量为 G.将地球 视为半径为 R、质量均匀分布的球体。 (1)求在地球北极地面称量时弹簧秤的读数 F0,及在北极上空高出地面 0.1R 处称量时弹 簧秤的读数 F1;
【答案】(1) T=6
【解析】
3R (2) g
t= 1
3
2
g 3R
0
【分析】
【详解】
(1)对卫星运用万有引力定律和牛顿运动定律可得
G
Mm
3R2
=m
4 2 T2
3R
地球表面的物体受到重力等于万有引力
mg=G
Mm R2
联立解得T=6 3R ; g
(2)以地面为参照物,卫星再次出现在建筑物上方时,建筑物随地球转过的弧度比卫星转 过弧度少 2π.
2.一颗在赤道平面内飞行的人造地球卫星,其轨道半径为 3R.已知 R 为地球半径,地球 表面处重力加速度为g. (1)求该卫星的运行周期. (2)若卫星在运动方向与地球自转方向相同,且卫星角速度大于地球自转的角速度 ω0.某时刻该卫星出现在赤道上某建筑物的正上方,问:至少经过多长时间,它会再一次 出现在该建筑物的正上方?
mg ,解得 g ' v02 18h
(3)某卫星在艾奥表面绕其做圆周运动时 mg
m
v2 R
,解得 v
v0
R 2h
【点睛】
在万有引力这一块,涉及的公式和物理量非常多,掌握公式
G
Mm r2
v2 m
r
m 2 r
m
4 2 T2
r
ma 在做题的时候,首先明确过程中的向心力,然后
弄清楚各个物理量表示的含义,最后选择合适的公式分析解题,另外这一块的计算量一是
对月球进行科学探测。宇航员在月球上着陆后,自高 h 处以初速度 v0 水平抛出小球,测量 出小球的水平射程为 L(这时月球表面可以看成是平坦的),已知月球半径为 R,万有引力常
量为 G。
(1)试求月球表面处的重力加速度 g.
(2)试求月球的质量 M
(3)字航员着陆后,发射了一颗绕月球表面做匀速圆周运动的卫星,周期为 T,试求月球的
由万有引力等于物体的重力得:mg=
G
Mm R2
所以该星球的质量为:M= gR2 = 2hR2/(Gt2); G
(4)设有一颗质量为 m 的近地卫星绕地球作匀速圆周运动,速率为 v,
由牛顿第二定律得:
G
Mm R2
m
v2 R
重力等于万有引力,即
mg=
G
Mm R2
,
解得该星球的第一宇宙速度为: v gR 2hR t
引力提供向心力,由牛顿第二定律得:
解得:
;
【点睛】 本题考查了万有引力定律的应用,知道地球表面的物体受到的重力等于万有引力,知道同 步卫星的周期等于地球自转周期、万有引力提供向心力是解题的前提,应用万有引力公式 与牛顿第二定律可以解题.
7.我国科学家正在研究设计返回式月球软着陆器,计划在 2030 年前后实现航天员登月,
(1)火星的质量;
(2)火星的第一宇宙速度;
(3)人造卫星的运行周期。
【答案】(1) g R2 (2) gR (3) 4 R2
G
g
【解析】
【详解】
GMm
(1)在火星表面,由万有引力等于重力得: R2 mg 得火星的质量 M g R2 ;
G
(2)火星的第一宇宙速度即为近火卫星的运行速度,根据 mg m v2
R 得 v gR ;
(3)人造卫星绕火星做匀速圆周运动,由万有引力提供向心力得
GMm
2
2R
m
2 T
2
2R
联立得T 4 R2 。 g
平均密度 ρ.
【答案】(1) g 2hv02 (2) M 2hv02R2
L2
GL2
(3)
3 GT 2
【解析】
【详解】
(1)根据题目可得小球做平抛运动,
水平位移: v0t=L
竖直位移:h= 1 gt2 2
联立可得:
g
2hv02 L2
(2)根据万有引力黄金代换式
G
mM R2
=mg
,
可得 M
gR2 G
Gm2 L2
m( 2 )2 L T
T 4 L3 5Gm
(2)三角形三星系统中星体受另外两个星体的引力作用,万有引力做向心力,对任一颗
L
星,满足:
2
Gm2 L2
cos 30
m( 2 ) cos 30
解得:= 3Gm L3
5.2018 年 11 月,我国成功发射第 41 颗北斗导航卫星,被称为“最强北斗”。这颗卫星是 地球同步卫星,其运行周期与地球的自转周期 T 相同。已知地球的 半径为 R,地球表面的 重力加速度为 g,求该卫星的轨道半径 r。
【答案】(1) 4
L3 (2) 5Gm
3Gm L3
【解析】
【分析】
(1)两侧的星由另外两个星的万有引力的合力提供向心力,列式求解周期;
(2)对于任意一个星体,由另外两个星体的万有引力的合力提供向心力,列式求解角速
度;
【详解】
(1)对两侧的任一颗星,其它两个星对它的万有引力的合力等于向心力,则:
Gm2 (2L)2
非常大的,所以需要细心计算
4.宇宙中存在一些离其他恒星较远的三星系统,通常可忽略其他星体对它们的引力作用, 三星质量也相同.现已观测到稳定的三星系统存在两种基本的构成形式:一种是三颗星位 于同一直线上,两颗星围绕中央星做囿周运动,如图甲所示;另一种是三颗星位于等边三 角形的三个顶点上,并沿外接于等边三角形的囿形轨道运行,如图乙所示.设这三个 星体 的质量均为 m,且两种系统中各星间的距离已在图甲、图乙中标出,引力常量为 G, 则: (1)直线三星系统中星体做囿周运动的周期为多少? (2)三角形三星系统中每颗星做囿周运动的角速度为多少?
(1)同步卫星离地面高度 h (2)地球的密度 ρ(已知引力常量为 G)
【答案】(1) 3
gR2T 2 4 2
R
(2) 3g 4 GR
【解析】
【分析】
【详解】
(1)设地球质量为 M,卫星质量为 m,地球同步卫星到地面的高度为 h,同步卫星所受万
有引力等于向心力为
G mM
4 2 R h
m
(R h)2
(2)求在赤道地面称量时弹簧秤的读数 F2; (3)事实上地球更接近一个椭球体,如图所示。如果把小物体放在北纬 40°的地球表面 上,请定性画出小物体的受力分析图,并画出合力。
【答案】(1)
F0
G
Mm R2
F1
R
GMm 0.1R
2
(2)
F2
G
Mm R2
m
4 2R T2
(3)
【解析】
【详解】
(1)在地球北极,不考虑地球自转,则弹簧秤称得的重力则为其万有引力,有:
【答案】(1) v0=x/t (2) g=2h/t2 (3) 2hR2/(Gt2) (4) 2hR t
【解析】
(1)小球做平抛运动,在水平方向:x=vt,
解得从抛出到落地时间为:v0=x/t
(2)小球做平抛运动时在竖直方向上有:h= 1 gt2, 2
解得该星球表面的重力加速度为:g=2h/t2;
(3)设地球的质量为 M,静止在地面上的物体质量为 m,
GmM F0 R2
GmM 在北极上空高处地面 0.1R 处弹簧秤的读数为: F1 (R 0.1R)2 ;
(2)在赤道地面上,重力向向心力之和等于万有引力,故称量时弹簧秤的读数为:
F2
GmM R2
4 2Rm T2
(3)如图所示
9.今年 6 月 13 日,我国首颗地球同步轨道高分辨率对地观测卫星高分四号正式投入使 用,这也是世界上地球同步轨道分辨率最高的对地观测卫星.如图所示,A 是地球的同步 卫星,已知地球半径为 R,地球自转的周期为 T,地球表面的重力加速度为 g,求:
【答案】(1) M
R 2 v02 2hG
;(2) g v02 18h
;(3) v
v0
R 2h
【解析】
【分析】