物理20分钟专题突破（10）

万有引力定律

1．美国研究人员最近在太阳系边缘新观测到以一个类行星天体，其直径估计在1600公里左右，有可能是自1930年发现冥王星以来人类在太阳系中发现的最大天体――太阳的第十大行星.若万有引力常量用G表示，该行星天体的半径用r、质量用m表示，该行星天体到太阳的平均距离用R表示，太阳的质量用M表示，且把该类行星天体的轨道近似地看作圆，那么该天体运行的公转周期为（     ）

A．   B．      C．      D．

2．一空间站正在沿圆形轨道绕地球运动，现从空间站向其运行方向弹射出一个小物体（质量远小于空间站的质量），当空间站再次达到重新稳定运行时，与原来相比（    ）

A．空间站仍在原轨道上运行，但速率变小，周期变大

B．空间站的高度变小，速率变小，周期变大

C．空间站的高度变小，速率变大，周期变小

D．空间站的高度变大，速率变小，周期变大

3．最近，科学家在望远镜中看到太阳系外某一恒星有一行星，并测得它围绕该恒星运行一周所用的时间为1200 年，它与该恒星的距离为地球到太阳距离的100 倍。假定该行星绕恒星运行的轨道和地球绕太阳运行的轨道都是圆周，仅利用以上两个数据可以求出的量有（       ）

A．恒星质量与太阳质量之比     B．恒星密度与太阳密度之比

C．行星质量与地球质量之比     D．行星运行速度与地球公转速度之比

4． 在发射地球同步卫星的过程中，卫星首先进入椭圆轨道Ⅰ，然后在Q点通过改变卫星速度，让卫星进入地球同步轨道Ⅱ。则（    ）

A．该卫星的发射速度必定大于11.2km/s

B．卫星在同步轨道Ⅱ上的运行速度大于7.9km/s

C．在轨道Ⅰ上，卫星在P点的速度大于在Q点的速度

D．卫星在Q点通过加速实现由轨道Ⅰ进入轨道Ⅱ

5．当今的科技发展迅猛，我们设想，如果地球是个理想的球体，沿地球的南北方向修一条平直的闭合高速公路，一辆性能很好的汽车在这条高速公路上可以一直加速下去，并且忽略空气阻力，那么这辆汽车的最终速度（    ）

A．与飞机速度相当        B．小于“神舟”六号飞船的速度

C．可以达到7.9km/s       D．无法预测

6．假设有两个天体，质量分别为m₁和m₂，它们相距r；其他天体离它们很远，可以认为这两个天体除相互吸引作用外，不受其他外力作用．这两个天体之所以能保持距离r不变，完全是由于它们绕着共同“中心”（质心）做匀速圆周运动，它们之间的万有引力作为做圆周运动的向心力，“中心”O位于两个天体的连线上，与两个天体的距离分别为r₁和r₂．

（1）r₁、r_2­各多大？

（2）两天体绕质心O转动的角速度、线速度、周期各多大？

7．已知地球半径为R，一只静止在赤道上空的热气球（不计气球离地高度）绕地心运动的角速度为，在距地面h高处圆形轨道上有一颗人造地球卫星，设地球质量为M，热气球的质量为m，人造地球卫星的质量为m₁，根据上述条件，有一位同学列出了以下两个式子：

对热气球有：

对人造地球卫星有：

进而求出了人造地球卫星绕地球运行的角速度.

你认为这个同学的解法是否正确？若认为正确，请求出结果.若认为不正确，请补充一个条件后，再求出.

1．根据万有引力定律：，得：T=

答案：A

2．在轨道上向其运行方向弹射一个物体，由于质量远小于空间站的质量，空间站仍沿原方向运动。根据动量守恒，弹出后一瞬间，空间站沿原运行方向的速度变小，提供的向心力（万有引力）大于需要的向心力，轨道半径减小，高度降低，在较低的轨道上运行速率变大，周期变小。

答案：C

3．根据万有引力定律：可得：M=,可求出恒星质量与太阳质量之比，根据可得：v=,可求出行星运行速度与地球公转速度之比。

答案：AD

4．卫星仍围绕地球运行，所以发射速度小11.2km/s；最大环绕速度为7.9km/s，所以在轨道Ⅱ上的速度小于7.9km/s；根据机械能守恒可知：卫星在P点的速度大于在Q点的速度；卫星在轨道Ⅰ的Q点是提供的向心力大于需要的向心力，在轨道Ⅱ上Q点是提供的向心力等于需要的向心力，所以在Q点从轨道Ⅰ进入轨道Ⅱ必须增大速度。

答案：CD

5．在理想情况下一直加速，可以达到围绕地球表面做圆周运动，即第一宇宙速度。答案：C

6．解答：根据题意作图1―4．

对这两个天体而言，它们的运动方程分别为   ①

   ②

以及       ③

由以上三式解得．

将r₁和r₂的表达式分别代①和②式，

可得．

7．解析：第一个等式（对热气球）不正确，因为热气球不同于人造卫星，热气球静止在空中是因为浮力与重力平衡，它绕地心运动的角速度应等于地球自转的角速度

   （1）若补充地球表面的重力加速度为g，可以认为热气球受到的万有引力近似等于其重力，则有

与第二个等式联立可得

 （2）若利用同步卫星的离地高度H有：

与第二个等式联立可得

   （3）若利用第一宇宙速度v₁，有

与第二个等式联立可得

此外若利用近地卫星运行的角速度也可求出来.

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