天体质量和密度
1、一卫星绕某一行星表面附近做匀速圆周运动，其线速度大小为v 。假设宇航员在该行星表面上用弹簧测力计测量一质量为m 的物体重力，物体静止时，弹簧测力计的示数为N 。已知引力常量为G ，则这颗行星的质量为
( )
A.m v 2GN
B.m v 4GN
C.N v 2Gm
D.N v 4Gm
2、2011年8月26日消息，英国曼彻斯特大学的天文学家认为，他们已经在银河系里发现一颗由曾经的庞大恒星转变而成的体积较小的行星，这颗行星完全由钻石构成。若已知万有引力常量，还需知道哪些信息可以计算该行星的质量( )
A ．该行星表面的重力加速度及绕行星运行的卫星的轨道半径
B ．该行星的自转周期与星体的半径
C ．围绕该行星做圆周运动的卫星的公转周期及运行半径
D ．围绕该行星做圆周运动的卫星的公转周期及公转线速度
3、近年来，人类发射的多枚火星探测器已经相继在火星上着陆，正在进行着激动人心的科学探究，为我们将来登上火星、开发和利用火星资源奠定了坚实的基础．如果火星探测器环绕火星做“近地”匀速圆周运动，并测得该运动的周期为T ，则火星的平均密度ρ的表达式为(k 为某个常数)( )
A ．ρ＝kT
B ．ρ＝k T
C ．ρ＝kT 2
D ．ρ＝2k T
4.如果该彗星被火星引力捕获后的轨道半径为R 、周期为T ，则由此可估算出火星的质量为（ ）
A. 3224R GT π
B. 233GT R π
C. 2324GT R π
D. 323R GT π
5、 月球绕地球做匀速圆周运动的向心加速度大小为a ，设月球表面的重力加速度大小为
1g ，在月球绕地球运行的轨道处由地球引力产生的加速度大小为
2g ，则（ ） A 、1g a = B 、2g a = C 、12g g a += D 、21g g a -=
6.已知一颗人造卫星在半径为R 的某行星上空绕该行星做匀速圆周运动，经过时间t ，卫星运动的弧长为s ，卫星与行星的中心连线扫过的角度是θ弧度，已知万有引力常量为G 。求：（以下各问均用题中所给字母表示)
(1)人造卫星运行时的线速度、角速度、及距该行星表面的高度h ；
(2)该行星的质量M ；
求天体的加速度、质量、密度 一．知识聚焦 1.加速度： 表面上 mg Mm G =2R 得2g R GM = 非表面 ()ma R Mm G =+2h 得)(2R a h GM += 万有引力与航天 ） 基础知识： 一、研究对象：绕中心天体的行星或卫星 r mv r Mm G 22= G r v M 2= (已知线速度与半径) 2 2ωmr r Mm G = G r M 32ω= (已知角线速度与半径) 2 2)2(T mr r Mm G π= G T r M 232)2(π= (已知周期与半径) 总结： 线速度v r ，这三个物理量中，任意组合二个，一定能求出中心天体的质量M 。 或者说：中心天体的质量M 、及三个物理量中，只要知道其中的两个，可求出其它物理量。 二、研究对象：绕中心天体表面运行的行星或卫星 R mv R Mm G 22= G R v M 2= (已知线速度与半径) 2 2ωmR R Mm G = G R M 32ω= (已知角线速度与半径) G πωρ432=（ 已知角速
度） 22)2(T mR R Mm G π= (已知周期与半径) 已知周期 ) 任何因数都无关。 三、研究对象：距离地面h 高处的物体，万有引力等于重力 mg h R Mm G =+2 ) ( G h R g M 2)(+= (已知某高度处的重力加速度与距离) 四、研究对象：地球表面的物体，万有引力等于重力 mg R Mm G =2 G gR M 2= (已知中心天体表面的重力加速度与半径) GR g πρ43=
训练题（真题） 1宇航员站在一星球表面上的某高处，沿水平方向抛出一小球，经过时间t ，小球落在星球表面，测得抛出点与落地点之间的距离为L ，若抛出时的初速度增大到2倍，则抛出点与落地点间的距离为3L ，已知两落地点在同一水平面上，该星球的半径为R ，引力常量为G ，求该星球的质量M 和密度ρ. [解析]此题的关键就是要根据在星球表面物体的运动情况求出星球表面的重力加速度，再根据星球表面物体的重力等于物体受到的万有引力求出星球的质量和星球的密度． 根据平抛运动的特点得抛出物体竖直方向上的位移为22 1gt y = 设初始平抛小球的初速度为v ，则水平位移为x=vt ．有2222)()21(L vt gt =+ ○1 当以2v 的速度平抛小球时，水平位移为x'= 2vt ．所以有2222)3()2()21 (L vt gt =+ ② 在星球表面上物体的重力近似等于万有引力，有mg=G 2R Mm ③ 联立以上三个方程解得2 2332Gt LR M = 而天体的体积为334R V π= ，由密度公式V M =ρ得天体的密度为R Gt L 2 23πρ=。 2某一物体在地球表面时，由弹簧测力计测得重160N ，把此物体放在航天器中，若航天器以加速度2 g a = （g 为地球表面的重力加速度）垂直地面上升，这时再用同一弹簧测力计测得物体的重力为90N ，忽略地球自转的影响，已知地球半径R ，求此航天器距地面的高度。 解析：物体在地球表面时，重力为=mg 160N ①根据万有引力定律，在地面附近有 2 R GMm mg = ② 图 21
课前作业 例一、（2015西城一模第23题节选） 利用万有引力定律可以测量天体的质量。 （1）测地球的质量 英国物理学家卡文迪许，在实验室里巧妙地利用扭秤装置，比较精确地测量出了引力常量的数值，他把自己的实验说成是“称量地球的质量”。 已知地球表面重力加速度为g，地球半径为R，引力常量为G。若忽略地球自转的影响，求地球的质量及密度。 例二、天宫一号于2011年9月29日成功发射，它将和随后发射的神州飞船在空间完成交会对接，实现中国载人航天工程的一个新的跨越。天宫一号进入运行轨道后，其运行周期为T，距地面的高度为h，已知地球半径为R，万有引力常量为G。若将天宫一号的运行轨道看做圆轨道。 求：（1）地球质量M；（2）地球的平均密度。 例三、近年来，人类发射的多枚火星探测器已经相继在火星上着陆，正在进行着激动人心的科学探究，为我们将来登上火星、开发和利用火星资源奠定了坚实的基础。如果火星探测器环绕火星做“近地”匀速圆周运动，并测得该运动的周期为T，写出火星的平均密度 的表达式（万有引力常量为G） 方法提升：天体质量和密度的计算（写出具体表达式） 一、利用天体表面的重力加速度g和天体半径R计算天体质量（不考虑自转影响） 二、通过观察卫星（行星）绕行星（恒星）做匀速圆周运动的周期T和轨道半径r计算行星（恒星）的质
量 当堂检测一、已知万有引力常量G ，地球半径R ，月球和地球之间的距离r ，同步卫星距地面的高度h ，月 球绕地球的运转周期T 1，地球的自转周期T 2，地球表面的重力加速度为g ，第一宇宙速度为v 。某同学根 据以上条件，提出一种估算地球质量M 的方法： 同步卫星绕地心做圆周运动，由得。 （1）请判断上面的结果是否正确，并说明理由。如果不正确，请给出正确的解法和结果。 （2）请根据已知条件再提出至少两种估算地球质量的方法并解得结果。 当堂检测二、宇航员在月球上做自由落体实验，将某物体由距月球表面高h 处释放，经时间t 后落到月球 表面，月球半径为R 。据上述信息推断月球的质量的表达式 当堂检测三、我国探月的“嫦娥工程”已启动，在不久的将来，我国宇航员将登上月球。假如宇航员在月 球上测得摆长为L 的单摆做小振幅振动的周期为T ，将月球视为密度均匀、半径为r 的球体，则月球的密 度为( ) A ． 23L GrT π B ．23L GrT π C ．2163L GrT π D ．2 316L GrT π 当堂检测四、（06年北京）18. 一飞船在某行星表面附近沿圆轨道绕该行星飞行。认为行星是密度均匀的
《第6章质量和密度》单元测试卷 一、填空题 1．用实验测定固体物质的密度，必须先测出它的，然后再测出它的，最后用公式求出它的密度． 2．小明手中有一瓶标示600ml的矿泉水，请你计算这瓶水的质量为，若将其放入冰箱内冻成冰，质量（填“变大”、“变小”或“不变”），体积（填“变大”、“变小”或“不变”），小明联想到冬天自来水管经常被冻裂的原因是． 3．某瓶氧气的密度是5kg/m3，给人供氧用去了氧气质量的一半，则瓶内剩余氧气的密度是；容积是10L的瓶子装满了煤油，已知煤油的密度是0.8×103kg/m3，则瓶内煤油的质量是，将煤油倒去4kg后，瓶内剩余煤油的密度是． 4．某研究人员为了探究冰和水的体积与温度的关系，在一定的环境下将1g的冰加热，分别记录其温度和体积，得到了如图所示的图象．请你观察此图象回 答下列问题： （1）冰从﹣4℃上升到0℃时体积将，密度将． （2）水从0℃上升到4℃时体积将，密度将． （3）冬天，当河面结冰时，与冰接触的河水温度是℃， 较深河底的水温是℃． 5．如图所示，点燃蜡烛会使它上方的扇叶旋转起来．这是因为蜡烛的火焰使附近空气的温度升高，体积膨胀，空气的密度变，所以热空气（填“上升”或“下降”）形成气流，气流流过扇叶时，带动扇叶转起来． 6．某同学在探究“物体的质量跟体积的关系”的实验中， （1）他将托盘天平放在水平桌面上，把游码移到标尺左端的“0”刻度线处，观察指针的指示情况如图1所示，此时应进行的操作是； （2）天平横梁调平衡后，在称物体的质量时，他在天平右盘中加、减砝码后，指针的指示情况如图2所示这时他应进行的操作是． 7．为了测量玻璃杯中盐水的质量，某同学的实验步骤如下．正确的实验步骤依次为
突破18天体表面重力加速度问题与天体质量和密度的估算 一、天体表面上的重力加速度问题 重力是由于物体受到地球的万有引力而产生的，严格说重力只是万有引力的一个分力，另一个分力提供物体随地球自转做圆周运动的向心力，但由于向心力很小，一般情况下认为重力约等于万有引力，即mg ＝GMm R 2，这样重力加速度就与行星质量、半径联系在一起，高考也多次在此命题。 计算重力加速度的方法 (1)在地球表面附近的重力加速度g (不考虑地球自转)：mg ＝G mM R 2，得g ＝GM R 2(2)在地球上空距离地心r ＝R ＋h 处的重力加速度为g ′，mg ′＝ GmM R ＋h 2 ，得，g ′＝GM R ＋h 2 所以g g ′＝ R ＋h 2 R 2 (3)其他星球上的物体，可参考地球上的情况做相应分析． 【典例1】宇航员王亚平在“天宫1号”飞船内进行了我国首次太空授课，演示了一些完全失重状态下的物理现象。若飞船质量为m ，距地面高度为h ，地球质量为M ，半径为R ，引力常量为G ，则飞船所在处的重力加速度大小为( ) A ．0 B.GM R ＋h 2 C. GMm R ＋h 2 D. GM h 2 【典例2】假设有一火星探测器升空后，先在地球表面附近以线速度v 环绕地球飞行，再调整速度进入地火转移轨道，最后以线速度v ′在火星表面附近环绕火星飞行。若认为地球和火星都是质量分布均匀的球体，已知火星与地球的半径之比为1∶2，密度之比为5∶7。设火星与地球表面的重力加速度分别为g ′和g 。下列结论正确的是( ) A ．g ′∶g ＝1∶4 B ．g ′∶g ＝7∶10 C ．v ′∶v ＝ 5 28D ．v ′∶v ＝ 514 【典例3】若在某行星和地球上相对于各自的水平地面附近相同的高度处、以相同的速率平抛一物体，它们在水平方向运动的距离之比为2∶7。已知该行星质量约为地球的7倍，地球的半径为R 。由此可知，该行星的半径约为( )
一、填空题 1．用实验测定固体物质的密度，必须先测出它的，然后再测出它的，最后用公式求出它的密度． 2．小明手中有一瓶标示600ml的矿泉水，请你计算这瓶水的质量为，若将其放入冰箱内冻成冰，质量（填“变大”、“变小”或“不变”），体积（填“变大”、“变小”或“不变”），小明联想到冬天自来水管经常被冻裂的原因是． 3．某瓶氧气的密度是5kg/m3，给人供氧用去了氧气质量的一半，则瓶内剩余氧气的密度 是；容积是10L的瓶子装满了煤油，已知煤油的密度是0.8×103kg/m3，则瓶内煤油的质量是，将煤油倒去4kg后，瓶内剩余煤油的密度是． 4．某研究人员为了探究冰和水的体积与温度的关系，在一定的环境下将1g的冰加热，分别记录其温度和体积，得到了如图所示的图象．请你观察此图象回 答下列问题： （1）冰从﹣4℃上升到0℃时体积将，密度将． （2）水从0℃上升到4℃时体积将，密度将． （3）冬天，当河面结冰时，与冰接触的河水温度是℃， 较深河底的水温是℃． 5．如图所示，点燃蜡烛会使它上方的扇叶旋转起来．这是因为蜡烛的火焰使附近空气的温度 升高，体积膨胀，空气的密度变，所以热空气（填“上升”或“下降”）形成气流，气流流过扇叶时，带动扇叶转起来． 6．某同学在探究“物体的质量跟体积的关系”的实验中， （1）他将托盘天平放在水平桌面上，把游码移到标尺左端的“0”刻度线处，观察指针的指示情况如图1所示，此时应进行的操作是； （2）天平横梁调平衡后，在称物体的质量时，他在天平右盘中加、减砝码后，指针的指示情况如图2所示这时他应进行的操作是． 7．为了测量玻璃杯中盐水的质量，某同学的实验步骤如下．正确的实验步骤依次为
万有引力理论的成就 一、计算天体的质量 1．地球质量的计算 利用地球表面的物体，若不考虑地球自转，质量为m 的物体的重力等于地球对物体的万有引 力，即mg ＝GMm R 2，则M ＝gR 2G ，由于g 、R 已经测出，因此可计算出地球的质量． 2．太阳质量的计算 利用某一行星：由于行星绕太阳的运动，可看做匀速圆周运动，行星与太阳间的万有引 力充当向心力，即G Mm r ＝m ω2r ，而ω＝2πT ，则可以通过测出行星绕太阳运转的周期和轨道半径，得到太阳质量M ＝4π2r 3GT 2. 3．其他行星质量的计算 利用绕行星运转的卫星，若测出该卫星绕行星运转的周期和轨道半径同样可得出行星的质量． 二、计算天体的质量 1．“称量”地球的质量 如果不考虑地球自转的影响，地球上的物体所受重力等于地球对它的万有引力． 由万有引力定律mg ＝GMm R 2 得M ＝gR 2G ，其中g 为地球表面的重力加速度，R 为地球半径，G 为万有引力常量． 从而得到地球质量M ＝5.96×1024kg . 通过上面的过程我们可以计算地球的质量，通过其它的方法，或者说已知另外的一些条件能否测出地球质量． 2．天体质量计算的几种方法 (1)若已知月球绕地球做匀速圆周运动的周期为T ，半径为r ，根据万有引力等于向心力，即GM 地·m 月r 2＝m 月r ? ?? ??2πT 2，可求得地球质量M 地＝4π2r 3GT 2. (2)若已知月球绕地球做匀速圆周运动的半径r 和月球运动的线速度v ，由于地球对月球的引力等于月球做匀速圆周运动的向心力，根据牛顿第二定律，得 G M 地·m 月r 2＝m 月v 2r .
一．选择题 1（2016湖南十三校联考）为了测量某行星的质量和半径，宇航员记录了登陆舱在该行星表面做圆周运动的周期T ，登陆舱在行星表面着陆后，用弹簧称称量一个质量为m 的砝码读数为N 。已知引力常量为G 。则下列计算中错误的是： A ．该行星的质量为344316m T N π B ．该行星的半径为m NT 2 24π C ．该行星的密度为2 3GT π D ．在该行星的第一宇宙速度为m NT π2 【参考答案】B 【命题立意】本题旨在考查万有引力作用与卫星的圆周运动 【举一反三】在这颗行星表面以v 上抛一物体，经多长时间落地？ 2．(2016·河北邯郸市高三一调)已知某半径为r 0的质量分布均匀的天体，测得它的一个卫星的圆轨道的半径为r ，卫星运行的周期为T 。假设在该天体表面沿竖直方向以初速度v 0向上抛出一个物体，不计阻力，求它可以到达的最大高度h 是( ) A.v 20T 2（r －r 0）24π2r 3 B.v 20T 2（r －r 0）28π2r 3 C.v 20T 2r 20 4π2r 3 D.v 20T 2r 208π2r 3 【参考答案】D
由万有引力提供向心力得：GMm r2 ＝ m·4π2r T2 ， GMm r20 ＝mg′，所以g′＝ 4π2r3 T2r20 ，在该天体表面沿 竖直方向以初速度v0向上抛出一个物体，不计阻力，物体上升的过程中的机械能守恒，mg′h ＝1 2 mv20，它可以到达的最大高度h＝ v20T2r20 8π2r3 ，D正确。 3．(2016·河北百校联考)嫦娥五号探测器由轨道器、返回器、着陆器等多个部分组成。探测器预计在2017年由长征五号运载火箭在中国文昌卫星发射中心发射升空，自动完成月面样品采集，并从月球起飞，返回地球，带回约2 kg月球样品。某同学从网上得到一些信息，如表格中的数据所示，请根据题意，判断地球和月球的密度之比为( ) 月球半径R0 月球表面处的重力加速度g0 地球和月球的半径之比R R0 ＝4 地球表面和月球表面的重力加速度之比g g0 ＝6 A.2 3 B. 3 2 C．4 D．6 【参考答案】B 【名师解析】 4．(2016·河南郑州高三月考)中国首台探月车“玉兔号”的成功探月，激发起无数中国人对 月球的热爱。根据报道：月球表面的重力加速度为地球表面的1 6 ，月球半径为地球的 1 4 ，则根 据以上数据分析可得( ) A．绕月球表面飞行的卫星与绕地球表面飞行的卫星的周期之比为3∶2 B．绕月球表面飞行的卫星与绕地球表面飞行的卫星的向心加速度之比为1∶6 C．月球与地球的质量之比为1∶96 D．月球与地球的密度之比为2∶3 【参考答案】BCD
质量与密度单元测试题 姓名：_______________班级：_______________ 一、选择题（每题3分，共30 分） 1、分别用铅、铁、铝制成三个体积质量都相等的空心球，比较它们中间空心部分的体积，则（密度大小：铅> 铁>铝）（） A、铅球最大 B、铁球最大 C、铝球最大 D、三球一样大 2、如图是三种不同物质的质量和体 积关系的图线，则由图线可知：（） A. ρ1>ρ2>ρ3 B. ρ1<ρ2<ρ3 C. ρ1=ρ2=ρ3 D. 无法判断 3、一枝蜡烛燃烧一半后，剩下部分 的（） A.质量、密度都减半 B.质量减半，密度不变 C.质量不变，密度减半 D.质量和密度都不变 4、A、B两种液体的质量之比为1∶2,密度之比为5∶4,则它们的体积之比为 A.5∶2 B. 2∶5 C. 1∶2 D. 2∶1 5、一架天平称量是200g，则它不能称量200mL的 （ρ酱油＞ρ水＞ρ酒＞ρ煤油＞ρ汽油）： A.酱油 B.白酒 C.煤油 D.汽油 6、A、B两物体它们的质量相等，已知ρA∶ρB =3∶4，且两物体体积V A∶V B = 4∶5，则下述结论正确的是（）A.A物体肯定是空心的 B.B物体肯定是空心的 C.两物体肯定是空心的 D. 两物体肯定是实心的 7、四个一样大小和质量相等的空心球，它们分别是铅、铁、铝、铜制成的，空心部分体积最小的是( ) A．铅球 B．铁球 C铝球 D．铜球 8、上体育课时，体育老师发现同学们要用的篮球差气，于是他用打气筒给篮球打气，当篮球变圆后，仍继续给它打气，则下述结论正确的是（） A.质量增大，体积增大，密度增大 B.质量增大，体积不变，密度增大 C.质量增大，体积增大，密度不变 D.无法判断 9、一个质量为0.25 kg的玻璃瓶，盛满水时称得质量是1.5kg，若盛满某液体时称得质量是1.75kg，那么这种液体的密度是（） A．1.0×10kg/m3 B．1.16×10kg/m3 C．1.2×10kg/m3 D．1.75×10kg/m3 10、体积和质量都相同的铁球、铜球和铅球各一个，已知ρ铁=7.8 ×103kg/m3，ρ铜=8.9 ×103kg/m3、ρ铅=11.3 ×103kg/m3，那么下列叙述中正确的是（） A、可能铁球是实心的,铜球和铜球是空心的 B、可能铜球是实心的,铁球和铜球是空心的 C、可能铜球是实心的，铜球和铁球是空心的 D、三个球一定都是空心的 二、填空题（每空？分，共？分） 11、小明把一支温度计放到阳光下晒，过了一段时间，他发现温度计的液柱上升了，那么温度计里液体的体积了，此时液体的质量，密度。(选填“变大”“变小”或“不变”) 12、一质量为2kg的固体物体，将其运到月球上后，其质量为kg，如果它熔化后变成了液态，其质量会；给此物体加热，其密度会（选填“增大”、“减小”、或“不变”） 13、量筒中有50 ml的水，把质量为565 g的某种金属块全部浸没在量筒内的水中，水面处刻度恰好是100 ml，那么金属块的体积是____cm3，此金属的密度是____g/ cm3. 14、小红在探究甲、乙两 种不同物质的质量和体积 的关系时，得出了如图4 所示的图象.由此可知， 甲、乙两种物质的密度之 比ρ甲：ρ乙= ；用甲、 乙两种不同物质做成质量 相同的实心体，则它们的 体积之比V甲：V乙= 。 15、一个瓶子最多能装0．5kg的水，它最多能装______kg 的水银；最多能装______m3的酒精。（ρ水银=13．6×103kg/m3,ρ酒精=0．8×103kg/m3） 16、小明在探究甲、乙两种不同 物质的质量和体积的关系时 得出了如图5所示的图像。由图 像可知，甲、乙两种物质 中，物质的密度较大；相同 体积的甲、乙两种物质，质 量较大。 17、如图，某实验小组要称量物体的质量，他们将天平放在水平台上时指 针恰好指在分度 标尺中线处，但 发现游码停 在g处。对这 种情况，按照操 作规范，称量前 还应将游码放在 称量标尺左端 的处，并把横梁右边的平衡螺母向（填“左”或“右”）调，直至指针重新指在分度标尺中线处。若不重新调平衡，用这样的天平直接称量物体质量，则被称物体的质量应等于称量读数（填“加上”或“减去”）原游码对应的示数。
破解天体质量和密度的相关计算 知识点 考纲要求 题型 分值 万有引力的理论成就 会利用万有引力定律求解天体的质量、密度等参数 选择题 6分 一、计算天体的质量基本思路 1. 地球质量的计算 利用地球表面的物体，若不考虑地球自转，质量为m 的物体的重力等于地球对物体的万 有引力，即mg ＝2 GMm R ，则M ＝2gR G ，由于g 、R 已经测出，因此可计算出地球的质量。 2. 太阳质量的计算 利用某一行星：由于行星绕太阳的运动，可看作匀速圆周运动，行星与太阳间的万有引 力充当向心力，即G 2 Mm r ＝mω2 r ，而ω＝2T π，则可以通过测出行星绕太阳运转的周期和轨道半径，得到太阳质量M ＝23 2 4r GT π。 3. 其他行星质量的计算 利用绕行星运转的卫星，若测出该卫星绕行星运转的周期和轨道半径，同样可得出行星的质量。 二、计算天体的质量的具体方法（以地球是中心天体，月球是环绕卫星为例） 如果不考虑地球自转的影响，地球上的物体所受重力等于地球对它的万有引力。 由万有引力定律mg ＝ 2 GMm R 得M ＝2 gR G ，其中g 为地球表面的重力加速度，R 为地球半径，G 为万有引力常量。 从而得到地球质量M ＝5.96×1024 kg 。 通过上面的过程，我们可以计算地球的质量，通过其他的方法，或者说已知另外的一些条件能否测出地球质量。 （1）若已知月球绕地球做匀速圆周运动的周期为T ，半径为r ，根据万有引力等于向心 力，即2·M m G r 月地＝m 月r 2 2T π?? ??? ，可求得地球质量M 地＝2324r GT π。 （2）若已知月球绕地球做匀速圆周运动的半径r 和月球运动的线速度v ，由于地球对 月球的引力等于月球做匀速圆周运动的向心力，根据牛顿第二定律，得 2·M m G r 月地＝m 月2v r 解得地球的质量为M 地＝2 rv G （3）若已知月球运行的线速度v 和运行周期T ，由于地球对月球的引力等于月球做匀速圆周运动的向心力，根据牛顿第二定律，得
计算天体的质量和密度 知识梳理 注意：计算天体质量需“一个中心、两个基本点”： “一个中心”即只能计算出中心天体的质量;“两个基本点” 即要计算中心天体的质量，除引力常量G 外，还要已知两个独立的物理量。 例题分析 【例1】下列哪一组数据不能估算出地球的质量。引力常量G 已知( ) A.月球绕地球运行的周期与月地之间的距离 B.地球表面的重力加速度与地球的半径 C.绕地球运行卫星的周期与线速度 D.地球表面卫星的周期与地球的密度 【例2】已知引力常量G ．月球中心到地球中心的距离R 和月球绕地球运行的周期T 。仅利用这三个数据，可以估算出的物理量有（ ） A ．月球的质量 B ．地球的密度 C ．地球的半径 D ．月球绕地球运行速度的大小 【例3】（2006北京）一飞船在某行星表面附近沿圆轨道绕该行星飞行,认为行星是密度均匀的球体,要确定该行星的密度,只需要测量( ) A.飞船的轨道半径 B.飞船的运行速度 C.飞船的运行周期 D.行星的质量 【例4】（2005广东）已知万有引力常量G ，地球半径R ，月球和地球之间的距离r ，同步卫星距地面的高度h ，月球绕地球的运转周期T 1，地球的自转周期T 2，地球表面的重力加速度g 。某同学根据以上条件，提出一种估算地球质量M 的方法： 同步卫星绕地球作圆周运动，由得 ⑴请判断上面的结果是否正确，并说明理由。如不正确，请给出 正确的解法和结果。 ⑵请根据已知条件再提出两种估算地球质量的方法并解得结果。 同步练习 1.已知下面的哪组数据可以计算出地球的质量？引力常量G 已知（ ） A ．月球绕地球运动的周期和月球的半径 B ．地球同步卫星离地面的高度 C ．地球绕太阳运动的周期和地球到太阳中心的距离 D ．人造卫星在地面附近的运动速度和周期 2.下列哪一组数据能够估算出地球的密度。引力常量G 已知( ) A.月球绕地球运行的周期与月地之间的距离 B.地球表面的重力加速度与月地之间的距离 C.绕地球运行卫星的周期与线速度 D.绕地球表面运行卫星的周期 3.（05天津）土星周围有美丽壮观的“光环”，组成环的颗粒是大小不等．线度从1μm 到10m 的岩石．尘埃，类似于卫星， 它们与土星中心的距离从7.3×104 km 延伸到1.4×105 km 。已知环的外缘颗粒绕土星做圆周运动的周期约为14h ，引力常量为6.67×10-11 N ?m 2 /kg 2 ，则土星的质量约为（估算时不考虑环中颗粒间的相互作用）（ ） Ａ．9.0×1016 kg Ｂ．6.4×1017 kg Ｃ．9.0×1025 kg Ｄ．6.4×1026 kg 4.地球公转的轨道半径是R 1，周期是T 1；月球绕地球运转的轨道半径是R 2，周期是T 2。则太阳质量与地球质量之比是（ ） A. 2 2322 131T R T R B. 2 1322 231T R T R C. 2 2222 121T R T R D. 2 1 222 221T R T R 5.（05全国Ⅲ）最近，科学家在望远镜中看到太阳系外某一恒星有一行星，并测得它围绕该恒星运行一周所用的时间为1200 年，它与该恒星的距离为地球到太阳距离的100 倍。 假定该
高考物理备考微专题精准突破 专题2.6中心天体质量密度的计算问题【专题诠释】 中心天体质量和密度常用的估算方法 质量的计算使用方法已知量利用公式表达式备注 利用运 行天体 r、T G Mm r2＝mr 4π2 T2 M＝4π2r3 GT2 只能得 到中心 天体的 质量r、v G Mm r2＝m v2 r M＝rv2 G v、T G Mm r2＝m v2 r G Mm r2＝mr 4π2 T2 M＝v3T 2πG 密度的计算利用天体表面 重力加速度 g、R mg＝ GMm R2 M＝gR2 G－ 利用运 行天体 r、T、R G Mm r2＝mr 4π2 T2 M＝ρ·4 3 πR3 ρ＝3πr3 GT2R3 当r＝R时 ρ＝3π GT2 利用近 地卫星 只需测 出其运 行周期利用天体 表面重力 加速度 g、R mg＝GMm R2 M＝ρ·4 3 πR3 ρ＝3g 4πGR— 【高考领航】 【2019·新课标全国Ⅰ卷】在星球M上将一轻弹簧竖直固定在水平桌面上，把物体P轻放在弹簧上端，P由静止向下运动，物体的加速度a与弹簧的压缩量x间的关系如图中实线所示。在另一星球N上用完全相同的弹簧，改用物体Q完成同样的过程，其a–x关系如图中虚线所示，假设两星球均为质量均匀分布的球体。已知星球M的半径是星球N的3倍，则（）
A ．M 与N 的密度相等 B ．Q 的质量是P 的3倍 C ．Q 下落过程中的最大动能是P 的4倍 D ．Q 下落过程中弹簧的最大压缩量是P 的4倍 【答案】AC 【解析】A 、由a –x 图象可知，加速度沿竖直向下方向为正方向，根据牛顿第二定律有：mg kx ma -=，变形式为：k a g x m =- ，该图象的斜率为k m -，纵轴截距为重力加速度g 。根据图象的纵轴截距可知，两星球表面的重力加速度之比为：0033 1 M N a g g a ==；又因为在某星球表面上的物体，所受重力和万有引力相等，即：2Mm G m g R '='，即该星球的质量2 gR M G =。又因为：3 43R M πρ=，联立得34g RG ρπ=。故两星球的密度之比为： 1:1N M M N N M R g g R ρρ=?=，故A 正确；B 、当物体在弹簧上运动过程中，加速度为0的一瞬间，其所受弹力和重力二力平衡，mg kx =，即：kx m g = ；结合a –x 图象可知，当物体P 和物体Q 分别处于平衡位置时，弹簧的压缩量之比为：00122P Q x x x x ==，故物体P 和物体Q 的质量之比为：16 p N P Q Q M x g m m x g =?=，故B 错误；C 、物体P 和物体Q 分别处于各自的平衡位置（a =0）时，它们的动能最大；根据22v ax =，结合a–x 图象面积的物理意义可知：物体P 的最大速度满足2 00001 2332 P v a x a x =? ??=，物体Q 的最大速度满足：2002Q v a x =，则两物体的最大动能之比：2 22212412 Q Q kQ Q Q kP P P P P m v E m v E m v m v ==?=，C 正确；D 、物体P 和物体Q 分别在弹簧上做简谐运动，由平衡位置（a =0）可知，物体P 和Q 振动的振幅A 分别为0x 和02x ，即物体P 所在弹簧最大压缩量为20x ，物体Q 所在弹簧最大压缩量为40x ，则Q 下落过程中，弹簧最大压缩量时P 物体最大压缩量的2倍，D 错误；故本题选AC 。 【2019·浙江选考】20世纪人类最伟大的创举之一是开拓了太空的全新领域。现有一艘远离星球在太空中直
《第 6 章质量和密度》单元测试卷 一、填空题 1．用实验测定固体物质的密度，必须先测出它的，然后再测出它 的，最后用公式求出它的密度． 2．小明手中有一瓶标示600ml 的矿泉水，请你计算这瓶水的质量为，若 将其放入冰箱内冻成冰，质量（填“变大”、“变小”或“不变”），体积 （填“变大”、“变小”或“不变”），小明联想到冬天自来水管经常被冻裂的原因 是． 3．某瓶氧气的密度是5kg/m 3，给人供氧用去了氧气质量的一半，则瓶内剩余氧 气的密度是；容积是10L 的瓶子装满了煤油，已知煤油的密度是0.8× ，将煤油倒去4kg 103kg/m 3，则瓶内煤油的质量是 密度是． 4．某研究人员为了探究冰和水的体积与温度的关系， 在一定的环境下将1g 的冰加热，分别记录其温度和体 积，得到了如图所示的图象．请你观察此图象回答下列 问题： （ 1）冰从﹣ 4℃上升到0℃时体积将，密度 将． （ 2）水从 0℃上升到 4℃时体积将，密度将． （ 3）冬天，当河面结冰时，与冰接触的河水温度是℃ ， 较深河底的水温是℃ ． 5．如图所示，点燃蜡烛会使它上方的扇叶旋转起来．这是因为 蜡烛的火焰使附近空气的温度升高，体积膨胀，空气的密度 变，所以热空气（填“上升”或“下降”）形成气流， 气流流过扇叶时，带动扇叶转起来． 6．某同学在探究“物体的质量跟体积的关系”的实验中， （ 1）他将托盘天平放在水平桌面上，把游码移到标尺左端的“0刻”度线处，观察 指针的指示情况如图 1 所示，此时应进行的操作是； （ 2）天平横梁调平衡后，在称物体的质量时，他在天平右盘中加、减砝码后，
指针的指示情况如图 2 所示这时他应进行的操作是． 7．为了测量玻璃杯中盐水的质量，某同学的实验步骤如下．正确的实验步骤依 次为（写字母）． A．用天平测出玻璃杯和盐水的总质量；B．用天平测空的玻璃杯的质量；C．调节天平横梁平衡；D．把天平放在水平桌面上； E．算出杯中盐水的质量；F．把盐水倒入空的玻璃杯中．8．（1）用天平和水测定一个空玻璃瓶容积的实验如下： A、用天平称量装满水的瓶和水的总质量为300g； B、用天平称量空瓶的质量为100g； C、利用水的密度，求出瓶的容积； D、调节天平横梁两端的平衡螺母，使天平平衡； E、把天平放在水平桌面上，并且． 请将步骤 E 中所缺少的内容补充完整．将以上各项的英文字母代号按实验 的合理顺序填写在横线上． （ 2）用上面的空玻璃瓶测量某种液体的密度时，在玻璃瓶内装满该液体， 用天平称得该液体和瓶总质量为340g．这种液体的密度是kg/m 3． 二、选择题 9．下列现象中质量发生变化的是（） A．铁水凝固成铁块B．机器从北京运到海南 C．正在黑板上写字的粉笔D．将铁丝通过拉伸机拉长 10．关于物体的质量，下列说法中不正确的是（） A．登月舱从地球到月球，质量变小B．一杯水结成冰后，体积增大，质量不变C．玻璃杯打碎后，形状发生了变化，质量不变D．1kg 铁与 1kg 棉花质量一样大11．今年 3 月以来，发源于墨西哥的H1N1 流感病毒迅速向全球蔓延．徐闻中学 学校食堂为了确保师生健康，坚持把师生用过的餐具进行高温蒸煮消毒．从把餐具放进冷水直至加热到水沸腾的过程中，关于餐具的下列相关物理量肯定没变的
一、初二物理质量与密度实验易错压轴题（难） 1．如图甲所示，A、B均为正方体，:4:1 OM ON=，杠杆在水平位置平衡。取下A、B，将A下表面的中心与B上表面的中心用忽略形变的细线相连，A在上B在下，放入足够高且底部带放水阀（体积可忽略）的长方体容器中，关闭阀门，加入一定量的水后，A 的上表面刚好与水面相平，此时细线处于紧绷状态，如图乙所示。然后缓慢放出容器中的水直至放完，放水过程中，A始终在B的正上方。测得整个放水过程中B对容器内底面的压力F随放出水的体积变化的图像如图丙所示。不计杠杆滑轮及细线的重力及摩擦，细线体积不计，物体A、B不吸水。已知长方体容器内底面积2 200cm S=； 33 1.010kg/m ρ=? 水 ，10N/kg g=。求： (1)正方体A和B的重力之比A B : G G是多少？ (2)正方体A的密度A ρ是多少？ (3)放水前，水对容器底部压强p是多大？ 【答案】(1)2:1；(2)33 0.7510kg m ?；(3)3 2.010Pa ? 【解析】 【分析】 【详解】 (1)由甲图可知，根据杠杆平衡条件可得 B A 1 2 G OM G ON ?=? 因 :4:1 OM ON= 故 A B 14 2:1 221 G OM G ON ==?= (2)设物体A的边长为A L，物体B的边长为B L，由图丙可知，放水至D点时，物体A刚好漂浮，放水的体积为
3250cm V =水 则有 ()2A A S L L V -?=露 水 ① 继续放水至E 点，物体A 受的浮力不变，当继续放水至F 点时，物体A 浸在水中，放出的水体积为 3332000cm 1250cm 750cm V '=-=水 则有 ()2A A S L L V '-?=浸 水 ② ①+②得 ()()2A A A S L L L V V '-?+=+浸露 水水 即 ()()2 2333A A A 200cm 250cm 750cm 1000cm L L L -?+=+=浸露 解得 A 10cm L =，A 7.5cm L =浸，A 2.5cm L =露 物体B 刚好浸没在水中，容器中剩余水的体积为 3332875cm 2000cm 875cm V ''=-=水 则有 ()2B B S L L V ''-?=水 即 ()2 23B B 200cm 875cm L L -?= 解得 B 5cm L = 物体A 漂浮时，根据平衡条件可得 A F G =浮 即 A A gV gV ρρ=水排 23333A A A A 2A A A 7.5cm 1.010kg m 0.7510kg m 10cm L L L L L L ρρρ=?=?=??=?浸浸水水 (3)未放水时，3 2875cm V =总水，由题可知，物体A 、B 浸没在水中，容器中水的深度为 ()()33 3A B 2 2875cm 10cm 5cm 20cm 0.2m 200cm V V V V h S S ++++=====总水总 故水对容器底部压强
考点精讲 一、万有引力定律及其应用 1. 内容：自然界中任何两个物体都相互吸引，引力的方向在它们的连线上，引力的大小与物体的质量m 1和m 2的乘积成正比、与它们之间距离r 的二次方成反比。 2. 表达式：F ＝2 21r m Gm ，G 为引力常量：G ＝6.67×10－11 N·m 2/kg 2。 3. 适用条件： （1）公式适用于质点间的相互作用，当两物体间的距离远远大于物体本身的大小时，物体可视为质点； （2）质量分布均匀的球体可视为质点，r 是两球心间的距离。 二、天体质量和密度的计算 1. 解决天体（卫星）运动问题的基本思路 （1）天体运动的向心力来源于天体之间的万有引力，即 G 2r Mm ＝ma n ＝m r v 2＝mω2 r ＝m 2 24T r π； （2）在中心天体表面或附近运动时，万有引力近似等于重力，即G 2R Mm ＝mg （g 表示天体表面的重力加速度）。 2. 天体质量和密度的计算 （1）利用天体表面的重力加速度g 和天体半径R 。 由于G 2R Mm ＝mg ，故天体质量M ＝G gR 2， 天体密度ρ＝33 4R M V M π= ＝GR g π43。 （2）通过观察卫星绕天体做匀速圆周运动的周期T 和轨道半径r 。 ①由万有引力等于向心力，即G 2r Mm ＝m 224T πr ，得出中心天体质量M ＝2 324GT r π； ②若已知天体半径R ，则天体的平均密度 ρ＝3 3 4R M V M π=＝323 R GT r 3π； ③若天体的卫星在天体表面附近做环绕天体运动，可认为其轨道半径r 等于天体半径R ，则天体密度ρ＝2 3GT π 。可见，只要测出卫星环绕天体表面运动的周期T ，就可估算出中心天体的密度。
2020年高考物理专题复习：天体质量和密度的估算精讲练习题 1. 假设地球可视为质量均匀分布的球体，已知地球表面重力加速度在两极的大小为g 0，在赤道的大小为g ，地球自转的周期为T ，引力常量为G 。地球的密度为（ ） A. 0203g GT g g ）（-π B. 23GT π C. ) (3020g g GT g -π D. GTg g 03π 2. 若有一艘宇宙飞船在某一行星表面做匀速圆周运动，设其周期为T ，引力常量为G ，该行星的自转周期为T 0，那么该行星的平均密度为（ ） A. π32GT B. 20GT 3π C. 23GT π D. 23GT π 3. 已知引力常量为G ，根据下列几组数据能算出地球质量的是（ ） A. 地球绕太阳运行的周期和地球到太阳中心的距离 B. 地球绕太阳运行的周期和地球的半径 C. 月球绕地球运行的周期和地球的半径 D. 月球绕地球运行的周期和月球到地球中心的距离 4. “嫦娥二号”是我国月球探测第二期工程的先导星。若测得“嫦娥二号”在月球（可视为密度均匀的球体）表面附近圆形轨道运行的周期T ，已知引力常量为G ，半径为R 的球体体积公式V ＝3 4πR 3，则可估算月球的（ ） A. 密度 B. 质量 C. 半径 D. 自转周期 5. 如果把水星和金星绕太阳的运动视为匀速圆周运动，若从水星与金星在一条直线上开始计时，天文学家测得在相同时间内水星转过的角度为θ1，金星转过的角度为θ2（θ1、θ2均为锐角），如图所示，则由此条件不． 可能求得的是（ ） A. 水星和金星的质量之比 B. 水星和金星到太阳的距离之比 C. 水星和金星绕太阳运动的线速度之比 D. 水星和金星绕太阳运动的向心加速度大小之比 6. 若地球绕太阳公转周期以及公转轨道半径分别为T 和R ，月球绕地球公转周期和公转轨道半径分别为t 和r ，则太阳质量与地球质量之比M M 日地 为（ ） A. 3232R t r T B. 3232R T r t C. 2323R t r T D. 2323R T r t 7. 近期，电影《火星救援》的热映，再次激起了人们对火星的关注，某火星探测器贴近火星表面做匀速圆周运动，已知速度为v ，引力常量为G ，下列说法正确的是（ ） A. 可算出探测器的质量3 2T m G v π=
一、计算天体的质量基本思路 1．地球质量的计算 利用地球表面的物体，若不考虑地球自转，质量为m 的物体的重力等于地球对物体的万有引 力，即mg ＝GMm R 2，则M ＝gR 2G ，由于g 、R 已经测出，因此可计算出地球的质量． 2．太阳质量的计算 利用某一行星：由于行星绕太阳的运动，可看做匀速圆周运动，行星与太阳间的万有引 力充当向心力，即G Mm r 2＝mω2r ，而ω＝2πT ，则可以通过测出行星绕太阳运转的周期和轨道半径，得到太阳质量M ＝4π2r 3GT 2. 3．其他行星质量的计算 利用绕行星运转的卫星，若测出该卫星绕行星运转的周期和轨道半径同样可得出行星的质量． 二、计算天体的质量具体方法 1．“称量”地球的质量 如果不考虑地球自转的影响，地球上的物体所受重力等于地球对它的万有引力． 由万有引力定律mg ＝GMm R 2 得M ＝gR 2G ，其中g 为地球表面的重力加速度，R 为地球半径，G 为万有引力常量． 从而得到地球质量M ＝×1024 kg . 通过上面的过程我们可以计算地球的质量，通过其它的方法，或者说已知另外的一些条件能否测出地球质量． 2．天体质量计算的几种方法 (1)若已知月球绕地球做匀速圆周运动的周期为T ，半径为r ，根据万有引力等于向心力， 即GM 地·m 月r 2＝m 月r ? ?? ??2πT 2，可求得地球质量M 地＝4π2r 3GT 2. (2)若已知月球绕地球做匀速圆周运动的半径r 和月球运动的线速度v ，由于地球对月球的引力等于月球做匀速圆周运动的向心力，根据牛顿第二定律，得 G M 地·m 月r 2＝m 月v 2r . 解得地球的质量为M 地＝rv 2/G. (3)若已知月球运行的线速度v 和运行周期T ，由于地球对月球的引力等于月球做匀速圆周运动的向心力，根据牛顿第二定律，得 G M 地·m 月r 2＝m 月·v·2πT . G M 地·m 月r 2＝m 月v 2r . 以上两式消去r ，解得 M 地＝v 3T/(2πG)． (4)若已知地球的半径R 和地球表面的重力加速度g ，根据物体的重力近似等于地球对物体的引力，得 mg ＝G M 地·m R 2， 解得地球质量为M 地＝R 2g G .
A B C D 《质量与密度》测试题班级_____ 姓名______ 等级______ 6.质量和密度单元测试题一 一、选择题（每小题3分，共36分） 1、下列是小明使用天平的几点做法，其中正确的是 A．测量前将天平放在水平桌面上 B．调节横梁平衡时，游码可不在零刻度处 C．用手直接加减砝码 D．所测物体质量可以超过天平最大测量值 2、右表给出了在常温常压下一些物质的密度，阅读后请判断下面一些结论，其中正确的是A．固体的密度都比液体的大 B．不同的物质，密度一定不同 C．同种物质在不同状态下，其密度不同 D．质量相等的实心铜块和实心铅块，铜块的体积比铅块小 3、图9是a、b两种物质的质量与体积的关系图像。分别用a、b 两种物质制成两个规则的实心长方体甲和乙，下列说法中正确的是 A．将物体甲放入水中，一定漂浮在水面 B．将物体乙放入水中，一定沉入水底 C．将体积相等的甲、乙两物体捆在一起放入水中，一定漂浮 在水面 D．将质量相等的甲、乙两物体捆在一起放入水中，一定漂浮 在水面 4、一块石头在下列各种情况中，它的质量会发生变化的是： A、把石头加热 B、把石头磨成粉 C、把石头加工成石像 D、把石头运到月球上5、一杯水倒掉一半后，下列判断正确的是： A、质量不变，密度不变 B、质量变小，密度不变 C、质量变小，密度变小 D、质量不变，密度变小 6、平常我们所说的“铁比棉花重”的正确含义是： A、铁比棉花质量大 B、铁比棉花的密度大 C、铁比棉花的体积大 D、以上都不对 7、有三个完全相同的杯子装满了水，将质量相同的实心铜球，铁球和铝球分别放入三个杯中，使水溢出质量最多的是：（已知ρ铜＞ρ铁＞ρ铝） A、铜球 B、铁球 C、铝球 D、不能确定 8、如右图所示，两支完全相同的试管分别装有质量相等的不同液体，甲竖直放置，乙倾斜放置，此时液面恰好相平，比较两种液体密度的大小， 下列正确的是 A.ρ甲>ρ乙 B. ρ甲<ρ乙 C. ρ甲=ρ乙 D. 无法判断 图1 9、由铜、铁、铝、木四种材料做成的四个小球，测得其质量相等，体积也相等，则： A、铜球一定是空心的 B、铁球可能是实心的 C、铝球可能是实心的 D、木球一定是实心的 10、两实心物体质量之比为4：5，体积之比为3：4，密度之比为： A、16：15 B、3：4 C、15：16 D、4：3 11、一实心铜球和一实心铝球，体积相同，将他们放到已调好的天平两盘中，则： A、天平仍然平衡 B、铝球一端下沉 C、铜球一端下沉 D、无法确定 12，如图是A,B,C三种物质的质量m与体积v的关系图线,由图可知,A,B,C三种物质的密度ρA, ρB,ρC和水的密度之间的关系是( ) ρA、ρA>ρB>ρC且ρA>ρ水 B. B、ρA>ρB>ρC且ρc>ρ水 C. ρA<ρB<ρC且ρA>ρ水 D. ρA<ρB<ρC且ρC>ρ水 0.8×10 ，如图是A,B,C三种物质的质量m与体积v的关系图线,由图可知,A,B,C三种 物质的密度ρA,ρB,ρC和水的密度之间的关系是( ) A.ρA>ρB>ρC且ρA>ρ水 m(克 B. ρA>ρB>ρC且ρc>ρ水 C. ρA<ρB<ρC且ρA>ρ水 D. ρA<ρB<ρC且ρC>ρ水 10 20 30 v(3 厘米)