Question

5．一宇航員到達半徑為R、密度均勻的某星球表面，做如下實驗：用不可伸長的輕繩拴一質(zhì)量為m的小球，上端固定在O點，如圖甲所示，在最低點給小球某一初速度，使其繞O點的豎直面內(nèi)做圓周運動，測得繩的拉力F大小隨時間t的變化規(guī)律如圖乙所示．F₁=7F₂，設R、m、引力常量G以及F₁為已知量，忽略各種阻力．以下說法正確的是（　�。�

• A． 該星球表面的重力加速度為$\frac{{F}_{1}}{7m}$
• B． 衛(wèi)星繞該星球的第一宇宙速度為$\sqrt{\frac{Gm}{R}}$
• C． 星球的質(zhì)量為$\frac{{F}_{1}{R}^{2}}{7Gm}$
• D． 小球在最高點的速度為零

Answer 1

分析 （1）對砝碼受力分析，在最高點和最低點時，由向心力的公式和整個過程的機械能守恒可以求得重力加速度的大�。�
（2）根據(jù)萬有引力提供向心力可以求得星球的第一宇宙速度．
（3）求得星球表面的重力加速度的大小，再由在星球表面時，萬有引力和重力近似相等，可以求得星球的質(zhì)量；
（4）對小球在最高點運用牛頓第二定律分析求解問題．

解答 解：A、設砝碼在最低點時細線的拉力為F₁，速度為v₁，則
  F₁-mg=m $\frac{{v}_{1}^{2}}{R}$  ①
設砝碼在最高點細線的拉力為F₂，速度為v₂，則
  F₂+mg=m $\frac{{v}_{2}^{2}}{R}$    ②
由機械能守恒定律得 mg2r+$\frac{1}{2}$mV₂²=$\frac{1}{2}$mV₁²  ③
由①、②、③解得
  g=$\frac{{F}_{1}^{\;}-{F}_{2}^{\;}}{6m}$    ④
F₁=7F₂，
所以該星球表面的重力加速度為$\frac{{F}_{1}^{\;}}{7m}$．故A正確．
B、根據(jù)萬有引力提供向心力得：
$\frac{GMm}{{R}_{\;}^{2}}$=$m\frac{{v}_{\;}^{2}}{R}$衛(wèi)星繞該星球的第一宇宙速度為v=$\sqrt{\frac{GM}{R}}$，故B錯誤．
C、在星球表面，萬有引力近似等于重力
 G$\frac{Mm′}{{R}_{\;}^{2}}$=m′g      ⑤
由④、⑤解得
  M=$\frac{{F}_{1}^{\;}{R}_{\;}^{2}}{7Gm}$，故C正確．
D、小球在最高點受重力和繩子拉力，根據(jù)牛頓運動定律得：
  F₂+mg=m$\frac{{v}_{2}^{2}}{R}$≥mg
所以小球在最高點的最小速v₂≥$\sqrt{gR}$．故D錯誤．
故選：AC．

點評 根據(jù)砝碼做圓周運動時在最高點和最低點的運動規(guī)律，找出向心力的大小，可以求得重力加速度；知道在星球表面時，萬有引力和重力近似相等，而貼著星球的表面做圓周運動時，物體的重力就作為做圓周運動的向心力．