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5.天宮一號、二號的成功發(fā)射以及與“神舟”飛船的交會對接為我國建立長期運行的空間站積累的寶貴的經驗,加入我國的空間站進入運動軌道后,其運行周期為T,距地面的高度為h,已知地球半徑為R,引力常量為G,若將天宮一號的運行軌道看作圓軌道,則地球的質量為$\frac{4{π}^{2}(R+h)^{3}}{G{T}^{2}}$,地球的平均密度為$\frac{3π(R+h)^{3}}{G{T}^{2}{R}^{3}}$;一艘宇宙飛船飛近某一新發(fā)現的行星,并進入靠近該行星表面的圓形軌道繞行數圈后,著陸在行星上,宇宙飛船上備有以下實驗儀器:
A、彈簧秤一個
B、精確秒表一只
C、天平一臺(附砝碼一套)
D、物體一個
為測定該行星的質量M和半徑R,宇航員在繞行及著陸后各進行一次測量,一句測量數據可以求出M和R(已知萬有引力常量G)
(1)繞行時測量所用的儀器為B(用儀器的字母序號表示),所測物理量有周期T;
(2)著陸后測量所用的儀器為ACD(用儀器的字母序號表示),所測物理量有物體重量F和質量m,用測量數據求該星球質量M=$\frac{{F}^{3}{T}^{4}}{16{π}^{4}G{m}^{3}}$,用測量數據求該星球半徑R=$\frac{F{T}^{2}}{4{π}^{2}m}$.

分析 天宮一號飛船繞地球做圓周運動,萬有引力提供向心力,由萬有引力公式與牛頓第二定律求出地球的質量,然后應用密度公式求出地球的平均密度.
(1)(2)要測量行星的半徑和質量,根據重力等于萬有引力和萬有引力等于向心力,列式求解會發(fā)現需要測量出行星表面的重力加速度和行星表面衛(wèi)星的公轉周期,從而需要選擇相應器材.

解答 解:天宮一號飛船繞地球做圓周運動,萬有引力提供向心力,
由牛頓第二定律得:G$\frac{Mm}{(R+h)^{2}}$=m$(\frac{2π}{T})^{2}$(R+h),解得,地球質量:M=$\frac{4{π}^{2}(R+h)^{3}}{G{T}^{2}}$,
地球的平均密度:ρ=$\frac{M}{V}$=$\frac{\frac{4{π}^{2}(R+h)^{3}}{G{T}^{2}}}{\frac{4}{3}π{R}^{3}}$=$\frac{3π(R+h)^{3}}{G{T}^{2}{R}^{3}}$;
(1)行星表面的物體受到的重力等于萬有引力,即:mg=G$\frac{Mm}{{R}^{2}}$,
飛船繞行星做圓周運動,萬有引力提供向心力,
由牛頓第二定律得:G$\frac{Mm}{{R}^{2}}$=m$(\frac{2π}{T})^{2}$R,
解得:R=$\frac{g{T}^{2}}{4{π}^{2}}$----①
M=$\frac{{g}^{3}{T}^{4}}{16{π}^{4}G}$-----②
由牛頓第二定律:F=mg------③
因而需要用秒表測量繞行時周期T,用天平測量質量m,用彈簧秤測量重力F;
(2)著陸后測量所用的儀器為ACD,所測物理量為物體重量F和質量m.
由②③得:M=$\frac{{F}^{3}{T}^{4}}{16{π}^{4}G{m}^{3}}$,由①③得R=$\frac{F{T}^{2}}{4{π}^{2}m}$;
故答案為:$\frac{4{π}^{2}(R+h)^{3}}{G{T}^{2}}$;$\frac{3π(R+h)^{3}}{G{T}^{2}{R}^{3}}$;
(1)B,周期T;(2)ACD,物體重量F和質量m.$\frac{{F}^{3}{T}^{4}}{16{π}^{4}G{m}^{3}}$;$\frac{F{T}^{2}}{4{π}^{2}m}$.

點評 本題考查了萬有引力定律的應用,知道萬有引力提供向心力,應用萬有引力公式與牛頓第二定律可以解題;
(1)(2)的解題關鍵是:先要弄清實驗原理,再根據實驗原理選擇器材,計算結果.

練習冊系列答案
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