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2024 年高考一轮复习100 考点100 讲
第6 章 万有引力与航天
第6.10 讲 火星探测
【知识点精讲】
火星是太阳系八大行星之一，按离太阳由近及远的次序排列为第四颗。在太阳系八大行星之中，火星
也是除了金星以外，距离地球最近的行星。火星探测是指人类通过向火星发射空间探测器，对火星进行的
科学探测活动。大约每隔26 个月就会发生一次火星冲日，地球与火星的距离在冲日期间会达到极近值，
通常只有不足1 亿千米，而在火星发生大冲时，这个距离甚至不足6000 万千米。火星冲日意味着这时可
以使用较小花费将探测器送往火星，因此人类的火星探测活动通常也会每隔26 个月出现一次高潮。
到目前为止，火星是除了地球以外人类了解最多的行星，已经有超过30 枚探测器到达过火星，它们
对火星进行了详细的考察，并向地球发回了大量数据。同时火星探测也充满了坎坷，大约三分之二的探测
器，特别是早期发射的探测器，都没有能够成功完成它们的使命。但是火星对于人类却有一种特殊的吸引
力，因为它是太阳系中最近似地球的天体之一。火星赤道平面与公转轨道平面的交角非常接近于地球，这
使它也有类似地球的四季交替，同时，火星的自转周期为24 小时37 分，这使火星上的一天几乎和地球上
的一样长。
人类使用空间探测器进行火星探测的历史几乎贯穿整个人类航天史。几乎就在人类刚刚有能力挣脱地
球引力飞向太空的时候，第一个火星探测器也开始了它的旅程。最早期的探测器几乎都失败了，而火星探
测也就是在一次又一次的失败中不断前进。1960 年10 月10 日，苏联向火星发射了第一枚探测器。紧接
着就在四天以后，即1960 年10 月14 日第二枚火星探测器升空。然而这两枚火星探测的先行者却连地球
轨道都没能到达。1962 年10 月24 日，当火星又一次运行到合适的位置时，苏联的第三枚火星探测器升
空了，然而这次它也是仅仅到达了环绕地球轨道而已。1962 年11 月1 日，苏联向火星发射了火星1 号，
这枚探测器成功进入了前往火星的轨道，并且计划于1963 年6 月19 日到达火星，然而当1963 年3 月21
日它飞行到距离地球1.06 亿千米的距离时，却与地面永远失去了通信联系。三天以后，即1963 年3 月24
日苏联的又一枚探测器升空，这枚探测器同样面临着失败的命运，仅仅到达环绕地球轨道，此后火箭未能
再次成功点火，两个月后堕入地球大气层烧毁。1964 年，美国也先后向火星发射了两枚探测器：水手3 号
和水手4 号。水手3 号于12 月5 日发射升空，是美国发射的第一枚火星探测器，然而探测器的保护外壳未
能按预定计划成功与探测器分离，导致探测器偏离轨道，最终导致发射失败。水手4 号于12 月28 日发射
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升空，这是有史以来第一枚成功到达火星并发回数据的探测器，水手4 号于1965 年7 月14 日在火星表面
9800 千米上空掠过火星，向地球发回了21 张照片，此后又在环绕太阳轨道上花费三年时间对太阳风进行
探测。水手4 号发回的数据表明火星的大气密度远比此前人们认为的稀薄。
苏联也于1964 年11 月30 日再次向火星发射了探测器，但是这枚探测器再次以失败告终，它虽然最
终到达了火星附近，但是却没有能够向地球发回任何数据。1969 年美国向火星发射了水手6 号和水手7 号。
前者于2 月24 日发射升空，7 月31 日抵达火星。后者于3 月27 日发射升空，8 月5 日抵达火星。这两枚
探测器携带有更先进的仪器和通讯设备，它们成功掠过火星，对火星大气成分进行分析，并发回了大量照
片。苏联也于1969 年向火星发射了两枚探测器，然而这次甚至比此前的情况更加糟糕，第一枚探测器在
发射后7 分钟因发动机故障发生爆炸，而另一枚探测器发射后不到1 分钟就坠向了地面。
1971 年，美国向火星发射了两枚探测器，尝试进入火星轨道，环绕火星飞行，以获取火星的高清晰照
片。5 月8 日，水手8 号发射升空，几分钟后因火箭故障坠入了大西洋。5 月30 日，水手9 号发射升空，
这是有史以来第一枚成功进入环绕火星轨道的探测器，取得了空前的成功。水手9 号于1971 年11 月14
日到达火星，在火星轨道上工作了将近一年之久，发回了7329 张照片，覆盖了火星表面超过80%的部分，
同时还对火星的两颗卫星进行了探测。苏联在1971 年向火星发射了三枚探测器。第一枚探测器于5 月10
日发射，包括一个轨道器和一个着陆器，尝试在火星表面着陆，但实际上它仅仅到达了环绕地球轨道，按
照计划，探测器应该在地球轨道上停留1.5 小时，然后点火向火星进发，但是由于失误，结果它的计时器
要等上1.5 年向火箭发出这个点火指令，这枚探测器后来被称为宇宙419 号，因为苏联事后否认这枚探测
器将要前往火星。火星2 号和火星3 号是苏联当年发射的另外两枚火星探测器，与宇宙419 号的设计几乎
完全相同，分别于5 月19 日和5 月28 日发射升空，火星2 号着陆器于12 月27 日到达火星后不久便与地
球失去了联系，轨道器运行了约8 个月，而火星3 号的轨道器没有成功，但是其着陆器却成为了有史以来
第一个成功在火星表面着陆的探测器，虽然它仅仅火星上工作了大约20 秒，甚至没能发回一张完整的照
片就永远与地球失去了通信联系。苏联在1973 年连续向火星发射了四枚探测器，但是都没有完成它们的
探测任务。火星4 号于1973 年7 月21 日发射升空，火星5 号于1973 年7 月25 日发射升空，它们分别于
1974 年2 月10 日和1974 年2 月12 日到达火星附近，火星4 号没能成功进入环绕火星轨道，而火星5 号
则在进入环绕火星轨道拍到世界第一张火星彩照后停止工作。火星6 号和火星7 号都携带有轨道器和着陆
器，它们分别于1973 年8 月5 日和1973 年8 月9 日发射升空，然后分别于1974 年3 月12 日和1974 年
3 月9 日到达火星附近，火星6 号的着陆器成功进入了火星大气层并打开了降落伞，然后就丢失了，而火
星7 号甚至还没进入环绕火星轨道就丢失了。
以火卫一的名字命名的福波斯1 号和福波斯2 号探测器分别于1988 年7 月7 日和1988 年7 月12 日
发射升空，这是继1973 年失败后，苏联又一个火星探测计划。然而尽管相隔15 年之久，这两颗探测器依
然没能逃脱失败的命运，福波斯1 号于1988 年9 月2 日在飞往火星的途中失去联系，而福波斯2 号则在
1989 年3 月27 日探测器进入环绕火星轨道后不久与地球失去了通信联系，它所携带的着陆器也因此没能
在火星表面着陆。
经过多次推迟，美国的火星观察者探测器于1992 年9 月25 日发射升空，开始了它前往火星的旅程。
一切似乎进展得相当顺利，然后就在它几乎就要到达火星的1993 年8 月21 日，当准备点火进入环绕火星
轨道时，与地球失去了通信联系。1996 年12 月7 日，美国的火星环球勘测者探测器发射升空，这枚探测
器持续运作了10 年，最后在2006 年11 月5 日失去讯号联络，它是最成功的火星探测任务之一。1996 年
12 月16 日，俄罗斯发射了火星96 号探测器，探测器进入地球轨道后未能成功点火进入前往火星的轨道，
不久后在坠入太平洋而宣告失败。1998 年底和1999 年初发射的四枚探测器最终都以失败告终，包括日本
的希望号探测器、美国的火星气候轨道器、火星极地登陆者和深空2 号。
2020 年4 月24 日，中国行星探测任务被命名为“天问系列”，首次火星探测任务被命名为“天问一
号”，后续行星任务依次编号。 [2]
2
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2020 年7 月23 日12 时41 分，长征五号遥四运载火箭托举着中国首次火星探测任务“天问一号”探
测器，在中国文昌航天发射场点火升空。 [3]
2021 年5 月14 日，据国家航天局官网消息，根据目前飞行情况，天问一号探测器拟于北京时间5 月
15 日凌晨至5 月19 日期间择机着陆于火星乌托邦平原。 [20]
2021 年5 月15 日7 时18 分，科研团队根据“祝融号”火星车发回遥测信号确认，天问一号着陆巡
视器成功着陆于火星乌托邦平原南部预选着陆区，我国首次火星探测任务着陆火星取得圆满成功 [21]
。5 月
17 日8 时，天问一号环绕器已实施第四次近火制动，顺利进入周期为8.2 小时中继通信轨道。祝融号火星
车正在按计划开展周围环境感知和状态检查，各系统工作正常。两器已建立器间通信链路，第一次通过环
绕器传回火星车遥测数据。 [22]
2021 年6 月11 日，国家航天局在京举行天问一号探测器着陆火星首批科学影像图揭幕仪式，公布了
由祝融号火星车拍摄的着陆点全景、火星地形地貌、“中国印迹”和“着巡合影”等影像图。 [23]
2021 年6 月12 日，国家航天局举办新闻发布会，介绍中国首次火星探测任务情况。后续将开展火星
取样返回和木星系探测任务。 [24]
2023 年4 月24 日，国家航天局和中国科学院联合发布中国首次火星探测火星全球影像图。
【方法归纳】
天问一号（代号：Tianwen 1 [1]
），是由中国航天科技集团公司下属中国空间技术研究院抓总研制的
探测器，负责执行中国第一次火星探测任务 [2]
。
天问一号于2020 年7 月23 日在文昌航天发射场由长征五号遥四运载火箭发射升空 [3]
，成功进入预定
轨道 [2]
。2021 年2 月10 日天问一号与火星交会，成功实施捕获制动进入环绕火星轨道。对预选着陆区进
行了3 个月的详查后，于2021 年5 月15 日成功实现软着陆在火星表面 [100]
。2021 年5 月22 日，祝融号
火星车成功驶上火星表面，开始巡视探测 [94]
。2021 年11 月8 日，天问一号环绕器成功实施第五次近火制
动，准确进入遥感使命轨道，开展火星全球遥感探测 [65]
截至2022 年9 月15 日，天问一号环绕器已在轨运行780 多天，火星车累计行驶1921 米，完成既定
科学探测任务，获取原始科学探测数据1480GB。科学研究团队通过对中国自主获取的一手科学数据的研
究，获得了丰富的科学成果。通过对着陆区分布的凹锥、壁垒撞击坑、沟槽等典型地貌的综合研究，揭示
了上述地貌的形成与水活动之间存在的重要联系。通过相机影像和光谱数据，在着陆区附近的板状硬壳岩
石中发现含水矿物，证明了在距今10 亿年（晚亚马逊纪时期）以来，着陆区存在过大量液态水活动。中
国科学家利用“天问一号”火星探测任务获得的科学数据，揭示了现今火星浅表精细结构和物性特征，为
深入认识火星地质演化与环境、气候变迁提供了重要依据。相关研究结果于北京时间2022 年9 月26 日晚
在国际学术期刊《自然》杂志发表。2022 年12 月26 日，天问一号第十七批科学探测数据正式发布。该
次发布的数据由地面应用系统生产制作，包括环绕器上的火星离子与中性粒子分析仪、火星能量粒子分析
仪在2022 年10 月获取的科学数据；高分辨率相机、中分辨率相机在2022 年5 月获取的科学数据；共计
8336 个数据文件，总数据量112.2GB。2023 年1 月16 日，据中国科学院上海天文台网站，2021 年火星
日凌期间（9 月下旬到 10 月中旬），在国家航天局支持下，中国科学院上海天文台、中国科学院国家空
间科学中心、北京大学地球与空间科学学院、中国科学院国家天文台、澳大利亚塔斯马尼亚大学和欧洲甚
长基线干涉测量研究所等中外科研机构，利用“天问一号”环绕器和“火星快车”轨道器的测控通信信号，
联合开展了对太阳的日凌掩星观测，取得重要研究成果。
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【最新高考题精练】
1．（2022·高考广东物理）“祝融号”火星车需要“休眠”以度过火星寒冷的冬季。假设火星和地球的冬
季是各自公转周期的四分之一，且火星的冬季时长约为地球的1.88 倍。火星和地球绕太阳的公转均可视为
匀速圆周运动。下列关于火星、地球公转的说法正确的是（ ）
A．火星公转的线速度比地球的大
B．火星公转的角速度比地球的大
C．火星公转的半径比地球的小
D．火星公转的加速度比地球的小
【参考答案】D
【命题意图】本题考查开普勒第三定律、万有引力定律、牛顿运动定律和匀速圆周运动。
【解题思路】
根据题述，火星冬季时长为地球的1.88 倍，可知火星绕太阳运动周期是地球的1.88 倍。由开普勒第三定律
可知，火星绕太阳匀速圆周运动的轨道半径比地球绕太阳匀速圆周运动的轨道半径大，选项C 错误；由万
有引力提供向心力，G
=m
，解得v=
，由r 火＞r 地，可得v 火＜v 地， A 项错误；由万有引力
提供向心力，G
=mω2r，解得ω=
，由r 火＞r 地，可得ω 火＜ω 地， B 项错误；由万有引力提供向
心力，G
=ma，解得a=
，由r 火＞r 地，可得a 火＜a 地， D 项正确。
【一题多解】在分析得出火星绕太阳运动周期是地球的1.88 倍，即T 火＞T 地后，利用ω=2π/T，得出ω 火＜
ω 地。
2. （2021 重庆高考）2021 年5 月15 日“祝融号”火星车成功着陆火星表面，是我国航天事业发展中具有
里程碑意义的进展。此前我国“玉兔二号”月球车首次实现月球背面软着陆，若“祝融号”的质量是“玉
兔二号”的K 倍，火星的质量是月球的N 倍，火星的半径是月球的P 倍，火星与月球均视为球体，则
A. 火星的平均密度是月球的
倍，
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B. 火星的第一宇宙速度是月球的
C. 火星的重力加速度大小是月球表面的
D. 火星对“祝融号”引力大小是月球对“玉兔二号”引力的
倍
【参考答案】AD
【名师解析】根据密度的定义，ρ=M/V，体积V=
，可知火星的平均密度与月球的平均密度之比为
=
=N×1/P3=
，即火星的平均密度是月球的
倍，选项A 正确；由G
=mg，可知火
星的重力加速度与月球表面的重力加速度之比为
=
=N×1/P2=
，即火星的重力加速度是月
球表面的重力加速度的
，选项C 错误；由G
=mg，v=
，可知火星的第一宇宙速度与月球的
第一宇宙速度之比为
=
=
=
，选项B 错误；由万有引力定律，F= G
，可知
火星对“祝融号”引力大小与月球对“玉兔二号”引力大小之比为
=
=N×K×1/P2=
，即火星对“祝融号”引力大小是月球对“玉兔二号”引力大小的
倍，选项D 正确。
3. （2021 新高考辽宁卷）2021 年月，我国首个火星探测器“天问一号”实现了对火星的环绕。若已知该
探测器在近火星圆轨道与在近地球圆轨道运动的速率之比和周期之比，则可以求出火星与地球的
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A．半径比
B．质量比
C．自转角速度比
D．公转轨道半径比
【参考答案】AB【解题思路】火星探测器在近火星轨道运动，由万有引力定律和牛顿运动定律，G
=m
，G
=mR 火
；火星探测器在近地球轨道运动，由万有引力定律和牛顿运动定律，G
=m
，G
=mR 地
；可以得出：
=
，
=
；由此可知，已知火
星探测器在近火星轨道与在近地球轨道运动的速率之比和周期之比，可以求出火星与地球的质量之比和半
径之比，选项AB 正确；由T=2π/ω 可知，已知火星探测器在近火星轨道与在近地球轨道运动的周期之比，
可以求出火星探测器在近火星轨道与在近地球轨道运动的角速度之比，但不是自转角速度之比，选项C 错
误；不能求出火星与地球围绕太阳运动的公转轨道半径之比，选项D 错误。
【易错警示】火星探测器在近火星轨道与在近地球轨道运动的角速度之比和它们自转角速度之比是完全不
同的两个物理量，不要搞混。
4．（2021 高考新课程I 卷山东卷）从“玉兔”登月到“祝融”探火，我国星际探测事业实现了由地月系到
行星际的跨越。已知火星质量约为月球的9 倍，半径约为月球的2 倍，“祝融”火星车的质量约为“玉
兔”月球车的2 倍。在着陆前，“祝融”和“玉兔”都会经历一个由着陆平台支撑的悬停过程。悬停时，
“祝融”与“玉兔”所受着陆平台的作用力大小之比为（ ）
A．9∶1 B．9∶2 C．36∶1 D．72∶1
【参考答案】B
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【名师解析】悬停时，所受着陆平台的作用力大小等于重力。由G
2
Mm
R
=mg 可得火星表面的重力加速度与
月球表面的重力加速度之比为
g
g
火
月=
2
2
M R
M R
月
火
月
火
=9×
2
1
2
=
9
4 ，悬停时，“祝融”与“玉兔”所受着陆平台的
作用力大小之比为
m g
m g
祝
火
玉
月=2×
9
4 =
9
2 ，选项B 正确。
5．（2021 高考河北物理）“祝融号”火星车登陆火星之前，“天问一号”探测器沿椭圆形的停泊轨道绕
火星飞行，其周期为2 个火星日，假设某飞船沿圆轨道绕火星飞行，其周期也为2 个火星日。已知一个火
星日的时长约为一个地球日，火星质量约为地球质量的0.1 倍，则该飞船的轨道半径与地球同步卫星的轨
道半径的比值约为( )
A．
B．
C．
D．
【参考答案】D
【名师解析】对飞船沿圆轨道绕火星飞行，由万有引力提供向心力，G
=m1r1(
)2，对地球同步卫
星，由万有引力提供向心力，G
=m2r2(
)2，又M 火=0.1M 地，T1=2T2，联立解得：该飞船的轨道
半径与地球同步卫星的轨道半径的比值约为：
=
，选项D 正确。
【名师点评】本题考查万有引力定律和牛顿运动定律、圆周运动，情景新，属于基础知识考查，难度不大。
6. （2021 高考新课程湖北卷）2021 年5 月，天问一号探测器软着陆火星取得成功，迈出了我国星际探测
征程的重要一步。火星与地球公转轨道近似为圆，两轨道平面近似重合，且火星与地球公转方向相同。火
星与地球每隔约26 个月相距最近，地球公转周期为12 个月。由以上条件可以近似得出
A.地球与火星的动能之比
B.地球与火星的自转周期之比
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C.地球表面与火星表面重力加速度大小之比
D.地球与火星绕太阳运动的向心加速度大小之比
【参考答案】D
【解题思路】根据题述火星与地球每隔约26 个月相距最近，地球公转周期为12 个月，可以得出火星公转
周期，利用开普勒定律可以得出地球与火星绕太阳运动的公转半径之比，利用万有引力定律和牛顿第二定
律可以得出地球与火星绕太阳运动的向心加速度大小之比，选项D 正确。由于不知地球和火星的质量，不
能得出地球与火星的动能之比，不能得出地球表面与火星表面重力加速度大小之比，选项AC 错误。根据
题述条件不能得出地球与火星的自转周期之比，选项B 错误。
【最新模拟题精练】
1. （2023 湖北高考冲刺模拟）“天问一号”从地球发射后，在如图甲所示的P 点沿地火转移轨道到Q 点，
再依次进入如图乙所示的调相轨道和停泊轨道，则天问一号（ ）
A. 从P 点转移到Q 点的时间小于6 个月
B. 发射速度介于11.2km/s 与16.7km/s 之间
C. 在环绕火星的停泊轨道运行的周期比在调相轨道上大
D. 在地火转移轨道运动的速度大于地球绕太阳的速度
【参考答案】B
【名师解析】
因P 点转移到Q 点的转移轨道的半长轴大于地球公转轨道半径，则其周期大于地球公转周期（1 年共12 个
月），则从P 点转移到Q 点的时间为轨道周期的一半时间应大于6 个月，故A 错误；
因发射的卫星要能变轨到绕太阳转动，则发射速度要大于第二宇宙速度，即发射速度介于11.2km/s 与
16.7km/s 之间，故B 正确；
因在环绕火星的停泊轨道的半长轴小于调相轨道的半长轴，则由开普勒第三定律可知在环绕火星的停泊轨
道运行的周期比在调相轨道上小，故C 错误；
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卫星从Q 点变轨时，要加速增大速度，即在地火转移轨道Q 点的速度小于火星轨道的速度，而由
，可得
可知火星轨道速度小于地球轨道速度，因此可知卫星在Q 点速度小于地球轨道速度，故D 错误；
2. （2023 湖南张家界模拟）我国首次火星探测任务“天问一号”探测器，是应用长征五号运载火箭送入
地火转移轨道。火星距离地球最远时有4 亿公里，最近时大约0.55 亿公里。由于距离遥远，地球与火星之
间的信号传输会有长时间的时延。当火星离我们最远时，从地球发出一个指令，约22 分钟才能到达火星。
为了节省燃料，我们要等火星与地球之间相对位置合适的时候发射探测器。受天体运行规律的影响，这样
的发射机会很少。为简化计算，已知火星的公转周期约是地球公转周期的1.9 倍，认为地球和火星在同一
平面内、沿同一方向绕太阳做匀速圆周运动，如图所示。根据上述材料，结合所学知识，判断下列说法正
确的是（ ）
A. 地球的公转线速度大于火星的公转线速度
B. 当火星离地球最近时，地球上发出的指令需要约13 分钟到达火星
C. 若火星运动到B 点、地球恰好在A 点时发射探测器，则探测器沿椭圆轨道运动到C 点时，恰好与火星
相遇
D. 下一个发射时机需要再等约2.1 年
【参考答案】AD
【名师解析】
设太阳质量为
，行星质量为
，轨道半径为，根据
解得行星的公转速度
由于地球的轨道半径小于火星的轨道半径，可知地球的公转线速度大于火星的公转线速度，A 正确；
9
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当火星离地球最近时，地球上发出的指令到达火星的时间
分钟
B 错误；
根据开普勒第三定律有
由于探测器轨道的半长轴小于火星轨道的半径，可知
则如果火星运动到B 点、地球恰好在A 点时发射探测器，那么探测器将沿轨迹AC 先运动到C 点，此时火
星还没有达到C 点，两者并不能恰好在C 点相遇，C 错误；
根据题意，两者相距最近时，恰好是一次发射机会，设到达下一次机会的时间为
，则有
结合题中数值，解得
年，D 正确。
3. （2023 河北衡水中学一模）2021 年5 月15 日，天问一号着落器着陆于火星表面。着落器的着陆过程简
化如下：首先在距火星表面高为h 处悬停，接着以恒定加速度a 竖直下降，下降过程火箭产生的反推力大
小恒为F。当四条“缓冲脚”接触火星表面时，火箭立即停止工作，着落器经时间t 速度减至0。已知着落
器的质量为m，火星半径为R（R>>h），万有引力常量为G。则下列说法正确的是（ ）
A. 火星的质量约为
B. 火星表面的重力加速度约为
C. 火箭反推力对着落器所做的功约为
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D. 着落器对火星表面的平均冲击力大小约为
【参考答案】AD
【名师解析】
加速下降过程
解得火星表面的重力加速度
对火星表面的物体
解得火星的质量
选项A 正确，B 错误；
火箭反推力对着落器所做的功约为
选项C 错误；
着落器落在火星表面时，设向上为正方向，由动量定理
其中
解得
选项D 正确。
4. （2023 湖南衡阳二模） 如图所示，“天问一号”探测器先在地球轨道上绕太阳匀速转动，在近日点
短暂点火后进入霍曼转移轨道，到达远日点
再次短暂点火进入火星轨道。已知万有引力常量为
，太阳
质量为
，地球轨道和火星轨道半径分别为
和
，地球、火星、“天问一号”探测器运动方向都为逆时
针方向。若只考虑太阳对“天问一号”探测器的作用力，下列说法正确的是（ ）
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A. “天问一号”在地球轨道上的角速度小于在火星轨道上的角速度
B. “天问一号”运动中在转移轨道上
点的加速度等于在火星轨道上
点的加速度
C. 两次点火之间的时间间隔为
D. 两次点火喷射方向都与速度方向相同
【参考答案】BC
【名师解析】
由万有引力提供向心力可知
得
由于“天问一号”在地球轨道上的轨道半径小于在火星轨道上的轨道半径，故“天问一号”在地球轨道上
的角速度大于在火星轨道上的角速度，故A 错误；
由万有引力提供向心力可知
得
点到太阳距离相同， “天问一号”运行中在转移轨道上
点的加速度和在火星轨道上
点的加速度相
等，故B 正确；
由开普勒第三定律可知，霍曼转移轨道和地球轨道
周期与半长轴满足关系式
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地球轨道上，由万有引力提供向心力有
联立解得
则两次点火之间的时间间隔为
故C 正确；
“天问一号”探测器在两次点火时都要做离心运动，要加速，故点火方向都与运动方向相反，故D 错误。
5. （2023 山东潍坊期末）火星的半径是地球半径的二分之一，质量为地球质量的十分之一，忽略星球自
转影响，地球表面重力加速度 g=10m/s²。假定航天员在火星表面做了如下实验：一个固定在竖直平面上的
光滑半圆形管道，管道里有一个直径略小于管道内径的小球，小球在管道内做圆周运动，从B 点脱离后做
平抛运动，1s 后与倾角为45°的斜面垂直相碰。已知半圆形管道的半径R=5m，小球可看作质点且质量
m=5kg。则（ ）
A. 火星表面重力加速度大小为 2.5m/s²
B. 小球在斜面上的相碰点C 与B 点的水平距离为4m
C. 小球经过管道的A 点时，对管壁的压力为116N
D. 小球经过管道的B 点时，对管壁的压力为66N
【参考答案】BC
【名师解析】忽略星球自转影响，在星球表面的物体受到的万有引力等于重力，则有
可知
，
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由此可得
，故A 错误；
小球运动到C 点的竖直分速度为
与倾角为45°的斜面垂直相碰，则有
水平位移为
联立并代入数据解得点C 与B 点的水平距离为
，故B 正确；
对小球从A 点到B 点的过程，由动能定理可得
在A 点，对小球受力分析，由牛顿第二定律可得
由牛顿第三定律得
，联立解得
，故C 正确；
小球经过管道的B 点时,设管壁给小球向下压力F2，由牛顿第二定律有
解得
，说明管壁给小球有向上压力4N，根据牛顿第三定律，小球经过管道的B 点时对管壁的压
力为4N，故D 错误。
6.．（2023 重庆涪陵重点高中质检）中国行星探测任务名称为“天问系列”，首次火星探测任务被命名为
“天问一号”。若已知“天问一号”探测器在距离火星中心为
的轨道上做匀速圆周运动，其周期为
。
火星半径为
，自转周期为
。引力常量为
，若火星与地球运动情况相似，下列说法正确的是（ ）
A．火星的质量为
B．火星表面两极的重力加速度为
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C．“天问一号”探测器环绕速度为
D．火星的同步卫星距离星球表面高度为
【参考答案】．B
【名师解析】．设火星的质量为
、“天问一号”探测器的质量为
， “天问一号”探测器在距离火星
中心为
的轨道上做匀速圆周运动，有
解得
，A 错误；
假定有一质量为
的物体静止在火星两极表面上，则有
得
，B 正确；
设“天问一号”探测器环绕速度为，则有
解得
，C 错误；
设火星的同步卫星的质量为
，距离星球表面高度为，则有
解得
，D 错误。故选B。
7. （2022 山东淄博二模）中国“天问一号”探测器着陆火星，为下一步实现火星采样返回打下了重要基
础。已知“天问一号”探测器在火星停泊轨道运行时，探测器到火星中心的最近和最远距离分别为280km
和5.9×104km，探测器的运行周期为2 个火星日（一个火星日的时间可近似为一个地球日时间），万有引
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力常量为6.67×10-11N·m2/kg2，通过以上数据可以计算出火星的（ ）
A. 半径 B. 质量
C. 密度
D. 表面的重力加速度
【参考答案】B
【名师解析】
将椭圆轨道近似看成圆轨道
可得
由已知条件可知能求出火星质量，无法求出火星半径、密度、及表面重力加速度，故B 正确，ACD 错误。
8. （2022 山东济南5 月模拟） 2021 年5 月15 日，我国首个火星探测器天问一号降落火星。考虑到时间
与经济成本、技术限制，科学家们计算出地球探测器到火星的最佳轨道只有一条，那就是外切于地球公转
轨道同时内切于火星公转轨道的椭圆轨道。该轨道只有在地球与火星相对位置满足合适条件的时候发射探
测器才能实现，这个相对合适的位置所对应的发射时间段称为发射窗口。下列四幅图中地球与火星的相对
位置可能满足发射窗口的是（ ）
A.
B.
C.
D.
【参考答案】C
【名师解析】
根据万有引力定律，则有
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可得行星在轨运行的速度为
可知，由于地球的轨道半径小于火星的轨道半径，其速度大于火星的速度；其次，发射探测器时最好能借
助地球公转运行速度，即沿着地球自转切线方向且与地球公转同向发射，这样可以节省发射成本；所以最
好的发射窗口是，火星与地球相距较近且火星在地球的斜前方合适的距离；此时发射探测器，由于发射器
脱离地球后的速度大于火星的速度，这样探测器在往高轨道运动时，由于引力的作用，其速度在一定程度
上变小而接近火星，故ABD 错误，C 正确。
9. （2022 湖北武汉武昌区5 月模拟） 2021 年5 月15 日中国首次火星探测任务“天问一号”探测器在火星
乌托邦平原南部预选着陆区成功着陆，在火星上首次留下中国印迹，迈出了中国星际探测征程的重要一步。
“天问一号”探测器需要通过霍曼转移轨道从地球发送到火星，地球轨道和火星轨道看成圆形轨道，此时
霍曼转移轨道是一个近日点M 和远日点P 分别与地球轨、道、火星轨道相切的椭圆轨道（如图所示）。在
近日点短暂点火后，“天问一号”进入霍曼转移轨道，接着“天问一号”沿着这个轨道直至抵达远日点时，
再次点火进入火星轨道。已知地球公转周期为1 年，火星轨道半径R 是地球轨道半径r 的k 倍，地球、火
星、“天问一号”运行方向都为图中逆时针方向。若只考虑太阳对“天问一号”的作用力，下列说法正确
的是（ ）
A. 两次点火时喷气方向都与运动方向相同
B. “天问一号”与太阳的连线相同时间内在地球轨道上扫过的面积等于在火星轨道上扫过的面积
C. “天问一号”在霍曼转移轨道上近日点的速度比在火星轨道上的速度小
D. “天问一号”沿霍曼转移轨道从M 点运动至P 点所用的时间为
年
【参考答案】D
【名师解析】
“天问一号”两次点火时都需要加速，则喷射方向必须都与速度方向相反，从而给探测器向前的推力，使
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之加速，从而变到更高的轨道，选项A 错误；
“天问一号”与太阳的连线相同时间内在同一轨道上扫过的面积相等，选项B 错误；
“天问一号”探测器绕太阳运行时，万有引力提供向心力，根据牛顿第二定律有
解得
因为“天问一号”在地球轨道上的轨道半径小于在火星轨道上的轨道半径，则有
又“天问一号”地球轨道上需要点火加速才能进入霍曼转移轨道，则“天问一号”在霍曼转移轨道上近日
点M 的速度大于在地球轨道上的速度，所以
即“天问一号”在霍曼转移轨道上近日点的速度比在火星轨道上的速度大，选项C 错误；
根据开普勒第三定律知，探测器在地球轨道上及霍曼转移轨道上运行时满足
解得探测器在霍曼转移轨道上运行时的周期
则“天问一号”沿霍曼转移轨道从M 点运动至P 点所用的时间
选项D 正确；
10.（2022 陕西宝鸡陈仓区二模）“天问一号”从地球发射后，在如图甲所示的P 点沿地火转移轨道到Q
点，再依次进入如图乙所示的调相轨道和停泊轨道，则天问一号（ ）
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A. 发射速度介于7.9km/s 与11.2km/s 之间
B. 从P 点转移到Q 点的时间小于6 个月
C. 在环绕火星的停泊轨道运行的周期比在调相轨道上小
D. 在地火转移轨道运动时的速度均大于地球绕太阳的速度
【参考答案】C
【名师解析】
因发射的卫星要能变轨到绕太阳转动，则发射速度要大于第二宇宙速度，即发射速度介于11.2km/s 与
16.7km/s 之间，故A 错误；因P 点转移到Q 点的转移轨道的半长轴大于地球公转轨道半径，则其周期大于
地球公转周期（1 年共12 个月），则从P 点转移到Q 点的时间为轨道周期的一半时间应大于6 个月，故B
错误；因在环绕火星的停泊轨道的半长轴小于调相轨道的半长轴，则由开普勒第三定律可知在环绕火星的
停泊轨道运行的周期比在调相轨道上小，故C 正确；卫星从P 点变轨时，要加速增大速度，此后做离心运
动速度减小，则在地火转移轨道运动时的速度P 点速度大于地球绕太阳的速度，故D 错误；
11. （2022 安徽巢湖一中等十校联盟最后一卷）中国航天“超级2021”，再创航天纪录。这一年，“天
和”核心舱一飞冲天，中国正式迈入空间站时代，“天问一号”火星着陆，“羲和号”实现中国太阳探测
零的突破，......，长征系列火箭立下汗马功劳，无数航天人接力探索，成就了这史无前例的航天大年！
已知重力加速度
，地球半径
，引力常量
。下列选项
中错误的是（ ）
A. 距地面400km 高的“天和”核心舱绕地球做圆周运动的周期小于24 小时
B. “天问一号”火星探测器在绕火星的某个椭圆轨道上运动，在近火点的速率大于远火点
C. “羲和号”卫星的发射速度一定大于第三宇宙速度
D. 某一长征运载火箭在发射时，若喷出一定质量气体的速度越大，则火箭获得的速度越大
【参考答案】C
【名师解析】
同步卫星的轨道高度约为地球半径的6 倍，由题意可知“天和”核心舱的轨道半径小于同步卫星的轨道半
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径，根据
可得
可知距地面400km 高的“天和”核心舱绕地球做圆周运动的周期小于同步卫星的周期24 小时，故A 正确，
不符合题意；由开普勒第二定律可知“天问一号”火星探测器在绕火星的某个椭圆轨道上运动，在近火点
的速率大于远火点，故B 正确，不符合题意；第三宇宙速度为逃逸出太阳引力场的最小发射速度，所以
“羲和号”卫星的发射速度一定小于第三宇宙速度，故C 错误，符合题意；根据动量守恒定律可知某一长
征运载火箭在发射时，若喷出一定质量气体的速度越大，则火箭获得的速度越大，故D 正确，不符合题意。
12.（2022 广州培正中学三模）2021 年5 月我国研制的“天问一号”火星探测器着陆火星，巡视器与环绕
器分离。如图为“天问一号”发射过程的简化示意图，虚线为卫星的椭圆转移轨道，将火星与地球绕太阳
的运动简化为在同一平面、沿同一方向的匀速圆周运动。下列说法正确的是（ ）
A. 天问一号的发射速度大于7.9km/s 小于11.2km/s
B. 天问一号在转移轨道上远日点的线速度小于地球绕太阳公转的线速度
C. 火星公转的向心加速度大于地球公转的向心加速度
D. 天问一号从地球飞到火星轨道的时间为地球绕太阳公转周期的一半
【参考答案】B
【名师解析】
天问一号要离开地球到达火星，所以它的发射速度大于11.2km/s 小于16.7km/s，A 错误；
B．对火星和地球分析，可知都围绕太阳做匀速圆周运动，根据万有引力提供向心力，则有
，可得
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由于火星的公转半径大于地球公转半径，则有
；而天问一号从转移轨道变到火星运行轨道，则要
在转移轨道上的远日点进行点火加速，做离心运动，则在转移轨道远日点的速度
小于
，所以综合分
析有
，B 正确；
C．由牛顿第二定律
，解得
由于火星的公转半径大于地球公转半径，则火星公转的向心加速度小于地球公转的向心加速度，C 错误；
D．由开普勒第三定律可知
由于天问一号椭圆轨道半长轴大于地球轨道半径，天问一号从地球飞到火星轨道的时间大于地球绕太阳公
转周期的一半，D 错误。
13.(2022 云南名校联考)2021 年5 月15 日,我国“天问”一号火星探测器在火星上成功软着陆，这是我国航
天事业又一个具有里程碑意义的进展，图中甲、乙是“天问”一号着陆器的运动示意图，关于“天问”一
号探测器的发射和着陆，下列说法正确的是
A.着陆器按如图甲的样子沿箭头方向飞向火星比按如图乙更能有效减速
B.火星探测器的发射速度在第一宇宙速度至第二宇宙速度之间
C.着陆器向火星着陆的过程中使用降落伞，说明火星上有大气层
D.尽管地球距火星非常遥远，科学家们还是可以同步操控火星着陆器着陆
【参考答案】AC
【名师解析】由于图乙为流线型，所受空气阻力较小，所以着陆器按如图甲的样子沿箭头方向飞向火星比
按如图乙更能有效减速，选项A 正确；由于火星是太阳的行星，所以火星探测器的发射速度在第二宇宙速
度至第三宇宙速度之间，选项B 错误；着陆器向火星着陆的过程中使用降落伞，说明火星上有大气层，选
项C 正确；由于火星距离地球上亿千米，电磁波需要较长时间才能从地球传到火星，所以科学家们不能同
步操控火星着陆器着陆，选项D 错误。
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14. （2022 江苏南京宁海中学4 月模拟）2020 年7 月23 日，我国在文昌航天发射场，用长征五号遥四运载
火箭成功发射我国首枚火星探测器“天问一号”。发射后“天问一号”在地火转移轨道飞行7 个月后，到达火
星附近，通过“刹车”完成火星捕获，进入环火轨道，然后进行多次变轨，进入近火圆轨道，最终在2021 年
5 月15 日成功着陆火星表面。如图为“天问一号”环绕火星变轨示意图，已知火星的直径约为地球的
，质
量约为地球的
，下列说法正确的是（ ）
A. 火星表面的重力加速度大于
，火星的第一宇宙速度大于
B. “天问一号”在轨道3 上经过A 点的速度大于在轨道1 上经过A 点的速度
C. “天问一号”在轨道1 上A 点的加速度小于在轨道2 上A 点的加速度
D. “天问一号”在轨道1 上经过B 点的机械能大于在轨道2 上经过A 点的机械能
【参考答案】D
【名师解析】
地球表面重力加速度
，在火星表面重力加速度
地球第一宇宙速度
，火星第一宇宙速度
，故A 错误；
从轨道3 到轨道1 需要在A 点点火加速，做离心运动，故“天问一号”在轨道3 上经过A 点的速度小于在轨
道1 上经过A 点的速度，故B 错误；在同一点受到的万有引力相同，加速度相同，故C 错误；
从轨道2 到轨道1 需要点火加速机械能增大，同一轨道上机械能守恒，故“天问一号”在轨道1 上经过B 点
的机械能大于在轨道2 上经过A 点的机械能，故D 正确。
15. （2022 云南师大附中质检）2021 年5 月22 日10 点40 分，中国火星探测器“天问一号”的火星车祝融
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号着陆火星表面。设想未来某天人类乘坐载人飞船到火星上开展科学实验:在距火星表面附近h 处无初速释
放一个小球， 经时间t 落至火星。已知火星的半径为R、引力常量为G,忽略火星自转，下列说法正确的是
A.火星表面加速度为
B.火星的平均密度为
C.火星的第一字宙速度为
D.宇宙飞船绕火星做圆周运动的周期不小于
【参考答案】D
【名师解析】根据自由落体运动，可得火星表面的重力加速度为
，根据万有引力提供重力有
，解得
，火星的平均密度为
，故A、B 错误。根据万
有引力提供向心力有
，解得
，故C 错误。宇宙飞船绕火星做圆周
运动的周期为
，则有
，解得
，则轨道半径越大其周期越长，则最短
周期为
，故D 正确。
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