天体运动中天体质量和密度的估算与天体表面重力加速度问题(解析版)
天体表面重力加速度问题与天体质量和密度的估算一、天体表面上的重力加速度问题重力是由于物体受到地球的万有引力而产生的，严格说重力只是万有引力的一个分力，另一个分力提供物体随地球自转做圆周运动的向心力，但由于向心力很小，一般情况下认为重力约等于万有引力，即mg＝GMmR2，这样重力加速度就与行星质量、半径联系在一起，高考也多次在此命题。
计算重力加速度的方法(1)在地球表面附近的重力加速度g(不考虑地球自转)：mg＝GmMR2，得g＝GMR2(2)在地球上空距离地心r＝R＋h处的重力加速度为g′，mg′＝GmMR＋h2，得，g′＝GMR＋h2所以gg′＝R＋h2R2(3)其他星球上的物体，可参考地球上的情况做相应分析．【典例1】宇航员王亚平在“天宫1号”飞船内进行了我国首次太空授课，演示了一些完全失重状态下的物理现象。
若飞船质量为m，距地面高度为h，地球质量为M，半径为R，引力常量为G，则飞船所在处的重力加速度大小为()A．0 B.GMR＋h2C.GMmR＋h2D.GMh2【解析】飞船受的万有引力等于在该处所受的重力，即GMmR＋h2＝mg，得g＝GMR＋h2，选项B正确。
【答案】 B【典例2】假设有一火星探测器升空后，先在地球表面附近以线速度v环绕地球飞行，再调整速度进入地火转移轨道，最后以线速度v′在火星表面附近环绕火星飞行。
若认为地球和火星都是质量分布均匀的球体，已知火星与地球的半径之比为1∶2，密度之比为5∶7。
设火星与地球表面的重力加速度分别为g′和g。
下列结论正确的是()A．g′∶g＝1∶4 B．g′∶g＝7∶10C．v′∶v＝528D．v′∶v＝514【答案】 C【典例3】若在某行星和地球上相对于各自的水平地面附近相同的高度处、以相同的速率平抛一物体，它们在水平方向运动的距离之比为2∶7。
已知该行星质量约为地球的7倍，地球的半径为R 。
由此可知，该行星的半径约为( )A.12RB.72R C ．2R D.72R 【答案】 C【解析】 做平抛运动的物体在水平方向上做匀速直线运动，即x ＝v 0t ，在竖直方向上做自由落体运动，即h ＝12gt 2，所以x ＝v 02hg ，两种情况下，物体抛出的速度相同，高度相同，所以g 行g 地＝74，根据公式G Mm R 2＝mg 可得g ＝GMR 2，故g 行g 地＝M 行R 行2M 地R 地2＝74，解得R 行＝2R ，故C 正确。
【跟踪短训】1．宇航员在地球表面以一定初速度竖直上抛一小球，经过时间t 小球落回原地。
若他在某星球表面以相同的初速度竖直上抛同一小球，需经过时间5t 小球落回原地。
已知该星球的半径与地球半径之比为R 星∶R 地＝1∶4，地球表面重力加速度为g ，设该星球表面附近的重力加速度为g ′，空气阻力不计。
则( )A ．g ′∶g ＝5∶1B ．g ′∶g ＝5∶2C ．M 星∶M 地＝1∶20D ．M 星∶M 地＝1∶80【答案】D【解析】 由速度变化的对称性知竖直上抛的小球在空中运动时间t ＝2v 0g ，5t ＝2v 0g ′，因此得g ′g ＝t 5t ＝15，A 、B 错误；由G Mm R 2＝mg 得M ＝gR 2G ，因而M 星M 地＝g ′R 星2gR 地2＝15×⎝⎛⎭⎫142＝180，C 错误，D 正确。
2．有一星球的密度跟地球密度相同，但它表面处的重力加速度是地球表面处重力加速度的4倍，则该星球的质量将是地球质量的(忽略其自转影响)( )A.14 B ．4倍 C ．16倍 D ．64倍【答案】D【解析】 天体表面的重力加速度g ＝GM R 2，又知ρ＝M V ＝3M 4πR 3，所以M ＝9g 316π2ρ2G 3，故M 星M 地＝⎝ ⎛⎭⎪⎫g 星g 地3＝64。
D 正确。
3. 热爱天文科学的某同学从网上得到一些关于月球和地球的信息，如下表中所示。
根据表格中数据，可以计算出地球和月球的密度之比为( )月球半径R 0 月球表面处的重力加速度 g 0 地球和月球的半径之比RR 0＝4 地球表面和月球表面的重力加速度之比g g 0＝6 A.3∶2 B ．2∶3 C ．4∶1 D ．6∶1【答案】A4．据报道，科学家们在距离地球20万光年外发现了首颗系外“宜居”行星。
假设该行星质量约为地球质量的6.4倍，半径约为地球半径的2倍。
那么，一个在地球表面能举起64 kg 物体的人，在这个行星表面能举起的物体的质量约为(地球表面重力加速度g ＝10 m/s 2)( )A ．40 kgB ．50 kgC ．60 kgD ．30 kg【答案】A【解析】 在地球表面，万有引力近似等于重力GMm R 2＝mg ，得g ＝GMR 2，因为行星质量约为地球质量的6.4倍，其半径约为地球半径的2倍，则行星表面重力加速度是地球表面重力加速度的1.6倍，而人的举力可认为是不变的，则人在行星表面所举起的物体的质量为：m ＝m 01.6＝641.6kg ＝40 kg ，故A 正确。
5．科幻大片《星际穿越》是基于知名理论物理学家基普·索恩的黑洞理论，加入人物和相关情节改编而成的。
电影中的黑洞花费三十名研究人员将近一年的时间，用数千台计算机精确模拟才得以实现，让我们看到了迄今最真实的黑洞模样。
若某黑洞的半径R 约为45 km ，质量M 和半径R 的关系满足M R ＝c 22G (其中c＝3×108 m/s ，G 为引力常量)，则该黑洞表面的重力加速度约为( )A ．108 m/s 2B ．1010 m/s 2C ．1012 m/s 2D ．1014 m/s 2【答案】C【解析】 黑洞实际为一天体，天体表面的物体受到的重力近似等于物体与该天体之间的万有引力，设黑洞表面的重力加速度为g ，对黑洞表面的某一质量为m 的物体，有GMm R 2＝mg ，又有M R ＝c 22G ，联立解得g ＝c 22R，代入数据得重力加速度约为1012 m/s 2，故选项C 正确。
6. 假设地球是一半径为R 、质量分布均匀的球体。
一矿井深度为d ，已知质量分布均匀的球壳对壳内物体的引力为零。
矿井底部和地面处的重力加速度大小之比为( )A ．1－dRB ．1＋dRC.⎝⎛⎭⎫R －d R 2D.⎝⎛⎭⎫R R －d 2【答案】 A【解析】 如图所示，7. 月球是离地球最近的天体，已知月球质量为M ，半径为R ，引力常量为G ，若忽略月球的自转，则关于在月球表面所做的实验，下列叙述正确的是( )A ．把质量为m 的物体竖直悬挂在弹簧测力计下，静止时弹簧测力计的示数为GMmR 2B ．以初速度v 0竖直上抛一个物体，则物体经时间2π RGM落回原处 C ．把羽毛和铁锤从同一高度同时释放，则铁锤先落地D ．用长为l 的细绳拴一质量为m 的小球在竖直平面内做圆周运动，则小球的最小动能为GMml2R 2【答案】AD二、中心天体质量和密度的估算(1)“g 、R 法”：已知天体表面的重力加速度g 和天体半径R 。
①由G Mm R 2＝mg 得天体质量M ＝g R 2G 。
②天体密度ρ＝M V ＝M 43πR 3＝3g4πGR。
(2)“T 、r 法”：测出卫星绕中心天体做匀速圆周运动的半径r 和周期T 。
①由G Mm r 2＝m 4π2r T 2得天体的质量M ＝4π2r 3GT2。
②若已知天体的半径R ，则天体的密度ρ＝M V ＝M 43πR 3＝3πr 3GT 2R 3。
③若卫星绕天体表面运行时，可认为轨道半径r 等于天体半径R ，则天体密度ρ＝3πGT 2可见，只要测出卫星环绕天体表面运动的周期T ，就可估算出中心天体的密度。
【典例1】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g 0，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.3πGT 2g 0－g g 0B.3πGT 2g 0g 0－gC.3πGT 2D.3πGT 2g 0g【答案】 B【解析】 物体在地球的两极时，mg 0＝G Mm R 2，物体在赤道上时，mg ＋m ⎝⎛⎭⎫2πT 2R ＝G MmR 2，以上两式联立解得地球的密度ρ＝3πg 0GT 2g 0－g。
故选项B 正确，A 、C 、D 错误。
【典例2】利用引力常量G 和下列某一组数据，不能计算出地球质量的是( ) A ．地球的半径及重力加速度(不考虑地球自转)B ．人造卫星在地面附近绕地球做圆周运动的速度及周期C ．月球绕地球做圆周运动的周期及月球与地球间的距离D ．地球绕太阳做圆周运动的周期及地球与太阳间的距离 【答案】D【跟踪短训】1. “嫦娥一号”是我国首次发射的探月卫星，它在距月球表面高度为200 km 的圆形轨道上运行，运行周期为127分钟。
已知引力常量G ＝6.67×10－11N·m 2/kg 2，月球半径约为1.74×103 km 。
利用以上数据估算月球的质量约为( )A ．8.1×1010 kgB ．7.4×1013 kgC ．5.4×1019 kgD ．7.4×1022 kg【答案】 D【解析】 对“嫦娥一号”探月卫星，由于万有引力提供其做圆周运动的向心力，则GMmR ＋h 2＝m 4π2T 2(R ＋h )，整理得：M ＝4π2GT2(R ＋h )3，代入数据可得M ≈7.4×1022 kg ，D 正确。
2. “嫦娥一号”是我国首次发射的探月卫星，它在距月球表面高度为200 km 的圆形轨道上运行，运行周期为127分钟．已知引力常量G ＝6.67×10－11N·m 2/kg 2，月球半径约为1.74×103 km.利用以上数据估算月球的质量约为( )．A ．8.1×1010kgB ．7.4×1013kgC ．5.4×1019kgD ．7.4×1022kg【答案】 D【解析】 天体做圆周运动时都是万有引力提供向心力．“嫦娥一号”绕月球做匀速圆周运动，由牛顿第二定律知：GMm r 2＝4π2mr T 2，得M ＝4π2r 3GT2，其中r ＝R ＋h ，代入数据解得M ＝7.4×1022kg ，选项D 正确．3．一卫星绕某一行星表面附近做匀速圆周运动，其线速度大小为v .假设宇航员在该行星表面上用弹簧测力计测量一质量为m 的物体重力，物体静止时，弹簧测力计的示数为N .已知引力常量为G ，则这颗行星的质量为( )．A.mv 2GNB ．mv 4GNC ．Nv 2GmD ．Nv 4Gm【答案】 B。
专题5.2 天体质量和密度的估算(解析版)-3年高考2年模拟1年原创备战2020高考精品系列之物理
专题5.2天体质量和密度的估算【考纲解读与考频分析】利用万有引力等于重力可以估算地球质量，若测量出绕天体运行卫星的周期和轨道半径可以估算天体的质量，若知道天体的半径，可以估算出天体的密度。
高考有关天体质量和密度的估算考查频率较高。
【高频考点定位】：天体质量和密度的估算考点一：天体质量和密度的估算【3年真题链接】1.（2018高考理综II ·16）2018年2月，我国500m 口径射电望远镜（天眼）发现毫秒脉冲星“J0318+0253”，其自转周期T =5.19ms ，假设星体为质量均匀分布的球体，已知万有引力常量为11226.6710N m /kg -⨯⋅。
以周期T 稳定自转的星体的密度最小值约为（）A ．93510kg /m ⨯B ．123510kg /m⨯C ．153510kg /m ⨯D ．183510kg /m⨯【参考答案】C【命题意图】本题考查万有引力定律、牛顿运动定律、密度及其相关的知识点。
【解题思路】设脉冲星质量为M ，半径为R 。
选取脉冲星赤道上一质元，设质量为m ，由万有引力定律和牛顿第二定律可得G2Mm R =mR （2T π）2，星体最小密度ρ=M/V ，星球体积V=43πR 3，联立解得：ρ=23GTπ，代入数据得ρ=5×1015kg/m ，选项C 正确。
2.（2018高考全国理综I ）．2017年，人类第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波。
根据科学家们复原的过程，在两颗中子星合并前约100s 时，它们相距约400km ，绕二者连线上的某点每秒转动12圈，将两颗中子星都看作是质量均匀分布的球体，由这些数据、万有引力常量并利用牛顿力学知识，可以估算出这一时刻两颗中子星（）A．质量之积B．质量之和C．速率之和D．各自的自转角速度【参考答案】BC【命题意图】本题考查天体运动、万有引力定律、牛顿运动定律及其相关的知识点。
【解题思路】双中子星做匀速圆周运动的频率f=12Hz（周期T=1/12s），由万有引力等于向心力，可得，G122m mr=m1r1（2πf）2，G122m mr=m2r2（2πf）2，r1+r2=r=40km，联立解得：（m1+m2）=（2πf）2Gr3，选项B正确A错误；由v1=ωr1=2πf r1，v2=ωr2=2πf r2，联立解得：v1+v2=2πf r，选项C正确；不能得出各自自转的角速度，选项D错误。
高中物理天体运动知识
“万有引力定律”习题归类例析.一、求天体的质量(或密度)1.根据天体表面上物体的重力近似等于物体所受的万有引力,由天体表面上的重力加速度和天体的半径求天体的质量由mg=G 得 .(式中M、g、R分别表示天体的质量、天体表面的重力加速度和天体的半径.)[例1]宇航员站在一星球表面上的某高处,沿水平方向抛出一小球,经过时间t,小球落在星球表面,测得抛出点与落地点之间的距离为L,若抛出时的初速度增大到2倍,则抛出点与落地点间的距离为L,已知两落地点在同一水平面上,该星球的半径为R,引力常量为G,求该星球的质量M和密度ρ.[解析]此题的关键就是要根据在星球表面物体的运动情况求出星球表面的重力加速度,再根据星球表面物体的重力等于物体受到的万有引力求出星球的质量和星球的密度.根据平抛运动的特点得抛出物体竖直方向上的位移为设初始平抛小球的初速度为v,则水平位移为x=vt.有○1当以2v的速度平抛小球时,水平位移为x'= 2vt.所以有②在星球表面上物体的重力近似等于万有引力,有mg=G ③联立以上三个方程解得而天体的体积为,由密度公式得天体的密度为。
2.根据绕中心天体运动的卫星的运行周期和轨道半径,求中心天体的质量卫星绕中心天体运动的向心力由中心天体对卫星的万有引力提供,利用牛顿第二定律得若已知卫星的轨道半径r和卫星的运行周期T、角速度或线速度v,可求得中心天体的质量为[例2]下列几组数据中能算出地球质量的是(万有引力常量G是已知的)()A.地球绕太阳运行的周期T和地球中心离太阳中心的距离rB.月球绕地球运行的周期T和地球的半径rC.月球绕地球运动的角速度和月球中心离地球中心的距离rD.月球绕地球运动的周期T和轨道半径r[解析]解此题关键是要把式中各字母的含义弄清楚,要区分天体半径和天体圆周运动的轨道半径.已知地球绕太阳运行的周期和地球的轨道半径只能求出太阳的质量,而不能求出地球的质量,所以A项不对.已知月球绕地球运行的周期和地球的半径,不知道月球绕地球的轨道半径,所以不能求地球的质量,所以B 项不对.已知月球绕地球运动的角速度和轨道半径,由可以求出中心天体地球的质量,所以C项正确.由求得地球质量为,所以D项正确.二、人造地球卫星的运动参量与轨道半径的关系问题根据人造卫星的动力学关系可得由此可得线速度v与轨道半径的平方根成反比;角速度与轨道半径的立方的平方根成反比,周期T与轨道半径的立方的平方根成正比;加速度a与轨道半径的平方成反比.[例3两颗人造卫星A、B绕地球做圆周运动,周期之比为,则轨道半径之比和运动速率之比分别为()A.B.C.D.[解析]由可得卫星的运动周期与轨道半径的立方的平方根成正比,由可得轨道半径,然后再由得线速度。
秘籍06 天体运动中的五类热点问题和三大概念理解应用(教师版)-备战2024年高考物理抢分秘籍
秘籍06天体运动中的五类热点问题和三大概念理解一、开普勒行星运动定律k ,k 是一个与行星无关的常量注意：（1）行星绕太阳运动的轨道通常按圆轨道处理．（2）由开普勒第二定律可得12Δl 1r 1＝12Δl 2r 2，12v 1·Δt ·r 1＝12v 2·Δt ·r 2，解得v 1v 2＝r2r 1，即行星在两个位置的速度之比与到太阳的距离成反比，近日点速度最大，远日点速度最小．（3）开普勒第三定律a 3T2＝k 中，k 值只与中心天体质量有关二、万有引力定律的理解1．万有引力与重力的关系地球对物体的万有引力F 表现为两个效果：一是重力mg ，二是提供物体随地球自转的向心力F 向．(1)在赤道上：G MmR 2＝mg 1＋mω2R .(2)在两极上：G MmR2＝mg 0.(3)在一般位置：万有引力GMmR2等于重力mg 与向心力F 向的矢量和．越靠近南、北两极，g 值越大，由于物体随地球自转所需的向心力较小，常认为万有引力近似等于重力，即GMmR 2＝mg .2．星球上空的重力加速度g ′星球上空距离星体中心r ＝R ＋h 处的重力加速度为g ′，mg ′＝GmM （R ＋h ）2，得g ′＝GM（R ＋h ）2.所以g g ′＝（R ＋h ）2R2.3．万有引力的“两点理解”和“两个推论”(1)两点理解①两物体相互作用的万有引力是一对作用力和反作用力．②地球上的物体受到的重力只是万有引力的一个分力．(2)两个推论：①推论1：在匀质球壳的空腔内任意位置处，质点受到球壳的万有引力的合力为零，即∑F 引＝0.②推论2：在匀质球体内部距离球心r 处的质点(m )受到的万有引力等于球体内半径为r 的同心球体(M ′)对其的万有引力，即F ＝GM ′mr 2.三、宇宙速度的理解与计算1．第一宇宙速度的推导方法一：由G Mm R 2＝m v 21R ，得v 1＝GM R＝ 6.67×10－11×5.98×10246.4×106m/s ＝7.9×103m/s.方法二：由mg ＝m v 21R得v 1＝gR ＝9.8×6.4×106m/s ＝7.9×103m/s.第一宇宙速度是发射人造卫星的最小速度，也是人造卫星的最大环绕速度，此时它的运行周期最短，T min ＝2πRg＝5078s≈85min.2．宇宙速度与运动轨迹的关系(1)v 发＝7.9km/s 时，卫星绕地球表面做匀速圆周运动．(2)7.9km/s<v 发<11.2km/s ，卫星绕地球运动的轨迹为椭圆．(3)11.2km/s≤v 发<16.7km/s ，卫星绕太阳做椭圆运动．(4)v 发≥16.7km/s ，卫星将挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的空间．3.对第一宇宙速度的理解1.第一宇宙速度是人造地球卫星的最小发射速度，也是卫星贴近地面运行的速度，即人造地球卫星的最大运行速度．2.当卫星的发射速度v 满足7.9km/s<v <11.2km/s 时，卫星绕地球运行的轨道是椭圆，地球位于椭圆的一个焦点上．四、赤道上的物体与近地卫星、同步卫星的比较1．分析人造卫星运动的两条思路(1)万有引力提供向心力即G Mmr2＝ma 。
天体的圆周运动
天体的圆周运动一、天体（卫星）绕中心天体做圆周运动（中心天体质量M , 天体半径R, 天体表面重力加速度g ）1、两个基本关系：（1）．万有引力=向心力 ()m h MmG =+2R ()()()h Tm h m h V +=+=+R 4R R 2222πω （2）．万有引力=重力 地表面物体的重力加速度：mg = G 2R Mm （黄金替换）高空物体的重力加速度：mg 0 = G 2)(h R Mm +2、考点： （1）基本计算（2）卫星间的对比，例如：半径、线速度、角速度、周期、向心加速度大小、向心力大小（3）卫星的变轨问题3、解题思路：（1）建立物理模型，画出草图（2）找出题目给出物理量，如相同量和不同量，一般从轨道半径r 入手（3）灵活选用公式进行分析二、两种特殊的地球卫星：1、近地卫星：指的是贴着地球表面运行的卫星。
特点： 轨道半径最小（等于地球半径），运行线速度最大（等于第一宇宙速度）、角速度最大、周期最小。
2、地球同步卫星 ：指的是运行情况与地球自转同步，即地球自转一圈，卫星也转一圈。
特点： 同步卫星的轨道在赤道正上方，且运行周期T=24h 、角速度W 是固定的。
由公式可得，距离地面高度h 、线速度V 大小、向心加速度a 大小都固定。
因此卫星的运行轨道是唯一的。
但向心力大小是没固定的，因为每颗卫星的质量是不同的。
三、三种宇宙速度1、第一宇宙速度: 卫星贴近地球表面飞行所具有的速度。
大小：由 R v m R Mm G 22= ， mg RMm G =2 代入数据可得：V=7.9 km/s 特点：既是最大环绕速度，也是最小发射速度 （？？）2、第二宇宙速度:脱离地球而飞到其他行星所具有的速度。
V=11.2 km/s3、第三宇宙速度:逃逸出太阳系所具有的速度。
V=16.7 km/s课前练习1、人造卫星进入轨道作匀速圆周运动时，卫星内物体（）A．处于完全失重状态，所受重力为零B．处于完全失重状态，但仍受重力作用C．所受重力就是它作匀速圆周运动所需的向心力D．处于平衡状态，即所受合外力为零2、绕地球运行的人造地球卫星的质量、速度、卫星与地面间距离三者之间的关系是（）A．质量越大，离地面越远，速度越小B．质量越大，离地面越远，速度越大C．与质量无关，离地面越近，速度越大D．与质量无关，离地面越近，速度越小3、关于地球的第一宇宙速度,下列说法中正确的是( )A它是人造地球卫星环绕地球运转的最小速度B它是近地圆行轨道上人造卫星的运行速度C 它是能使卫星进入近地轨道最小发射速度D它是能使卫星进入轨道的最大发射速度巩固练习1、同步卫星相对地面静止，犹如悬在高空中，下列说法中不正确的是：（）A．同步卫星处于平衡状态B．同步卫星的速率是唯一的C．同步卫星加速度大小是唯一的D．各国的同步卫星都在同一圆周上运行2、关于地球同步通迅卫星，下列说法正确的是：A．所有的地球同步卫星的质量都相等B．各国发射的这种卫星轨道半径都一样C．它运行的线速度一定小于第一宇宙速度D．它运行的线速度介于第一和第二宇宙速度之间3、如图三颗人造地球卫星A、B、C在地球的大气层外沿如图所示的轨道做匀速圆周运动，已知m A = m B> m C，则A．线速度大小的关系是v A>v B=v C B．周期关系是T A<T B=T CC．向心力大小的关系是F A>F B>F C D．向心加速度大小的关系是a A>a B>a C4、2009年2月11日，俄罗斯的“宇宙—2251”卫星和美国的“铱—33”卫星在西伯利亚上空约805 km 处发生碰撞，假定有甲、乙两块碎片绕地球运动的轨道都是圆，甲的运行速率比乙的大，则下列正确的A．甲的运行周期一定比乙的长B．甲距地面的高度一定比乙的高C．甲的向心力一定比乙的小D．甲的加速度一定比乙的大5、火星有两颗卫星，分别是火卫一和火卫二，它们的轨道近似为圆。
2021年高考【物理】一轮复习考点5.2 中心天体质量密度的计算问题(解析版)
Mm 4π2 （2）利用 G r2 ＝m T2 r 计算天体质量时，只能计算中心天体的质量，不能计算绕行天体的质量。
M
M
4
4
πR3
πr3
（3）注意区分轨道半径 r 和中心天体的半径 R，计算中心天体密度时应用 ρ＝3 而不是 ρ＝3 ，但在
表面附近绕行的卫星，可近似认为 R＝r。
【典例分析】
【例 1】(多选)(2020·湖南地质中学三模)若宇航员在月球表面附近高 h 处以初速度 v0 水平抛出一个小球， 测出小球的水平射程为 L。已知月球半径为 R，引力常量为 G。则下列说法正确的是( )
Mm v2
G R2 ＝m R ＝mg 可知该天体的第一宇宙速度为 v＝ gR，选项 C 错误．
3．(2020·福建宁德市 5 月质检)2019 年 4 月 10 日 21 时，人类首张黑洞照片在全球六地的“事件视界望远镜” M c2
发布会上同步发布．该黑洞半径为 R，质量 M 和半径 R 的关系满足： R ＝2G(其中 c 为光速，G 为引力常 量)．若天文学家观测到距黑洞中心距离为 r 的天体以速度 v 绕该黑洞做匀速圆周运动，则( )
误．
【例 3】(多选)(2020·贵州部分重点中学联考)“开普勒”空间望远镜发现了与地球相似的太阳系外行星——开 普勒－452b。开普勒—452b 围绕其恒星开普勒－452 公转一周的时间是地球绕太阳公转一周的 1 055 倍， 开普勒－452b 到开普勒－452 的距离与地球到太阳的距离接近，则由以上数据可以得出( )
4.(2020·丽水月考)利用引力常量 G 和下列有关数据，不能计算出地球质量的是( )
A．地球的半径及重力加速度(不考虑地球自转)
B．人造卫星在地面附近绕地球做圆周运动的速度及周期
关于天体的计算
关于天体的计算关于天体的计算,我们可以归纳出这样几种典型问题:1.重力加速度的计算;2.中心天体质量的计算;3.第一宇宙速度的计算;4.中心天体密度的计算;5.周期与时间计算。
例题解读 1.重力加速度例1.宇航员在地球表面以一定初速度竖直上抛一小球,经过时间t小球落回原处;若他在某星球表面以相同的初速度竖直上抛同一小球,需经过时间5t小球落回原处。
(取地球表面重力加速度g=10 m/s2,空气阻力不计)⑴求该星球表面附近的重力加速度g/;⑵已知该星球的半径与地球半径之比为R星:R地=1:4物理论文,求该星球的质量与地球质量之比M星:M地。
解析:⑴所以有:⑵,所以可解得:M星:M地=1′12:5′42=1:80,点拨:重力加速度的计算,我们一般这样处理。
由得,式中R为中心天体的半径,h为物体距中心天体表面的高度。
2.质量例2.两个星球组成双星,它们在相互之间的万有引力作用下,绕连线上某点做周期相同的匀速圆周运动。
现测得两星中心距离为R,其运动周期为T,求两星的总质量。
解析:此为天体运动的双星问题,除两星间的作用外物理论文,其他天体对其不产生影响。
两星球周期相同,有共同的圆心,且间距不变,其空间分布如图2所示。
图2设两星质量分别为M1和M2,都绕连线上O点做周期为T的圆周运动,两星到圆心的距离分别为L1和L2,由于万有引力提供向心力,故有=M 1 ①=M 2 ②由几何关系知L1+L2=R, ③联立解得 M1+M2=点拨:天体质量的计算,我们的一般过程是这样的。
1.由得;2.由得.本题的解答告诉我们,物体在中心天体表面或表面附近时物理论文,物体所受重力近似等于万有引力。
该式给出了中心天体质量、半径及其表面附近的重力加速度之间的关系,是一个非常有用的代换式。
3.第一宇宙速度例3.若取地球的第一宇宙速度为8 km/s,某行星的质量是地球的6倍,半径是地球的1.5倍,这行星的第一宇宙速度约为( )A.16 km/sB.32 km/sC.4 km/sD.2 km/s解析: 此类题要结合第一宇宙速度的计算公式进行对比分析来计算.由G=m得v=.因为行星的质量M′是地球质量M的6倍,半径R′是地球半径R的1.5倍.即M′=6M,R′=1.5R得:=2即:v′=2v=2×8 km/s=16 km/s.答案为A.点拨:计算第一宇宙速度有两种方法:1.由G=得:v=;2.由mg=m得:v=。
2020年高考物理专题复习：天体质量和密度的估算精讲
考点精讲一、万有引力定律及其应用1. 内容：自然界中任何两个物体都相互吸引，引力的方向在它们的连线上，引力的大小与物体的质量m 1和m 2的乘积成正比、与它们之间距离r 的二次方成反比。
2. 表达式：F ＝221rm Gm ，G 为引力常量：G ＝6.67×10－11N·m 2/kg 2。
3. 适用条件：（1）公式适用于质点间的相互作用，当两物体间的距离远远大于物体本身的大小时，物体可视为质点；（2）质量分布均匀的球体可视为质点，r 是两球心间的距离。
二、天体质量和密度的计算1. 解决天体（卫星）运动问题的基本思路（1）天体运动的向心力来源于天体之间的万有引力，即G 2rMm ＝ma n ＝m r v 2＝mω2r ＝m 224T r π； （2）在中心天体表面或附近运动时，万有引力近似等于重力，即G 2RMm＝mg （g 表示天体表面的重力加速度）。
2. 天体质量和密度的计算（1）利用天体表面的重力加速度g 和天体半径R 。
由于G 2RMm＝mg ，故天体质量M ＝G gR 2，天体密度ρ＝334R MV M π=＝GR g π43。
（2）通过观察卫星绕天体做匀速圆周运动的周期T 和轨道半径r 。
①由万有引力等于向心力，即G 2r Mm＝m 224Tπr ，得出中心天体质量M ＝2324GT r π； ②若已知天体半径R ，则天体的平均密度ρ＝334R M V M π=＝323R GT r 3π； ③若天体的卫星在天体表面附近做环绕天体运动，可认为其轨道半径r 等于天体半径R ，则天体密度ρ＝23GTπ。
可见，只要测出卫星环绕天体表面运动的周期T ，就可估算出中心天体的密度。
典例精析例题1 英国物理学家卡文迪许测出万有引力常量G ，因此卡文迪许被人们称为能称出地球质量的人。
若已知万有引力常量G ，地球表面处的重力加速度g ，地球半径R ，地球上一个昼夜的时间T 1（地球自转周期），一年的时间T 2（地球公转周期），地球中心到月球中心的距离L 1，地球中心到太阳中心的距离L 2。
天体质量和密度计算问题(一轮复习上课用)
【例3】 (2017·北京理综，17)利用引力
常量G和下列有关数据，不能计算出地球质
量的是( D )
A．地球的半径及重力加速度(不考虑地球 自转) B．人造卫星在地面附近绕地球做圆周运动 的速度及周期 C．月球绕地球做圆周运动的周期及月球与 地球间的距离 D．地球绕太阳做圆周运动的周期及地球与 太阳间的距离
计算中心天体的质量、密度时的两点区别 (1)天体半径和卫星的轨道半径 通常把天体看成一个球体，天体的半径指 的是球体的半径。卫星的轨道半径指的是 卫星围绕天体做圆周运动的圆的半径。卫 星的轨道半径大于等于天体的半径。 (2)自转周期和公转周期 自转周期是指天体绕自身某轴线运动一周 所用的时间，公转周期是指卫星绕中心天 体做圆周运动一周所用的时间。自转周期 与公转周期一般不相等。
天体质量和密度计算问题
2．“T、r”法：测出卫星绕中心天体做匀速圆周运 动的半径 r 和周期 T。 (1)由 GMr2m＝m4Tπ22r，得 M＝4GπT2r23。
(2)若已知天体的半径 R，则天体的密度 ρ＝MV ＝43πMR3＝G3Tπ2rR3 3。
(3)若卫星绕天体表面运行时，可认为轨道半径 r 等
T1(地球自转周期)，一年的时间 T2(地球公转周期)，地球中心到月
球中心的距离 L1，地球中心到太阳中心的距离 L2.你能计算出(AB)
A．地球的质量 m 地＝gGR2
B．太阳的质量 m 太＝4GπT2L2232
C．月球的质量 m 月＝4GπT2L2131 D．可求月球、地球及太阳的密度
【解析】 对地球表面的一个物体m0来说，应有m0g＝
估算天体质量和密度的一般思路
￡ 搿 ￡ ｚ ≮
， ｜ 锺 ≠ ｈ ）
蝻 震 霎 ｉ
蒜 ％
量Ｇ ， 地球 表 面 处 的重 ｈ加 速 度 ｇ， 地 球 半 径
Ｒ， 地 球 上 一 个 昼 夜 的 时 间 （ 地 球 自转 周
期） ， 一年 的时间 （ 地 球 公 转周 期 ） ， 地球 中
地 球密
— １ Ｔ
心到 月球 中心 的距 离 Ｌ ， 地球 中心到 太 阳 中
正 确． 对 月 球 绕 地 球 运 动来 说 ， 能 求 地 球 质
项错 误 ．
不知 道月 球 的相 关参 量 及 月 球 的卫 星 运 （ １ ）若 已知 月球 绕地球 做 匀速 圆周 运动 量 ， 动 参量 ， 无 法 求 出它 的质 量 和 密 度 ， Ｃ 、 Ｄ 选 的周期 和 轨道半 径 ｒ 由万有 引力 等 于 向心 力 ， 即
了
选 项正 确 ； 由Ｇ ｉｍ ＝ｍ ｇ和 Ｍ Ｒ的表达 式推
．
＝
・
式 中 Ｒ为 天体 的 半径 ， ｒ 为轨 道 半 径 ， 两 者不 可混 淆．
得 ｇ： ， Ｄ选 项错 误．
以 上计 算 天 体 质 量 和 密 度 的 方 法 ， 也 由地 球 对月 球 的引 力等 于月 球做 匀 速 圆 适 用 于 其 他 中 心 天 体 ． 但 利 用 密 度 公 式 计 周 运 动 的 向心力 算天体 密度 时 ， 要 注 意 区 分 中心 天 体 的半
ｚ ． 由上述 已知量 能计 算 出 （ 例 １ 在 月球 上 以初 速 度 竖 直上 心的距 离 Ｌ
抛 一 个 小球 ， 经过 时 间 ｔ 落回到 抛 出点 ， 已知 Ａ．地 球 的质 量 Ｍ地：
）
2022-2023年高考物理一轮复习 万有引力与航天课件(重点难点易错点核心热点经典考点)
1．不考虑自转问题时，有G
Mm R2
＝mg，其中g为星球表面
的重力加速度，若考虑自转问题，如诊断卷第2题，则在两极
才有：GMRm2 ＝mg，而赤道上则有：GMRm2 －mg＝m4Tπ22R。
2．根据自由落体、竖直上抛、平抛运动等知识计算出
星球表面的重力加速度g，再由mg＝G
Mm R2
＝m
v2 R
，去估算星
地球的质量)
()
A．M1＝12M C．M1＝14M
B．M1＝2M D．M1＝4M
解析：根据平抛运动规律：竖直方向h＝12gt2，水平方向x
＝vt，可计算星球表面重力加速度g＝
2hv2 x2
，可得g1＝
1 16
g，再由星球表面万有引力公式G
Mm R2
＝mg，R1＝2R，可
得M1＝M4 ，C正确。
答案：C
Mm r2
＝mrω2可
知，天宫二号的角速度大，所以“天链二号01星”不能一直
位于“天宫二号”的正上方，且会出现地球位于两卫星连线
中间的时刻，此时无法直接通信，B、C错误；同步轨道上
的“天链二号01星”相对地面静止，与赤道上物体具有相同
的角速度，根据a＝rω2，“天链二号01星”的轨道半径大，
所以向心加速度大，D正确。 答案：AD
GMRm2 ＝ mg 求出M，进而求得ρ＝MV ＝43πMR3＝4π3GgR。
2．利用环绕天体的轨道半径r、周期T：由G
Mm r2
4π2 ＝m__T__2_r
可得出M＝
4π2r3 GT2
，若环绕天体绕中心天体
表面
做匀速圆周运
动时，轨道半径r＝R，则ρ＝43πMR3＝G3Tπ2。