2014高考万有引力归纳

2014年高考物理万有引力和航天试题归类例析江苏省新沂市第一中学张统勋一、开普勒行星运动定律【例1】（2014·浙江卷）长期以来“卡戎星（Charon）”被认为是冥王星唯一的卫星，它的公转轨道半径r1=19600km，公转周期T1=6.39天。2006年3月，天文学家新发现两颗冥王星的小卫星，其中一颗的公转轨道半径r2=48000km，则它的公转周期T2最接近于（）A．15天B．25天C．35天D．45天【解析】由开普勒行星第三定律的周期定律（）3=（）2，代入解得T2=25天，选项B正确。【答案】B二、行星的运动参数及规律【例2】（2014·上海卷）动能相等的两人造地球卫星A、B的轨道半径之比RA:RB=1:2，它们的角速度之比=，质量之比mA:mB=。【解析】两卫星绕地球做匀速圆周运动，其万有引力充当向心力，，所以两者角速度之比为；线速度之比为，根据题意知两者动能相等，所以质量之比为1:2。【答案】；1:2【例3】（2014·安徽卷）在科学研究中，科学家常将未知现象同已知现象进行比较，找出其共同点，进一步推测未知现象的特性和规律。法国物理学家库仑在研究异种电荷的吸引问题时，曾将扭秤的振动周期与电荷间距离的关系类比单摆的振动周期与摆球到地心距离的关系。已知单摆摆长为l，引力常量为G。地球的质量为M。摆球到地心的距离为r，则单摆振动周期T与距离r的关系式为A．B．C．D．【解析】由于万有引力使物体产生加速度，由牛顿第二定律得：，而单摆的振动周期公式为，联立得：。B正确。【答案】B三、万有引力定律在天体运动中的综合应用【例4】（2014·海南卷）设地球自转周期为T，质量为M，引力常量为G，假设地球可视为质量均匀分布的球体，半径为R。同一物体在南极和赤道水平面上静止时所受到的支持力之比为A．B．C．D．【解析】物体在南极地面所受的支持力等于万有引力，。在赤道处，，得，又，则，由以上各式可得，选项A正确。【答案】A【例5】（2014·四川卷）石墨烯是近些年发现的一种新材料，其超高强度及超强导电、导热等非凡的物理化学性质有望使21世纪的世界发生革命性的变化，其发现者由此获得2010年诺贝尔物理学奖。用石墨烯制作超级缆绳，人类搭建“太空电梯”的梦想有望在本世纪实现。科学家们设想，通过地球同步轨道站向地面垂下一条缆绳至赤道基站，电梯仓沿着这条缆绳运动，实现外太空和地球之间便捷的物资交换。（1）若“太空电梯”将货物从赤道基站运到距地面高度为的同步轨道站，求轨道站内质量为的货物相对地心运动的动能。设地球自转角速度为ω，地球半径为R。（2）当电梯仓停在距地面高度的站点时，求仓内质量m2=50kg的人对水平地板的压力大小。取地面附近重力加速度g=10m/s2，地球自转角速度ω=7.3×10-5rad/s，地球半径R=6.4×103km。【解析】（1）设货物到地心的距离为r1，货物的线速度为v1，则有r1=R+h1①v1=r1ω②货物相对于地心的动能为Ek=m1v12③联立①②③，可得Ek=m1ω（R+h1）2④（2）人在仓内，受到万有引力与支持力，此二力的合力即为向心力。设地球质量为M，人到地心的距离为r2，向心加速度为a，受到的万有引力为F故有：r2=R+h2……⑤a=ωr2……⑥F=G……⑦g=……⑧设地板对人的支持力为，人对地面的压力为N=N……⑨F－=a……⑨联立各式，可得N=11.5N。【例6】（2014·北京卷）万有引力定律揭示了天体运动规律与地上物体运动规律具有内在的一致性。（1）用弹簧秤称量一个相对于地球静止的小物体的重量，随称量位置的变化可能会有不同的结果。已知地球质量为M，自转周期为T，万有引力常量为G。将地球视为半径为R、质量均匀分布的球体，不考虑空气的影响。设在地球北极地面称量时，弹簧秤的读数是F0。a．若在北极上空高出地面h处称量，弹簧秤读数为F1，求比值的表达式，并就h=1.0%R的情形算出具体数值（计算结果保留两位有效数字）；b．若在赤道地面称量，弹簧秤读数为F2，求比值的表达式。（2）设想地球绕太阳公转的圆周轨道半径为r、太阳的半径为Rs和地球的半径R三者均减小为现在的1.0%，而太阳和地球的密度均匀且不变。仅考虑太阳和地球之间的相互作用，以现实地球的1年为标准，计算“设想地球”的一年将变为多长？【解析】（1）设小物体质量为ma．在北极地面在北极上空高出地面h处b．在赤道地面，小物体随地球自转做匀速圆周运动，受到万有引力，有得。（2）地球绕太阳做匀速圆周运动，受到太阳的万有引力，设太阳质量为MS，地球质量为M，地球公转周期为Tg，有：得其中ρ为太阳的密度，由上式可知，地球的公转周期仅与太阳的密度、地球公转半径与太阳的半径之比有关，因此“设想地球”的1年与现实地球的1年时间相等。【答案】（1）a．b．（2）不变四、天体间的追及问题【例7】（2014·全国卷I卷）太阳系各行星几乎在同一平面内沿同一方向绕太阳做圆周运动。当地球恰好运行到某地外行星和太阳之间，且三者几乎排成一条直线的现象，天文学称为“行星冲日”。据报道，2014年各行星冲日时间分别是：1月6日木星冲日；4月9日火里冲日；5月11日土星冲日；8月29日海王星冲日；10月8日天王星冲日。已知地球及各地外行星绕太阳运动的轨道半径如下表所示，则下列判断正确的是地球火星木星土星天王星海王星轨道半径（AU）1.01.55.29.51930A．各地外行星每年都会出现冲日现象B．在2015年内一定会出现木星冲日C．天王星相邻两次冲日的时间间隔为土星的一半D．地外行星中，海王星相邻两次冲日的时间间隔最短【解析】本题考查万有引力知识，开普勒行星第三定律，天体追及问题。因为冲日现象实质上是角速度大的天体转过的弧度恰好比角速度小的天体多出2π，所以不可能每年都出现，A选项错误；由开普勒行星第三定律有＝140.608，周期的近似比值为12，故木星的周期约为12年，由曲线运动追及公式＝2nπ，将n＝1代入可得t＝年，为木星两次冲日的时间间隔，所以2015年能看到木星冲日现象，B正确；同理可算出天王星相邻两次冲日的时间间隔为1.01年，土星两次冲日的时间间隔为1.03年，海王星两次冲日的时间间隔为1.006年，由此可知C错误、D正确。【答案】BD五、同步卫星问题【例8】（2014·天津卷）研究表明，地球自转在逐渐变慢，3亿年前地球自转的周期约为22小时。假设这种趋势会持续下去，地球的其他条件都不变，未来人类发射的地球同步卫星与现在相比A．距地球的高度变大B．向心加速度变大C．线速度变大D．加速度变大【解析】同步卫星与地球的自转周期相同，根据万有引力提供向心力，有：，地球自转在逐渐变慢，地球的自转周期变大，那么同步卫星的角速度变小，同步卫星离地高度将变大，A项正确、D项错误；由可知，同步卫星的向心加速度将减小，B项错误；。由可知，线速度变小，C项错误。【答案】A【例9】（2014·大纲卷）已知地球的自转周期和半径分别为T和R，地球同步卫星A的圆轨道半径为h。卫星B沿半径为r（r＜h）的圆轨道在地球赤道的正上方运行，其运行方向与地球自转方向相同。求：（1）卫星B做圆周运动的周期；（2）卫星A和B连续地不能直接通讯的最长时间间隔（信号传输时间可忽略）。【解析】（1）设卫星B绕地心转动的周期为T’，根据万有引力定律和圆周运动的规律有式中G为引力常量，M为地球的质量，m、m’为卫星的质量。联立可得。（2）设卫星A和B连续不能直接通讯的时间间隔为τ，在此时间内，卫星A和B绕地心转动的角度分别为α和α’，则若不考虑卫星A的公转，两卫星不能直接通讯时，卫星B的位置在图中B和B′点之间，图中内圆表示地球的赤道。由几何关系得当r＜h时，卫星B比卫星A转得快，考虑卫星A的公转后应有α’-α=∠BOB’联立各式得。【答案】（1）（2）六、对第一宇宙速度的考查【例10】（2014·福建卷）若有一颗“宜居”行星，其质量为地球的p倍，半径为地球的q倍，则该行星卫星的环绕速度是地球卫星环绕速度的A．倍B．倍C．倍D．倍【解析】第一宇宙速度又叫环绕速度，即绕星球表面飞行的卫星的速度。根据万有引力提供向心力，解得卫星的环绕速度，所以，C项正确。【答案】C【例11】（2014·江苏卷）已知地球的质量约为火星质量的10倍，地球的半径约为火星半径的2倍，则航天器在火星表面附近绕火星做匀速圆周运动的速率约为A．3.5km/sB．5.0km/sC．17.7km/sD．35.2km/s【解析】设航天器的质量为m，地球的质量为M地，半径为R地，火星的质量为M火，半径为R火，航天器在它们表面附近绕它们运动的速率分别为v地、v火，其向心力由它们对航天器的万有引力提供。航天器在星球表面飞行的速度即其第一宇宙速度。由解得所以。v火=v地=×7.9km/s=3.5km/s，A项正确。【答案】A七、天体质量和密度的计算【例12】（2014·全国II卷）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A．B．C.D．【解析】根据万有引力定律可知：，在地球的赤道上：，地球的质量：，联立三式可得:，选项B正确。【答案】B【例13】（2014·广东卷）如图所示，飞行器P绕某星球做匀速圆周运动，星球相对飞行器的张角为θ，下列说法正确的是A．轨道半径越大，周期越长B．轨道半径越大，速度越大C．若测得周期和张角，可得到星球的平均密度D．若测得周期和轨道半径，可得到星球的平均密度【解析】根据，解得，可知半径越大，周期越大，故A正确；根据，解得：，可知半径越大，环绕速度越小，所以B错误。如果测量出周期，则有，如果知道张角θ，则星球半径r与轨道半径R间关系为r=Rsinθ，所以，解得：，故C正确。而D选项无法计算星球半径，则无法求出星球的密度，所以D错误。【答案】AC八、对天体运动中功和能的考查【例14】（2014·山东卷）2013年我国相继完成“神十”与“天宫”对接，“嫦娥”携“玉兔”落月两大工程。某航天爱好者提出“玉兔”回家的设想：如图所示，将携带“玉兔”的返回系统由月球表面发射到h高度的轨道上，与在该轨道绕月球做圆周运动的飞船对接，然后由飞船送“玉兔”返回地球。设“玉兔”质量为m，月球半径为R，月球表面的重力加速度为g月，以月球表面为零势能面，“玉兔”在h高度的引力势能可表示为，其中G为引力常量，M为月球质量。若忽略月球的自转，从开始发射到对接完成需要对“玉兔”做的功为A．B．C．D．【解析】设玉兔在h高度的速度为v，则由可知，玉兔在该轨道上的动能为：，由能的转化和守恒定律可知对玉兔做的功为：，结合在月球表面：，整理可知选项D正确。【答案】D【例15】（2014·重庆卷）如图为“嫦娥三号”探测器在月球上着陆最后阶段的示意图。首先在发动机作用下，探测器受到推力在距月面高度为h1处悬停（速度为0，h1远小于月球半径）；接着推力改变，探测器开始竖直下降，到达距月面高度为h2处的速度为v；此后发动机关闭，探测器仅受重力下落到月面。已知探测器总质量为m（不包括燃料），地球和月球的半径比为k1，质量比为k2，地球表面附近的重力加速度为g。求：例15图（1）月球表面附近的重力加速度大小及探测器刚接触月面时的速度大小；（2）从开始竖直下降到刚接触月面时，探测器机械能的变化。【解析】（1）设地球质量和半径分别为M和R，月球的质量、半径和表面附近的重力加速度分别为M’、R’和g’，探测器刚接触月面时的速度大小为vt。由星球表面万有引力近似等于重力，有：由速度位移公式：。（2）设机械能变化量为ΔE，动能变化量为ΔEk，重力势能变化量为ΔEP。由ΔE=ΔEk+ΔEP，有得。【答案】（1）（2）