力学第二版习题答案第六章
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第六章基本知识小结
⒈ 开普勒定律
⑴ 行星沿椭圆轨道绕太阳运行,太阳位于一个焦点上 ⑵ 行星位矢在相等时间内扫过相等面积 ⑶ 行星周期平方与半长轴立方成正比 T 2/a 3=C ⒉ 万有引力定律
2r
m
M G f = ⒊ 引力势能
r m M p G r E -=)(
⒋ 三个宇宙速度 环绕速度
s km Rg V /9.71==
脱离速度
122V V == 11.2 km/s
逃逸速度 V 3 = 16.7 km/s.
6.1.1设某行星绕中心天体以公转周期T 沿圆轨道运行,试用开普勒第三定律证明:一个物体由此轨道自静止而自由下落至中心天体所需的时间为
π
2T
t =
证明:物体自由下落的加速度就是在行星上绕中心天体公转的向心加速
度:
2222/41)2(T R R
T R R v a ππ=⋅==
由自由落体公式:π
22
21/2,T
a R t at R ==
=
(此题原来答案是:2
4T t
=
,这里的更正与解答仅供参考)
6.2.1 土星质量为5.7×1026kg ,太阳质量为2.0×1030kg ,两者的平均距离是1.4×1012m.⑴太阳对土星的引力有多大?⑵设土星沿圆轨道运行,求它的轨道速度。
解:⑴据万有引力定律,太阳与土星之间的引力 f =GMm/r 2=6.51×10-11×2.0×1030×5.7×1026/(1.4×1012)2 ≈3.8×1022N
⑵选择日心恒星参考系,对土星应用牛顿第二定律:f=mv 2/r
s m m fr v /107.9107.5/04.1108.3/3261222⨯≈⨯⨯⨯⨯==
6.2.3 ⑴一个球形物体以角速度ω转动,如果仅有引力阻碍球的离心分解,
此物体的最小密度是多少?由此估算巨蟹座中转数为每秒30转的脉冲星的最小密度。这脉冲星是我国在1054年就观察到的超新星爆的结果。⑵如果脉冲星的质量与太阳的质量相当(≈2×1030kg 或3×105M e ,M e 为地球质量),此脉冲星的最大可能半径是多少?⑶若脉冲星的密度与核物质相当,它的半径是多少?核密度约为1.2×1017kg/m 3.
解:⑴设此球体半径为R,质量为m.考虑球体赤道上的质元Δm,它所受到的离心惯性力最大 f *=Δm ω2R ,若不被分解,它所受到的引力至少等于离心惯性力,即 Gm Δm/R 2=Δm ω2R ∴ m=ω2R 3/G ,而 m=4πR 3ρ/3,代如上式,可求得,G
πωρ
432=
脉冲星的最小密度31410
51.64)230(3/103.111
2m kg ⨯≈=
-⨯⨯⨯⨯ππρ
⑵据密度公式,m =ρV=4πR 3ρ/3 ,∴R 3=3m/(4πρ)
km R 231430105.1)103.114.34/(1023⨯=⨯⨯⨯⨯⨯=
⑶km R
16)102.114.34/(102331730=⨯⨯⨯⨯⨯=
6.2.4 距银河系中心约25000光年的太阳约以170000000年的周期在一圆周上运动。地球距太阳8光分。设太阳受到的引力近似为银河系质量集中在其中心对太阳的引力。试求以太阳质量为单位银河系的质量。
解:设银河系、太阳、地球的质量分别为M 、m 、m';太阳距银河系中心
的距离为r=2.5×104光年=2.5×104×365×24×60光分=1.31×106光分,绕银河系中心公转角速度为ω=10-8×2π/1.7年;地球距太阳的距离为r'=8光分,绕太阳公转角速度为ω'=2π/年
分别对地球和太阳应用万有引力定律和牛顿第二定律: Gmm'/ r' 2 = m'ω'2 r' (1) GMm / r 2 = m ω2 r (2) 由(1)可得
G=ω'2 r'3/m ,代入(2)中,可求得
m m m M r r 1138
1031.12107.11
3'2'1053.1)()()()(6
8⨯===⨯⨯ωω
6.2.5某彗星围绕太阳运动,远日点的速度为10km/s ,近日点的速度为80km/s 。若地球在半径为1.5×108km 圆周轨道上绕日运动,速度为30km/s 。求此彗星的远日点距离。
解:角动量守恒b mv a mv 21= ⑴
能量守恒
b
m
M a m M G mv G mv -=-2
2212
12
1
⑵ 牛二定律
R v R
m M m G 2
2
''
= ⑶
⑴,⑵,⑶联立,解得 a = 3×108 km
6.2.6 一匀质细杆长L ,质量为M.求距其一端为d 处单位质量质点受到的引力(亦称引力场强度)。
解:选图示坐标0-x,单位质 x
量质点在坐标原点处,在杆上取 质元dm=dxM/L,其坐标为x,它对 原点处质点的引力为:2
21x dx
L GM
x
dm G df
==⨯,由于各质元对质点的引力方向均
沿x 轴正向,∴杆对质点的引力方向沿x 轴正向,大小为
)
(1112)(|
L d d GM
L d d L GM d L
d x
L GM L
d d
L
GM dx x f ++++-=-=
=
=
⎰
6.2.7半径为R 的细半圆环线密度为λ,求位于圆心处单位质量质点受到的引力(引力场强度)
解:由对称性分析可知,引力场强度的x 分量等于零。
质元dm=λRd θ所受引力的y 分量为
θθλ
θd R
G R dm G
df y sin sin 12
-=⨯-= R
G R G d R G f y /2|cos sin 0
0λθλθθλπ
π
-==-=⎰
6.3.1 考虑一转动的球形行星,赤道上各点的速度为V ,赤道上的加速度是极点上的一半,求此行星极点处的粒子的逃逸速度。
解: 设行星半径为R ,质量为M ,粒子m 在极点处脱离行星所需的速度为v ,在无穷远处的速度、引力势能为零,由机械能守恒定律有
022
1
=-R m M G mv 即 R GM v /22= ⑴
以球形行星为参考系(匀速转动参考系),设粒子m 在赤道上和极点上的加速度分别为a 1和a 2。
粒子m 在赤道上除受引力作用外还受离心惯性力作用,由牛二定律有
212122R a RV GM ma R V m R
Mm G =-=-即 ⑵
粒子m 在极点上只受引力作用,由牛二定律有
2
222R a GM ma R
Mm G
==即 ⑶ 已知
122a a = ⑷
由⑵、⑶、⑷可求得
22/V R GM = 代入⑴中,得
x