万有引力定律的应用练习题含答案及解析

1、万有引力定律的应用练习题含答案及解析一、高中物理精讲专题测试万有引力定律的应用1 一艘宇宙飞船绕着某行星作匀速圆周运动，已知运动的轨道半径为r，周期为t，引力常量为 g，行星半径为求：(1)行星的质量m；(2)行星表面的重力加速度g ；(3)行星的第一宇宙速度v【答案】 （1）（ 2）（ 3）【解析】【详解】(1)设宇宙飞船的质量为m，根据万有引力定律求出行星质量(2)在行星表面求出 :(3)在行星表面求出 :【点睛】本题关键抓住星球表面重力等于万有引力，人造卫星的万有引力等于向心力2 在地球上将一轻弹簧竖直固定在水平桌面上，把质量为m 的物体 p 置于弹簧上端，用力压到弹簧形变量为 3x0

2、处后由静止释放，从释放点上升的最大高度为4.5x0，上升过程中物体 p 的加速度 a 与弹簧的压缩量 x 间的关系如图中实线所示。若在另一星球n 上把完全相同的弹簧竖直固定在水平桌面上，将物体q 在弹簧上端点由静止释放，物体q 的加速度a 与弹簧的压缩量 x 间的关系如图中虚线所示。两星球可视为质量分布均匀的球体，星球 n 半径为地球半径的 3 倍。忽略两星球的自转，图中两条图线与横、纵坐标轴交点坐标为已知量。求：(1)地球表面和星球n 表面重力加速度之比；(2)地球和星球n 的质量比；(3)在星球 n 上，物体q 向下运动过程中的最大速度。【答案】 (1)2:1(2)2:9(3) v3a0

3、x02【解析】【详解】（1）由图象可知，地球表面处的重力加速度为g1=a0星球 n 表面处的重力加速度为g2=0.5a0则地球表面和星球 n 表面重力加速度之比为2 1（2）在星球表面，有gmmr2mg其中， m 表示星球的质量，g 表示星球表面的重力加速度，r 表示星球的半径。则gr2m=g因此，地球和星球n 的质量比为2 9（3）设物体q 的质量为m2，弹簧的劲度系数为k物体的加速度为0 时，对物体p：mg1=k x0对物体 q：m2 g2=k3x0联立解得： m2=6m在地球上，物体p 运动的初始位置处，弹簧的弹性势能设为ep，整个上升过程中，弹簧和物体 p 组成的系统机械能守恒。根据机

4、械能守恒定律，有：e pmg1h4.5ma0 x0在星球 n 上，物体 q 向下运动过程中加速度为0 时速度最大，由图可知，此时弹簧的压缩量恰好为3x0，因此弹性势能也为ep，物体 q 向下运动3x0 过程中，根据机械能守恒定律，有：m2a23x0=ep+1 m2v22联立以上各式可得，物体p 的最大速度为 v=3 a0 x023 已知地球同步卫星到地面的距离为地球半径的6倍，地球半径为r，地球视为均匀球体，两极的重力加速度为g，引力常量为g，求：（ 1）地球的质量；（ 2）地球同步卫星的线速度大小【答案】 (1)gr2grm(2)vg7【解析】【详解】（1）两极的物体受到的重力等于万有引力，

5、则gmmr2mg解得mgr2；g（2）地球同步卫星到地心的距离等于地球半径的7 倍，即为7r，则gmmmv227r7r而 gmgr2 ，解得vgr.74 宇航员在某星球表面以初速度v0 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.v02r【答案】 (1)(2) v02h2h【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 v02 2g h 解得，该星球表面的重力加速度 g v022h(2) 卫星贴近星

6、球表面运行，则 mg m v2rvr解得：星球上发射卫星的第一宇宙速度g r v02h5 我国科学家正在研究设计返回式月球软着陆器，计划在2030 年前后实现航天员登月，对月球进行科学探测。宇航员在月球上着陆后，自高h 处以初速度 v0 水平抛出小球，测量出小球的水平射程为l(这时月球表面可以看成是平坦的)，已知月球半径为r，万有引力常量为 g。(1)试求月球表面处的重力加速度g.(2)试求月球的质量m(3)字航员着陆后，发射了一颗绕月球表面做匀速圆周运动的卫星，周期为t，试求月球的平均密度 .2223【答案】（ 1）g2hv0 （ 2）m2hv0 r（ 3）gt 2l2gl2【解析】【详解】

7、（1）根据题目可得小球做平抛运动,水平位移 : v0t=l竖直位移 :h= 1gt22联立可得 : g2hv02l2（2）根据万有引力黄金代换式g mm mg ，r2gr22hv02 r2可得 mgl2g（3）根据万有引力公式g mm m 42r ；可得 m4 2r3，r2t 2gt 2而星球密度m , v4 r3v3联立可得3gt 26 在月球表面上沿竖直方向以初速度v0 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。3v02v0r【答案】（ 1）（ 2） v2 rgtt【解析】【详解】(

8、1) 根据竖直上抛运动的特点可知：v010gt2所以： g= 2v0t设月球的半径为r,月球的质量为m, 则： gmmmgr2体积与质量的关系：mv4r33联立得：3v02 rgt（ 2）由万有引力提供向心力得2gmmm vr2r2v0 r解得 ; vt综上所述本题答案是：（1）3v02v0 r2 rgt（ 2） vt【点睛】会利用万有引力定律提供向心力求中心天体的密度，并知道第一宇宙速度等于vgr 。7 如图所示， a 是地球的同步卫星另一卫星b 的圆形轨道位于赤道平面内已知地球自转角速度为0 ，地球质量为m ， b 离地心距离为r ，万有引力常量为g， o 为地球中心，不考虑a 和 b 之

9、间的相互作用（图中r、h 不是已知条件）（ 1）求卫星 a 的运行周期 ta（ 2）求 b 做圆周运动的周期 tb（3）如卫星b 绕行方向与地球自转方向相同，某时刻a、b 两卫星相距最近（o、 b、 a 在同一直线上），则至少经过多长时间，它们再一次相距最近？2r3t2【答案】 （1） ta（ 2） tb2（ 3）gm0gmr30【解析】【分析】【详解】（1） a 的周期与地球自转周期相同ta20gmmm( 2)2 r（2）设 b 的质量为 m， 对 b 由牛顿定律 :r 2tb解得： tbr 32gm（3） a、 b 再次相距最近时b 比 a 多转了一圈，则有： ( b0 ) t2t2gm解

10、得：0r 3点睛：本题考查万有引力定律和圆周运动知识的综合应用能力，向心力的公式选取要根据题目提供的已知物理量或所求解的物理量选取应用；第3 问是圆周运动的的追击问题，距离最近时两星转过的角度之差为2的整数倍 82003 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：(1)地球的质量；(2)飞船在上述圆形轨道上运行的周期t【答案】 (1)mgr 2(2)t 2(rh)3ggr2【解析】【详解】(1)根据在地

11、面重力和万有引力相等，则有gmmmgr2解得： mgr2g(2)设神舟五号飞船圆轨道的半径为r，则据题意有：rr hmm2飞船在轨道上飞行时，万有引力提供向心力有：4gr 2m t 2 r( rh)3解得：t2gr29 今年 6 月 13 日，我国首颗地球同步轨道高分辨率对地观测卫星高分四号正式投入使用，这也是世界上地球同步轨道分辨率最高的对地观测卫星如图所示，卫星，已知地球半径为r，地球自转的周期为t，地球表面的重力加速度为a 是地球的同步g,求：（ 1）同步卫星离地面高度 h（ 2）地球的密度 (已知引力常量为 g)223g【答案】（ 1） 3 gr tr （ 2）4 24 gr【解析】【分析】【详解】（ 1）设地球质量为 m，卫星质量为 m，地球同步卫星到地面的高度为 h，同步卫星所受万有引力等于向心力为mm4 2 r hg2m2( r h)t在地球表面上引力等于重力为g mmmgr2故地球同步卫星离地面的高度为h3gr2t 2r42（2）根据在地球表面上引力等于重力mmgr2mg结合密度公式为gr2mg3gv 4 r