万有引力计算天体的质量和密度.docx

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万有引力计算天体的质量和密度

万有引力和航天

第一节：

计算天体的质量和密度

基础知识填空

1、卡普勒第一定律是：

；卡普勒第二定律是：

；

卡普勒第三定律是：

，其表达式是，当把轨道近似看作圆时，表达式可改写为，其中常数k由决定。

2、通过计算推导可得太阳对行星的引力F∝

（m是行星质量），由于太阳与行星间相互作用，两者的地位是相同的，既然太阳吸引行星，行星也必然吸引太阳，所以可推得行星对太阳的引力F’（设太阳质量为M）满足，而根据作用力和反作用力的关系，F和F’的大小是相等的，所以我们可以推得太阳与行星间的引力满足，加入比例系数G，写成等式就是，这就是定律的表达式，（其中G是，由通过著名的实验测量得到的）根据等式，该定律可表述为。

3、不考虑地球自转时，万有引力等于，公式表达为，化简后得到黄金代换式。

4、环绕模型算中心天体质量：

提供向心力，表达式写作=Fn，若向心力表达式用

，则中心天体质量M=，若向心力表达式用

，则中心天体质量M=，若向心力表达式用

，则中心天体质量M=。

若该天体的半径为R，则以上3种表达式下中心天体的密度可分别写作，，

。

（请区分环绕半径r和星球半径R）

练习题

（多选为7、8、9）

1、在力学理论建立的过程中有许多伟大的科学家做出了贡献，下列有关科学家和他们的贡献说法错误的是（）

A．卡文迪许通过实验测出了引力常量G

B．惯性定律是可以被实验直接验证的

C．伽利略斜面实验合理外推解释了自由落体是匀变速运动

D．开普勒发现了行星运动的规律

2、宇宙飞船在宇宙深处飞行过程中，发现A、B两颗均匀球形天体，两天体各有一颗靠近其表面飞行的卫星，测得两颗卫星的周期相等，以下判断正确的是（）

A.天体A、B的质量一定相等B.两颗卫星的线速度一定相等

C.天体A、B表面的重力加速度一定相等D.天体A、B的密度一定相等

3、已知引力常量为G，根据下列所给条件不能估算出地球质量的是（）

A．月球绕地球的运行周期T和月球中心到地球中心间距离R

B．人造地球卫星在地面附近运行的速度v和运行周期T

C．地球绕太阳运行的周期T和地球中心到太阳中心的距离R

D．地球半径R和地球表面重力加速度g

4、据报道，一颗来自太阳系外的彗星于2014年10月20日擦火星而过．如图所示，设火星绕太阳在圆轨道上运动，运动半径为r，周期为T．该彗星在穿过太阳系时由于受到太阳的引力，轨道发生弯曲，彗星与火星在圆轨道的A点“擦肩而过”．已知万有引力恒量G，则（　　）

A.可计算出彗星的质量

B.可计算出彗星经过A点时受到的引力

C.可计算出彗星经过A点的速度大小

D.可确定彗星在A点的速度大于火星绕太阳的速度

5、2008年9月25日21时10分，载着翟志刚、刘伯明、景海鹏三位宇航员的“神舟七号”飞船在中国酒泉卫星发射中心发射成功．如果“神舟七号”飞船在离地球表面h高处的轨道上做周期为T的匀速圆周运动，已知地球的半径为R，引力常量为G，在该轨道上，关于“神舟七号”飞船，下列说法中正确的是（）

A．运行的角速度为ω2R

B．地球表面的重力加速度大小可表示为

C．运行时的向心加速度大小为

D．运行的线速度大小为

6、绕地球做匀速圆周运动的两颗卫星a、b，已知a的轨道半径大于b的轨道半径，则对于两颗卫星下列说法正确的是（）

A．a周期大B．a角速度变大

C．a速度大D．a向心加速度大

7、已知引力常量是G，在下列各组物理数据中，能够估算月球质量的是（）

A．月球绕地球运行的周期及月、地中心距离

B．绕月球表面运行的飞船的周期及月球的半径

C．绕月球表面运行的飞船的周期及线速度

D．月球表面的重力加速度

8、宇航员在宇宙飞船中测出自己绕地球做圆周运动的周期为T，离地高度为H，地球半径为R，则根据T、H、R和引力常量G，能计算出的物理量是（）

A．地球的质量和飞船的质量B．地球的平均密度

C．飞船线速度的大小D．飞船所需的向心力

9、假如一颗做匀速圆周运动的人造地球卫星的轨道半径增加为原来的2倍，仍做匀速圆周运动，则（）

A．根据公式F=

，可知地球提供的向心力将减小为原来的

B．根据公式v=

，可知卫星运动的线速度将减小为原来的

C．根据公式a=rω2可知卫星的向心力加速度将减小为原来的

D．根据公式F=mrω2，可知地球提供的向心力将增大为原来的2倍

10、2003年10月15日，我国神舟五号载人飞船成功发射.标志着我国的航天事业发展到了一个很高的水平.飞船在绕地球飞行的第5圈进行变轨，由原来的椭圆轨道变为距地面高度为h的圆形轨道.已知地球半径为R，地面处的重力加速度为g，引力常量为G,求：

⑴地球的质量；⑵飞船在上述圆形轨道上运行的周期T.

11、对某行星的一颗卫星进行观测，已知运行的轨迹是半径为r的圆周，周期为T，已知万有引力常量G，求：

（1）该行星的质量多少？

（2）测得行星的半径为卫星轨道半径的

，则此行星表面重力加速度为多大？

12、物体在月球表面上的重力加速度等于地球表面上重力加速度的

，将

物体以10m/s的初速度竖直上抛，（g地取10m/s2）求：

（1）物体上升的最大高度是多少？

（2）物体落回地面的时间是多少？

13、一艘宇宙飞船绕一个不知名的、半径为R的行星表面飞行，环绕一周飞行时间为T（万有引力常量为G），求：

该行星的质量M和平均密度ρ

14、宇航员站在星球表面上某高处，沿水平方向抛出一小球，经过时间t小球落回星球表面，测得抛出点和落地点之间的距离为L．若抛出时的速度增大为原来的2倍，则抛出点到落地点之间的距离为

L．已知两落地点在同一水平面上，该星球半径为R，已知引力常量为G，求该星球的质量及其表面的重力加速度大小．

15、2005年10月12日，我国继“神舟”五号载人宇宙飞船后又成功地发射了“神舟”六号载人宇宙飞船.飞船入轨运行若干圈后成功实施变轨进入圆轨道运行，经过了近5天的运行后，飞船的返回舱于10月17日凌晨顺利降落在预定地点，两名宇航员安全返回祖国的怀抱.设“神舟”六号载人飞船在圆轨道上绕地球运行n圈所用的时间为t，若地球表面的重力加速度为g，地球半径为R.求：

（1）飞船的圆轨道离地面的高度；

（2）飞船在圆轨道上运行的角速度.

计算天体的质量和密度参考答案

1、【答案】B

2、【答案】D

3、【答案】C

4、【答案】D

5、【答案】C

6、【答案】A

7、【答案】BC

8、【答案】BC

9、【答案】AB

10、【答案】

（1）

（2）

11、【答案】

（1）该行星的质量是

．

（2）测得行星的半径为卫星轨道半径的

，则此行星表面重力加速度为

12、【答案】

（1）物体上升的最大高度为30m；

（2）物体落回地面的时间为12s

13、【答案】该行星的质量M是

，平均密度是

14、【答案】该星球的质量为

，其表面的重力加速度大小为

．

15、【答案】

（1）飞船的圆轨道离地面的高度是

﹣R；

（2）飞船在圆轨道上运行的角速度是

.

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