(物理)物理万有引力与航天练习题含答案及解析
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(物理)物理万有引力与航天练习题含答案及解析
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.据报道,一法国摄影师拍到“天宫一号”空间站飞过太阳的瞬间.照片中,“天宫一号”的太阳帆板轮廓清晰可见.如图所示,假设“天宫一号”正以速度v =7.7km/s 绕地球做匀速圆周运动,运动方向与太阳帆板两端M 、N 的连线垂直,M 、N 间的距离L =20m ,地磁场的磁感应强度垂直于v ,MN 所在平面的分量B =1.0×10﹣5 T ,将太阳帆板视为导体.
(1)求M 、N 间感应电动势的大小E ;
(2)在太阳帆板上将一只“1.5V 、0.3W”的小灯泡与M 、N 相连构成闭合电路,不计太阳帆板和导线的电阻.试判断小灯泡能否发光,并说明理由;
(3)取地球半径R =6.4×103 km ,地球表面的重力加速度g = 9.8 m/s 2,试估算“天宫一号”距离地球表面的高度h (计算结果保留一位有效数字). 【答案】(1)1.54V (2)不能(3)5410m ⨯ 【解析】 【分析】 【详解】
(1)法拉第电磁感应定律
E=BLv
代入数据得
E =1.54V
(2)不能,因为穿过闭合回路的磁通量不变,不产生感应电流. (3)在地球表面有
2
Mm
G
mg R = 匀速圆周运动
2
2
()Mm v G m R h R h
=++ 解得
2
2gR h R v
=-
代入数据得
h ≈4×105m 【方法技巧】
本题旨在考查对电磁感应现象的理解,第一问很简单,问题在第二问,学生在第一问的基础上很容易答不能发光,殊不知闭合电路的磁通量不变,没有感应电流产生.本题难度不
大,但第二问很容易出错,要求考生心细,考虑问题全面.
3.宇航员在某星球表面以初速度v 0竖直向上抛出一个物体,物体上升的最大高度为h .已知该星球的半径为R ,且物体只受该星球的引力作用.求: (1)该星球表面的重力加速度;
(2)从这个星球上发射卫星的第一宇宙速度.
【答案】(1)202v h
(2) 02v R h
【解析】
本题考查竖直上抛运动和星球第一宇宙速度的计算.
(1) 设该星球表面的重力加速度为g ′,物体做竖直上抛运动,则2
02v g h ='
解得,该星球表面的重力加速度20
2v g h
'=
(2) 卫星贴近星球表面运行,则2
v mg m R
'=
解得:星球上发射卫星的第一宇宙速度0
2R v g R v h
=
='
4.“嫦娥一号”在西昌卫星发射中心发射升空,准确进入预定轨道.随后,“嫦娥一号”经过变轨和制动成功进入环月轨道.如图所示,阴影部分表示月球,设想飞船在圆形轨道Ⅰ上作匀速圆周运动,在圆轨道Ⅰ上飞行n 圈所用时间为t ,到达A 点时经过暂短的点火变速,进入椭圆轨道Ⅱ,在到达轨道Ⅱ近月点B 点时再次点火变速,进入近月圆形轨道Ⅲ,而后飞船在轨道Ⅲ上绕月球作匀速圆周运动,在圆轨道Ⅲ上飞行n 圈所用时间为.不考虑其它星体对飞船的影响,求:
(1)月球的平均密度是多少?
(2)如果在Ⅰ、Ⅲ轨道上有两只飞船,它们绕月球飞行方向相同,某时刻两飞船相距最近(两飞船在月球球心的同侧,且两飞船与月球球心在同一直线上),则经过多长时间,他们又会相距最近?
【答案】(1)2
2
192n Gt π;(2)1237mt t m n (,,)==⋯ 【解析】
试题分析:(1)在圆轨道Ⅲ上的周期:38t
T n
=
,由万有引力提供向心力有:
2
22Mm G m R R T π⎛⎫= ⎪⎝⎭
又:3
43
M R ρπ=,联立得:22233192n GT Gt ππρ==. (2)设飞船在轨道I 上的角速度为1ω、在轨道III 上的角速度为3ω,有:11
2T π
ω= 所以33
2T π
ω=
设飞飞船再经过t 时间相距最近,有:312t t m ωωπ''=﹣
所以有:1237mt
t m n
(,,)=
=⋯. 考点:人造卫星的加速度、周期和轨道的关系
【名师点睛】本题主要考查万有引力定律的应用,开普勒定律的应用.同时根据万有引力提供向心力列式计算.
5.在月球表面上沿竖直方向以初速度v 0抛出一个小球,测得小球经时间t 落回抛出点,已知该月球半径为R ,万有引力常量为G ,月球质量分布均匀。求: (1)月球的密度; (2)月球的第一宇宙速度。 【答案】(1)0
32v RGt ρπ=(2
)v =
【解析】 【详解】
(1)根据竖直上抛运动的特点可知:01
02
v gt -= 所以:g=
2v t
设月球的半径为R,月球的质量为M,则:2
GMm
mg R = 体积与质量的关系:34
·3
M V R ρπρ== 联立得:0
32v RGt
ρπ=
(2)由万有引力提供向心力得
2
2
GMm v m R R
= 解得
;v =