1.(08全國Ⅰ17)已知太陽到地球與地球到月球的距離的比值約為390,月球繞地球旋轉(zhuǎn)的周期約為27天,利用上述數(shù)據(jù)以及日常的天文知識,可估算出太陽對月球與地球?qū)υ虑虻娜f有引力的比值約為 ( )
A.0.2 B.2 C.20 D.200
答案 B
解析 估算太陽對月球的萬有引力時,地、月間距忽略不計,認(rèn)為月球處于地球公轉(zhuǎn)的軌道上.設(shè)太陽、地球、月球的質(zhì)量分別為M、m地、m月,日、地間距為r1,地、月間距為r2,地球、月球做勻速圓周運(yùn)動的周期分別為T1、T2,根據(jù)萬有引力定律、牛頓第二定律得:
對于月球:F地月=m月 、
對于地球: 、
由②式得
所以F日月= ③
由①、③兩式得:F日月: F地月=
18.(09·天津·12)(20分)2008年12月,天文學(xué)家們通過觀測的數(shù)據(jù)確認(rèn)了銀河系中央的黑洞“人馬座A*”的質(zhì)量與太陽質(zhì)量的倍數(shù)關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn),有一星體S2繞人馬座A*做橢圓運(yùn)動,其軌道半長軸為9.50102天文單位(地球公轉(zhuǎn)軌道的半徑為一個天文單位),人馬座A*就處在該橢圓的一個焦點(diǎn)上。觀測得到S2星的運(yùn)行周期為15.2年。
(1)若將S2星的運(yùn)行軌道視為半徑r=9.50102天文單位的圓軌道,試估算人馬座A*的質(zhì)量MA是太陽質(zhì)量Ms的多少倍(結(jié)果保留一位有效數(shù)字);
(2)黑洞的第二宇宙速度極大,處于黑洞表面的粒子即使以光速運(yùn)動,其具有的動能也不足以克服黑洞對它的引力束縛。由于引力的作用,黑洞表面處質(zhì)量為m的粒子具有勢能為Ep=-G(設(shè)粒子在離黑洞無限遠(yuǎn)處的勢能為零),式中M、R分別表示黑洞的質(zhì)量和半徑。已知引力常量G=6.710-11N·m2/kg2,光速c=3.0108m/s,太陽質(zhì)量Ms=2.01030kg,太陽半徑Rs=7.0108m,不考慮相對論效應(yīng),利用上問結(jié)果,在經(jīng)典力學(xué)范圍內(nèi)求人馬座A*的半徑RA與太陽半徑之比應(yīng)小于多少(結(jié)果按四舍五入保留整數(shù))。
答案:(1),(2)
解析:本題考查天體運(yùn)動的知識。其中第2小題為信息題,如“黑洞”“引力勢能”等陌生的知識都在題目中給出,考查學(xué)生提取信息,處理信息的能力,體現(xiàn)了能力立意。
(1)S2星繞人馬座A*做圓周運(yùn)動的向心力由人馬座A*對S2星的萬有引力提供,設(shè)S2星的質(zhì)量為mS2,角速度為ω,周期為T,則
、
②
設(shè)地球質(zhì)量為mE,公轉(zhuǎn)軌道半徑為rE,周期為TE,則
、
綜合上述三式得
式中 TE=1年 ④
rE=1天文單位 ⑤
代入數(shù)據(jù)可得
、
(2)引力對粒子作用不到的地方即為無限遠(yuǎn),此時料子的勢能為零。“處于黑洞表面的粒子即使以光速運(yùn)動,其具有的動能也不足以克服黑洞對它的引力束縛”,說明了黑洞表面處以光速運(yùn)動的粒子在遠(yuǎn)離黑洞的過程中克服引力做功,粒子在到達(dá)無限遠(yuǎn)之前,其動能便減小為零,此時勢能仍為負(fù)值,則其能量總和小于零,則有
、
依題意可知
,
可得
、
代入數(shù)據(jù)得
⑨
⑩
2008年高考題
17.(09·北京·22)(16分)已知地球半徑為R,地球表面重力加速度為g,不考慮地球自轉(zhuǎn)的影響。
(1)推導(dǎo)第一宇宙速度v1的表達(dá)式;
(2)若衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動,運(yùn)行軌道距離地面高度為h,求衛(wèi)星的運(yùn)行周期T。
解析:(1)設(shè)衛(wèi)星的質(zhì)量為m,地球的質(zhì)量為M,
在地球表面附近滿足
得 、
衛(wèi)星做圓周運(yùn)動的向心力等于它受到的萬有引力
②
①式代入②式,得到
(2)考慮式,衛(wèi)星受到的萬有引力為
③
由牛頓第二定律 ④
③、④聯(lián)立解得
16.(09·全國卷Ⅱ·26) (21分)如圖,P、Q為某地區(qū)水平地面上的兩點(diǎn),在P點(diǎn)正下方一球形區(qū)域內(nèi)儲藏有石油,假定區(qū)域周圍巖石均勻分布,密度為;石油密度遠(yuǎn)小于,可將上述球形區(qū)域視為空腔。如果沒有這一空腔,則該地區(qū)重力加速度(正常值)沿豎直方向;當(dāng)存在空腔時,該地區(qū)重力加速度的大小和方向會與正常情況有微小偏高。重力加速度在原堅直方向(即PO方向)上的投影相對于正常值的偏離叫做“重力加速度反!。為了探尋石油區(qū)域的位置和石油儲量,常利用P點(diǎn)附近重力加速度反,F(xiàn)象。已知引力常數(shù)為G。
(1)設(shè)球形空腔體積為V,球心深度為d(遠(yuǎn)小于地球半徑),=x,求空腔所引起的Q點(diǎn)處的重力加速度反常
(2)若在水平地面上半徑L的范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn):重力加速度反常值在與(k>1)之間變化,且重力加速度反常的最大值出現(xiàn)在半為L的范圍的中心,如果這種反常是由于地下存在某一球形空腔造成的,試求此球形空腔球心的深度和空腔的體積。
答案:(1);(2),
解析:本題考查萬有引力部分的知識.
(1)如果將近地表的球形空腔填滿密度為的巖石,則該地區(qū)重力加速度便回到正常值.因此,重力加速度反常可通過填充后的球形區(qū)域產(chǎn)生的附加引力………①來計算,式中的m是Q點(diǎn)處某質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量,M是填充后球形區(qū)域的質(zhì)量,……………②
而r是球形空腔中心O至Q點(diǎn)的距離………③
在數(shù)值上等于由于存在球形空腔所引起的Q點(diǎn)處重力加速度改變的大小.Q點(diǎn)處重力加速度改變的方向沿OQ方向,重力加速度反常是這一改變在豎直方向上的投影………④
聯(lián)立以上式子得
,…………⑤
(2)由⑤式得,重力加速度反常的最大值和最小值分別為……⑥
……………⑦
由提設(shè)有、……⑧
聯(lián)立以上式子得,地下球形空腔球心的深度和空腔的體積分別為
,
15.(09·上海·45)小明同學(xué)在學(xué)習(xí)了圓周運(yùn)動的知識后,設(shè)計了一個課題,名稱為:快速測量自行車的騎行速度。他的設(shè)想是:通過計算踏腳板轉(zhuǎn)動的角速度,推算自行車的騎行速度。經(jīng)過騎行,他得到如下的數(shù)據(jù):
在時間t內(nèi)踏腳板轉(zhuǎn)動的圈數(shù)為N,那么腳踏板轉(zhuǎn)動的角速度= ;要推算自行車的騎行速度,還需要測量的物理量有 ;自行車騎行速度的計算公式v= .
答案:牙盤的齒輪數(shù)m、飛輪的齒輪數(shù)n、自行車后輪的半徑R(牙盤的半徑r1、飛輪的半徑r2、自行車后輪的半徑R);
14.(09·海南物理·11)在下面括號內(nèi)列舉的科學(xué)家中,對發(fā)現(xiàn)和完善萬有引力定律有貢獻(xiàn)的是 。(安培、牛頓、焦耳、第谷、卡文迪許、麥克斯韋、開普勒、法拉第)
答案:第谷(1分);開普勒(1分);牛頓(1分);卡文迪許 (1分)
評分說明:每選錯1個扣1根,最低得分為0分。
13. (09·廣東文科基礎(chǔ)·59)關(guān)于萬有引力及其應(yīng)用,下列表述正確的是 ( D )
A.人造地球衛(wèi)星運(yùn)行時不受地球引力作用
B.兩物體間的萬有引力跟它們質(zhì)量的乘積成反比
C.兩物體間的萬有引力跟它們的距離成反比
D.人造衛(wèi)星在地面附近繞地球作勻速圓周運(yùn)動所必須具有的速度,稱為第一宇宙速度
12.(09·浙江·19)在討論地球潮汐成因時,地球繞太陽運(yùn)行軌道與月球繞地球運(yùn)行軌道可視為圓軌道。已知太陽質(zhì)量約為月球質(zhì)量的倍,地球繞太陽運(yùn)行的軌道半徑約為月球繞地球運(yùn)行的軌道半徑的400倍。關(guān)于太陽和月球?qū)Φ厍蛏舷嗤|(zhì)量海水的引力,以下說法正確的是 ( AD )
A.太陽引力遠(yuǎn)大于月球引力
B.太陽引力與月球引力相差不大
C.月球?qū)Σ煌瑓^(qū)域海水的吸引力大小相等
D.月球?qū)Σ煌瑓^(qū)域海水的吸引力大小有差異
解析:,代入數(shù)據(jù)可知,太陽的引力遠(yuǎn)大于月球的引力;由于月心到不同區(qū)域海水的距離不同,所以引力大小有差異。
11.(09·福建·14) “嫦娥一號”月球探測器在環(huán)繞月球運(yùn)行過程中,設(shè)探測器運(yùn)行的軌道半徑為r,運(yùn)行速率為v,當(dāng)探測器在飛越月球上一些環(huán)形山中的質(zhì)量密集區(qū)上空時 ( C )
A.r、v都將略為減小 B.r、v都將保持不變
C.r將略為減小,v將略為增大 D. r將略為增大,v將略為減小
解析:當(dāng)探測器在飛越月球上一些環(huán)形山中的質(zhì)量密集區(qū)上空時,引力變大,探測器做近心運(yùn)動,曲率半徑略為減小,同時由于引力做正功,動能略為增加,所以速率略為增大。
10.(09·山東·18)2008年9月25日至28日我國成功實(shí)施了“神舟”七號載入航天飛行并實(shí)現(xiàn)了航天員首次出艙。飛船先沿橢圓軌道飛行,后在遠(yuǎn)地點(diǎn)343千米處點(diǎn)火加速,由橢圓軌道變成高度為343千米的圓軌道,在此圓軌道上飛船運(yùn)行周期約為90分鐘。下列判斷正確的是 ( BC )
A.飛船變軌前后的機(jī)械能相等
B.飛船在圓軌道上時航天員出艙前后都處于失重狀態(tài)
C.飛船在此圓軌道上運(yùn)動的角度速度大于同步衛(wèi)星運(yùn)動的角速度
D.飛船變軌前通過橢圓軌道遠(yuǎn)地點(diǎn)時的加速度大于變軌后沿圓軌道運(yùn)動的加速度
解析:飛船點(diǎn)火變軌,前后的機(jī)械能不守恒,所以A不正確。飛船在圓軌道上時萬有引力來提供向心力,航天員出艙前后都處于失重狀態(tài),B正確。飛船在此圓軌道上運(yùn)動的周期90分鐘小于同步衛(wèi)星運(yùn)動的周期24小時,根據(jù)可知,飛船在此圓軌道上運(yùn)動的角度速度大于同步衛(wèi)星運(yùn)動的角速度,C正確。飛船變軌前通過橢圓軌道遠(yuǎn)地點(diǎn)時只有萬有引力來提供加速度,變軌后沿圓軌道運(yùn)動也是只有萬有引力來提供加速度,所以相等,D不正確。
考點(diǎn):機(jī)械能守恒定律,完全失重,萬有引力定律
提示:若物體除了重力、彈性力做功以外,還有其他力(非重力、彈性力)不做功,且其他力做功之和不為零,則機(jī)械能不守恒。
根據(jù)萬有引力等于衛(wèi)星做圓周運(yùn)動的向心力可求衛(wèi)星的速度、周期、動能、動量等狀態(tài)量。由得,由得,由得,可求向心加速度。
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