1、第七章 万有引力与宇宙航行一、选择题(16为单选每小题4分，710为多选每小题5分，共44分)1两颗行星的质量分别为m1和m2，绕太阳运行的轨道半长轴分别为r1和r2，则它们的公转周期之比为(C)A.B.C.D无法确定解析：由开普勒第三定律可知，解得，故C正确2已知地球半径为R，将一物体从地面发射至离地面高h处时，物体所受万有引力减少到原来的一半，则h为(D)ARB2RC.RD(1)R解析：根据万有引力定律，FG，FGF，代入可求解得h(1)R.3下列说法中不正确的是(C)A一根杆的长度不会因为观察者是否与杆做相对运动而不同，这是经典物理学家的观点B一根沿自身长度方向运动的杆，其长度总比杆静止
2、时的长度小C一根杆的长度静止时为l0，不管杆如何运动，杆的长度均小于l0D如果两根平行的杆在沿自己的长度方向上做相对运动，与它们一起运动的两位观察者都会认为对方的杆缩短了解析：经典物理学家的观点认为，一根杆的长度不会因为观察者是否与杆做相对运动而不同，故A正确；根据ll0，知沿自身长度方向运动的杆其长度总比杆静止时的长度小，故B正确；一根杆的长度静止时为l0，当杆运动的方向与杆垂直时，杆的长度不发生变化故C错误；根据相对论时空观的观点，两根平行的杆在沿自己的长度方向上做相对运动，与它们一起运动的两位观察者都会认为对方的杆缩短了故D正确依题意，选C.4在讨论地球潮汐成因时，地球绕太阳运行轨道与月
3、球绕地球运行轨道可视为圆轨道已知太阳质量约为月球质量的2.7107倍，地球绕太阳运行的轨道半径约为月球绕地球运行的轨道半径的400倍关于太阳和月球对地球上相同质量海水的引力，以下说法正确的是(D)A太阳引力远小于月球引力B太阳引力与月球引力相差不大C月球对不同区域海水的吸引力大小相等D月球对不同区域海水的吸引力大小有差异解析：根据FG，可得，代入数据可知，太阳的引力远大于月球的引力，则A、B错误；由于月心到不同区域海水的距离不同，所以引力大小有差异，C错误、D正确5. “开普勒226”星，其直径约为地球的2.4倍至今其确切质量和表面成分仍不清楚，假设该行星的密度和地球相当，根据以上信息，估算该
4、行星的第一宇宙速度等于(D)A3.3103 m/s B7.9103 m/sC1.2104 m/s D1.9104 m/s解析：在任何天体表面重力加速度gGR，第一宇宙速度vR，因为行星密度与地球密度相等，所以，所以v1.9104 m/s.6假设地球可视为质量均匀分布的球体已知地球表面重力加速度在两极的大小为g0，在赤道的大小为g，地球自转的周期为T，引力常量为G.地球的密度为 (B)A.B.C.D.解析：设地球的半径为R，质量为m的物体，在两极点时，有：mg0G，在赤道时，有：GmgmR()2，又地球的密度，由以上各式联立得，选项B正确7哈雷彗星绕太阳运动的轨道是比较扁的椭圆，下面说法中正确的
5、是(ABC)A彗星在近日点的速率大于在远日点的速率B彗星在近日点的角速度大于在远日点的角速度C彗星在近日点的向心加速度大于在远日点的向心加速度D若彗星周期为75年，则它的半长轴是地球公转半径的75倍解析：由开普勒第二定律知：v近v远、近远，故A、B正确；由a向知a近a远，故C正确；由开普勒第三定律得，当T75T地时，RR地75R地，故D错题目的求解方法应视具体情况而定，由于将地球绕太阳的运动视为圆周运动，因此开普勒第三定律中的半长轴可用地球公转半径替代8经长期观测，人们在宇宙中已经发现了“双星系统”，“双星系统”由两颗相距较近的恒星组成，每个恒星的线度远小于两个星体之间的距离，而且双星系统一般
6、远离其他天体如图所示，两颗星球组成的双星，在相互之间的万有引力作用下，绕连线上的O点做周期相同的匀速圆周运动现测得两颗星之间的距离为L，质量之比为m1m232.则可知 (CD)Am1、m2做圆周运动的线速度之比为32Bm1、m2做圆周运动的角速度之比为23Cm1做圆周运动的半径为LDm1、m2做圆周运动的向心力大小相等解析：双星系统周期相同(角速度相同)，所受万有引力提供向心力，所以B错误，D正确；由Fm2r，m1r12m2r22，得m1v1m2v2，选项A错误；又r1r2L，所以r1LL，C正确9某探索飞船先沿椭圆轨道飞行，后在远地点343千米处点火加速，由椭圆轨道变成高度为343千米的圆轨
7、道，在此圆轨道上飞船运行周期约为90分钟下列判断正确的是(BC)A飞船变轨前后的机械能相等B飞船在圆轨道上时航天员出舱前后都处于失重状态C飞船在此圆轨道上运动的角速度大于同步卫星运动的角速度D飞船变轨前通过椭圆轨道远地点时的加速度大于变轨后沿圆轨道运动的加速度解析：飞船点火变轨，前后的机械能不守恒，所以A不正确飞船在圆轨道上时万有引力提供向心力，航天员出舱前后都处于失重状态，B正确飞船在此圆轨道上运动的周期90分钟小于同步卫星运动的周期24小时，根据T可知，飞船在此圆轨道上运动的角速度大于同步卫星运动的角速度，C正确飞船变轨前通过椭圆轨道远地点时只有万有引力来提供加速度，变轨后沿圆轨道运动也是
8、只有万有引力来提供加速度，所以相等，D不正确10在研究宇宙发展演变的理论中，有一种学说叫“宇宙膨胀说”，这种学说认为万有引力常量G在缓慢地减小根据这一理论，在很久很久以前，太阳系中地球的公转情况与现在相比(BC)A公转半径R较大B公转周期T较小C公转速度v较大 D公转角速度较小解析：由于万有引力常量G在缓慢减小，地球所受的万有引力在变化，故地球的轨道半径R、速率v、周期T、角速度等都在变化，即地球做的不是匀速圆周运动，但由于G变化缓慢，在并不太长的时间内，可认为是匀速圆周运动由Gmmm2R，得v，T2，.对于漫长的演变过程而言，由于G在减小，地球所受万有引力在逐渐减小，有Gm，即地球做离心运动
9、，公转半径R增大由此可知，v变小，T增大，变小二、填空题(共2小题，每小题8分，共16分)11地核的体积为整个地球体积的16%，地核的质量约为地球质量的34%，经估算，地核的平均密度为_1.2104_ kg/m3.(地球的半径R6.4106 m，引力常量G6.671011 Nm2/kg2，地球表面重力加速度g9.8 m/s2，结果取两位有效数字)解析：设地球的质量、体积、密度分别为M、V、；地核的分别为M、V、.据题给条件，由密度定义式，用比例关系可得，设地球表面上任一物体的质量为m，有mg，VR3，则，将g9.8 m/s2，3.14，以及已知的G、R的数值代入式，可估算出地球的平均密度为5.
10、5103 kg/m3，再将值代入式，可得地核的密度为1.2104 kg/m3.12古希腊某地理学家经过长期观测，发现6月21日正午时刻，在北半球A城阳光与竖直方向成7.5角下射，而在A城正北方，与A城距离L的B城，阳光恰好沿竖直方向下射，如图所示射到地球的阳光可看成平行光据此他估算了地球的半径，其表达式为R.解析：B点在A城的正北方，则A、B两点在同一经线圈上，A与B的距离为弧长L，由题意可知弧长L所对圆心角为7.5，LR，R.三、计算题(每小题10分，共40分)13两个质量分布均匀、密度相同且大小相同的实心小铁球紧靠在一起，它们之间的万有引力为F，如图所示，现将其中一个小球中挖去半径为原球半
11、径一半的球，并按如图所示的形式紧靠在一起(三个球心在一条直线上)，试计算它们之间的万有引力大小. 答案：F解析：用“割补法”处理该问题原来是个实心球时可知FG.假如挖空部分为实心球，则该球与左边球之间的万有引力为F1G， m1m3r318，联立得F1F.剩余部分之间的万有引力大小为FFF1F.14科学家一直在努力寻找适宜人类生存的行星，至今已发现多颗“宜居行星”可能存在支持生命的条件假设某“宜居行星”其质量约为地球质量的6.4倍，已知一个在地球表面质量为50 kg的人在这个行星表面的重力约为800 N，地球表面处的重力加速度为10 m/s2.则：(1)该行星的半径与地球的半径之比约为多少；(2
12、)若在该行星上距行星表面2 m高处，以10 m/s的水平初速度抛出一只小球(不计任何阻力)，则小球的水平射程是多大答案：(1)21(2)5 m解析：(1)在该行星表面处，由G行mg行，有g行16 m/s2，由万有引力定律有Gmg，得R2，故R，R，代入数据解得4，所以2.(2)由平抛运动的规律，有hg行t2，xvt，故xv.代入数据解得x5 m.15宇宙中存在一些离其他恒星较远的、由质量相等的三颗星组成的三星系统，通常可忽略其他星体对它们的引力作用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，两颗星围绕中央星在同一半径为R的圆轨道上运行；另一种形式是三颗星位于等边三
13、角形的三个顶点上，并沿外接于等边三角形的圆形轨道运行设每个星体的质量均为m.(1)试求第一种形式下，星体运动的线速度和周期；(2)假设两种形式星体的运动周期相同，第二种形式下星体之间的距离应为多少答案：(1)4(2)1.34R解析：(1)对于第一种运动情况，以某个运动星体为研究对象，根据牛顿第二定律和万有引力定律有F1，F2，F1F2mv2/R，运动星体的线速度v.设周期为T，则有T，T4.(2)设第二种形式星体之间的距离为r，则三个星体做圆周运动的半径为R.由于星体做圆周运动所需要的向心力靠其他两个星体的万有引力的合力提供，由力的合成和牛顿运动定律有F合2cos30，F合mR，16晴天晚上，
14、人能看见卫星的条件是卫星被太阳照着且在人的视野之内，一个可看成漫反射体的人造地球卫星的圆形轨道与赤道共面，卫星自西向东运动，春分期间太阳垂直射向赤道，赤道上某处的人在日落后8小时在西边的地平线附近恰能看到它，之后极快地变暗而看不到了，已知地球的半径R地6.4106 m地面上的重力加速度为10 m/s2.估算：(答案要求精确到两位有效数字)(1)卫星轨道离地面的高度；(2)卫星的速度大小答案：(1)6.4106 m (2) 5.7103 m/s解析：(1)根据题意作出如图所示由题意得AOA120，BOA60，由此得卫星的轨道半径r2R地，卫星距地面的高度hR地6.4106 m；(2)由万有引力提供向心力得，由于地球表面的重力加速度g，由得v m/s5.7103 m/s.