高中物理:如何求天體的質量?選這個方法!

2020-12-03 學習方程式

最名貴的小吃之----宇宙煎餅!

首先,把雞蛋在鍋上攤開,小火慢煎,再翻炒兩下,然後,你就得到了一個銀河系。

前排引導:

上次的文章中,方程君說了分析計算天體質量的第一種情況,今天,我們來聊一聊第二種情況。

今天的內容有:

①分析計算天體質量與密度的第二種情況----行星之外。

②分析計算天體質量與密度的具體步驟和要點。

【1】

天體的運動相關考點

(點擊查看思維導圖)

①對於萬有引力定律的應用,主要涉及到兩方面:

天體運動

這一部分延伸出的考點即是對天體運動的分析與計算。

宇宙航行

主要討論的是人造衛星等人造天體的運動規律,延伸出來的考點即是對人造衛星的分析計算。(方程君會在接下來的文章中細說)。

②在對天體運動的分析與計算中,一個主要考點即是求天體的質量,對此有兩種情況:

在天體表面的情況(方程君在另一篇文章中有細說)在天體之外的情況

【2】

天體之外題型注意點

天體之外的情況,指的即是找到目標天體(也即是中心天體)之外,圍繞它做圓周運動的其他物體。

比如,目標天體是太陽的話,那麼我們可以找到一個繞太陽做圓周運動的物體,可以是金星、火星、或者人造衛星......

由於這個物體繞太陽做勻速圓周運動(高中階段簡化,具體原因方程君在前面的文章中有細說)。

由此,我們可以找到一個條件:萬有引力=向心力。

因此,對於在天體之外的這種情況,你要記住這個主要條件:萬有引力=向心力。

也就是下面這些貨:

敲黑板了,向心力有多個計算公式,注意在計算中要選擇合適的公式。

還有一個要注意的,那就是如果題目提示說:物體繞中心天體的表面做勻速圓周運動。

那麼它還暗示了這樣的一個條件:物體做圓周運動的軌道半徑約等於中心天體的半徑。

也就是說,如果題目提示繞中心天體「表面」做勻速圓周運動,則要記住:軌道半徑r=中心天體半徑R。

知道中心天體的半徑是求密度不可缺少的一個量。

出題老師就是這副德行,說話總是拐彎抹角

【3】

解題步驟

(點擊查看思維導圖)

具體的解題步驟見上面的思維導圖,具體應用的話按照步驟操作就好。

1、基本題型

一艘宇宙飛船飛到月球的表面附近,繞月球做近表面勻速圓周運動。若太空人用一隻機械錶測得繞得一周所用時間為T,則月球的平均密度是多大?

解題步驟:

①判斷類型:這明顯是屬於天體之外的情況,中心天體是月球。

②畫圖建模:

畫圖包括運動軌道和受力示意圖。

從運動軌道圖中可知:

由於是繞月球表面做勻速圓周運動,則軌道半徑與月球半徑相等,都為:r

假設月球質量為M,飛船質量為m,根據受力示意圖有:

萬有引力計算公式:

向心力計算公式:

萬有引力等於向心力:

聯立這三個方程則可以求出月球的質量:M。

接下來,再根據球體體積的計算公式:

還有質量與密度、體積的關係式:

聯立則可以求得月球的平均密度:

2、變形題

「嫦娥三號」的環月軌道可近似看成是圓軌道。觀察「嫦娥三號」在環月軌道上的運動,發現每經過時間t通過的弧長為l,該弧長對應的圓心角為θ (弧度),如圖所示。已知引力常量為G,由此可推導出月球的質量為多少?

要如何解這道題呢,歡迎在評論區留下你的想法。

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