高中 | 引力势能 题目答案及解析

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必修2

第六章 万有引力与航天

6.4 万有引力理论的成就

引力势能

物体在万有引力场中具有的势能叫做引力势能,若取离地球无穷远处的引力势能为零,则质量为$m$的物体引力势能为$E_{P}=-\dfrac{GMm}{r}$,其中$G$为引力常量,$M$为地球的质量,$r$为物体到地心的距离。如图虚线圆为人造地球卫星的两个圆轨道,轨道Ⅰ是近地轨道。已知轨道Ⅱ的半径为轨道Ⅰ的$2$倍,地球半径为$R$,则质量为$m_{0}$的人造地球卫星$(\qquad)$

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在轨道Ⅰ上的速率小于在轨道Ⅱ上的速率

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在轨道Ⅰ上的周期大于在轨道Ⅱ上的周期

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从轨道Ⅰ到轨道Ⅱ克服引力做的功为$\\dfrac{GMm_{0}}{R}$

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从轨道Ⅰ到轨道Ⅱ需要的能量至少为$\\dfrac{GMm_{0}}{4R}$

"]
[["D"]]

$\rm AB$、设卫星绕地球做圆周运动半径$r$,牛顿第二定律得:$\dfrac{GMm_{0}}{r^{2}}=m_{0}r\dfrac{4\pi^{2}}{T^{2}}=m_{0}\dfrac{v^{2}}{r}$,解得:$v=\sqrt{\dfrac{GM}{r}}$$T=2\pi\sqrt{\dfrac{r^{3}}{GM}}$,轨道Ⅰ的半径小,所以轨道Ⅰ上卫星的速度大,周期小。故$\rm A$错误,$\rm B$错误;

$\rm C$、从轨道Ⅰ到轨道Ⅱ克服引力做的功为等于引力势能的变化,即:$W= E_{P2}-E_{P1}=- \dfrac{GMm_{0}}{2R}-\left(-\dfrac{GMm_{0}}{R}\right)=\dfrac{GMm_{0}}{2R}$.故$\rm C$错误;

$\rm D$、在$r$轨道上运动具有的动能:$E_{k}=\dfrac{1}{2}m_{0}v^{2}=\dfrac{GMm_{0}}{2r}$,所以卫星在轨道Ⅰ上的机械能为:$E_{1}=E_{k1}+E_{P1}=\dfrac{- GMm_{0}}{2R}$,卫星在轨道Ⅱ上的机械能为:$E_{2}=E_{k2}+E_{P2}=\dfrac{- GMm_{0}}{4R}$

从轨道Ⅰ到轨道Ⅱ需要的能量至少为:$\Delta E=E_{2}-E_{1}=-\dfrac{GMm_{0}}{4R}-\left(-\dfrac{GMm_{0}}{2R}\right)=\dfrac{GMm_{0}}{4R}$。故$\rm D$正确。

故选:$\rm D$

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若、两颗人造地球卫星质量相同,圆周运动的周期之比为,则它们的向心加速度之比,卫星的动能之比,卫星地球间的引力势能之比分别为 年月日,世界上第一张黑洞照片诞生了,证实了神秘天体黑洞的存在。黑洞是宇宙中质量巨大的一类天体,连光都无法逃脱它的引力束缚。取两天体相距无限远时引力势能为零,引力势能表达式为,已知地球半径,光速。设想把地球不断压缩(保持球形不变),刚好压缩成一个黑洞时,地球表面的重力加速度约为 如图,卫星在地球不同的圆形轨道上具有不同引力势能。已知地球质量为,卫星质量为,卫星到地球球心的距离为,引力势能为,真空中负点电荷的电荷量为,其周围空间电势可以表示为:,与该点电荷的电势类比,可以定义“引力势”的概念。下列说法合理的是 已知质量为的人造地球卫星与地心的距离为时,引力势能可克表示为,其中为引力常量,为地球质量。为地球质量。先从地面赤道某处发射一质量的卫星至离地球表面高处的轨道上,使其绕地球做匀速圆周运动,则至少需对卫星做功(忽略地球自转影响,地球半径设为) 地球和月球间的距离为,以地心作为坐标原点,沿地月连线建立轴,在轴上有一个探测器。仅考虑地球和月球对探测器的引力作用,可得探测器引力势能随位置变化关系如图所示,已知在处探测器的引力势能最大,则地球与月球的质量之比为
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