最新高考物理万有引力与航天解题技巧及经典题型及练习题(含答案)
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最新高考物理万有引力与航天解题技巧及经典题型及练习题(含答案)
一、高中物理精讲专题测试万有引力与航天
1.如图所示,宇航员站在某质量分布均匀的星球表面一斜坡上P 点沿水平方向以初速度v 0抛出一个小球,测得小球经时间t 落到斜坡上另一点Q ,斜面的倾角为α,已知该星球半径为R ,万有引力常量为G ,求:
(1)该星球表面的重力加速度; (2)该星球的质量。
【答案】(1)02tan v g t θ=
(2)202tan v R Gt
θ
【解析】 【分析】
平抛运动在水平方向上做匀速直线运动,在竖直方向上做自由落体运动,根据平抛运动的规律求出星球表面的重力加速度;根据万有引力等于重力求出星球的质量; 【详解】
(1)根据平抛运动知识可得
2
00
122gt y gt tan x v t v α===
解得02v tan g t
α
=
(2)根据万有引力等于重力,则有
2
GMm
mg R = 解得2202v R tan gR M G Gt
α
==
2.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?
【答案】(1)3
45L
Gm
23
3Gm L 【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:
222
222()(2)Gm Gm m L L L T
π+= 3
45L T Gm
∴=(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
星,满足:2
222cos30()cos30L
Gm m L ω︒=︒
解得:3
3Gm L ω
3.一宇航员在某未知星球的表面上做平抛运动实验:在离地面h 高处让小球以某一初速度水平抛出,他测出小球落地点与抛出点的水平距离为x 和落地时间t ,又已知该星球的半径为R ,己知万有引力常量为G ,求: (1)小球抛出的初速度v o (2)该星球表面的重力加速度g (3)该星球的质量M
(4)该星球的第一宇宙速度v (最后结果必须用题中己知物理量表示) 【答案】(1) v 0=x/t (2) g=2h/t 2 (3) 2hR 2/(Gt 2) (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:v 0=x/t
(2)小球做平抛运动时在竖直方向上有:h=
12
gt 2
,
解得该星球表面的重力加速度为:g=2h/t 2;
(3)设地球的质量为M ,静止在地面上的物体质量为m , 由万有引力等于物体的重力得:mg=2
Mm
G
R 所以该星球的质量为:M=2
gR G
= 2hR 2/(Gt 2); (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: 2
2Mm v G m R R
=
重力等于万有引力,即mg=2
Mm
G
R ,
解得该星球的第一宇宙速度为:v t
=
=
4.“天宫一号”是我国自主研发的目标飞行器,是中国空间实验室的雏形.2013年6月,“神舟十号”与“天宫一号”成功对接,6月20日3位航天员为全国中学生上了一节生动的物理课.已知“天宫一号”飞行器运行周期T ,地球半径为R ,地球表面的重力加速度为g ,“天宫一号”环绕地球做匀速圆周运动,万有引力常量为G .求: (1)地球的密度; (2)地球的第一宇宙速度v ; (3)“天宫一号”距离地球表面的高度. 【答案】(1)34g
GR
ρπ=
(2)v =
h R = 【解析】
(1)在地球表面重力与万有引力相等:2
Mm
G
mg R =, 地球密度:
343
M M R V
ρπ=
=
解得:34g
GR
ρπ=
(2)第一宇宙速度是近地卫星运行的速度,2
v mg m R
=
v =(3)天宫一号的轨道半径r R h =+, 据万有引力提供圆周运动向心力有:()
()2
2
24Mm
G
m R h T
R h π=++,
解得:22
3
2
4gT R h R π
=
-
5.某星球半径为6610R m =⨯,假设该星球表面上有一倾角为30θ=︒的固定斜面体,一质量为1m kg =的小物块在力F 作用下从静止开始沿斜面向上运动,力F 始终与斜面平行,如图甲所示.已知小物块和斜面间的动摩擦因数3
3
μ=
,力F 随位移x 变化的规律如图乙所示(取沿斜面向上为正方向).已知小物块运动12m 时速度恰好为零,万有引力常量11
226.6710
N?m /kg G -=⨯,求(计算结果均保留一位有效数字)
(1)该星球表面上的重力加速度g 的大小; (2)该星球的平均密度. 【答案】2
6/g m s =,
【解析】 【分析】 【详解】
(1)对物块受力分析如图所示;
假设该星球表面的重力加速度为g ,根据动能定理,小物块在力F 1作用过程中有:
2
11111sin 02
F s fs mgs mv θ--=- N mgcos θ=
f N μ=
小物块在力F 2作用过程中有:
222221
sin 02
F s fs mgs mv θ---=-
由题图可知:1122156?
3?6?F N s m F N s m ====,;, 整理可以得到: