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专题05 万有引力与航天
考点
十年考情（2015-2024）
命题趋势
考点1 开普勒
定律
（10 年8 考）
2024·浙江·高考真题、2024·山东·高考真题、2023·北京·高考真
题、2023·浙江·高考真题、2022·湖南·高考真题、2021·福建·高考
真题、2021·全国·高考真题、2018·全国·高考真题、2017·全国·高
考真题、2016·全国·高考真题、2016·江苏·高考真题
以我国航空航天
技术的发展成果
为背景，以中心
天体为模型，具
体考查开普勒行
星运动定律、重
力与万有引力的
关系、求中心天
体的质量和密
度、第一宇审速
度、卫星运行中
的各种运动参量
与卫星轨道半径
的关系、卫星变
轨时各参量的变
化规律等热点问
题。
考点2 万有引
力定律及其应
用
（10 年10
考）
2024·重庆·高考真题、2024·海南·高考真题、2024·广西·高考真
题、2024·全国·高考真题、2023·山东·高考真题、2022·全国·高考
真题、2021·山东·高考真题、2020·山东·高考真题、2020·全国·高
考真题、2019·全国·高考真题、2015·江苏·高考真题、2015·海南·
高考真题、2018·北京·高考真题、2017·海南·高考真题、2022·重
庆·高考真题、2021·重庆·高考真题、2017·北京·高考真题、2020·
江苏·高考真题、2016·海南·高考真题、2015·天津·高考真题、
2024·北京·高考真题、2023·北京·高考真题、2021·福建·高考真题
考点3 宇宙航
行
（10 年10
考）
2024·福建·高考真题、2024·广东·高考真题、2024·湖南·高考真
题、2024·河北·高考真题、2023·北京·高考真题、2023·湖南·高考
真题、2022·天津·高考真题、2022·湖北·高考真题、2022·浙江·高
考真题、2021·江苏·高考真题、2021·浙江·高考真题、2020·海南·
高考真题、2020·北京·高考真题、2019·北京·高考真题、2019·浙
江·高考真题、2017·江苏·高考真题、2021·重庆·高考真题、2021·
湖南·高考真题、2015·全国·高考真题、2015·天津·高考真题
考点01 开普勒定律
1．（2024·浙江·高考真题）与地球公转轨道“外切”的小行星甲和“内切”的小行星乙的公转轨道如图所
示，假设这些小行星与地球的公转轨道都在同一平面内，地球的公转半径为R，小行星甲的远日点到太阳
的距离为R1，小行星乙的近日点到太阳的距离为R2，则（ ）
1
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A．小行星甲在远日点的速度大于近日点的速度
B．小行星乙在远日点的加速度小于地球公转加速度
C．小行星甲与乙的运行周期之比
D．甲乙两星从远日点到近日点的时间之比
=
【答案】D
【详解】A．根据开普勒第二定律，小行星甲在远日点的速度小于近日点的速度，故A 错误；
B．根据
小行星乙在远日点的加速度等于地球公转加速度，故B 错误；
C．根据开普勒第三定律，小行星甲与乙的运行周期之比
故C 错误；
D．甲乙两星从远日点到近日点的时间之比即为周期之比
≈
故D 正确。
故选D。
2．（2024·山东·高考真题）“鹊桥二号”中继星环绕月球运行，其24 小时椭圆轨道的半长轴为a。已知地
球同步卫星的轨道半径为r，则月球与地球质量之比可表示为（ ）
A．
B．
C．
D．
【答案】D
【详解】“鹊桥二号”中继星在24 小时椭圆轨道运行时，根据开普勒第三定律
同理，对地球的同步卫星根据开普勒第三定律
又开普勒常量与中心天体的质量成正比，所以
2
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联立可得
故选D。
3．（2023·北京·高考真题）2022 年10 月9 日，我国综合性太阳探测卫星“夸父一号”成功发射，实现了
对太阳探测的跨越式突破。“夸父一号”卫星绕地球做匀速圆周运动，距地面高度约为
，运行一圈
所用时间约为100 分钟。如图所示，为了随时跟踪和观测太阳的活动，“夸父一号”在随地球绕太阳公转
的过程中，需要其轨道平面始终与太阳保持固定的取向，使太阳光能照射到“夸父一号”，下列说法正确
的是（ ）
A．“夸父一号”的运行轨道平面平均每天转动的角度约为
B．“夸父一号”绕地球做圆周运动的速度大于
C．“夸父一号”绕地球做圆周运动的向心加速度大于地球表面的重力加速度
D．由题干信息，根据开普勒第三定律，可求出日地间平均距离
【答案】A
【详解】A．因为“夸父一号”轨道要始终保持要太阳光照射到，则在一年之内转动360°角，即轨道平面
平均每天约转动1°，故A 正确；
B．第一宇宙速度是所有绕地球做圆周运动的卫星的最大环绕速度，则“夸父一号”的速度小于7.9km/s，
故B 错误；
C．根据
可知“夸父一号”绕地球做圆周运动的向心加速度小于地球表面的重力加速度，故C 错误；
D．“夸父一号”绕地球转动，地球绕太阳转动，中心天体不同，则根据题中信息不能求解地球与太阳的
距离，故D 错误。
故选A。
4．（2023·浙江·高考真题）木星的卫星中，木卫一、木卫二、木卫三做圆周运动的周期之比为
。木
卫三周期为T，公转轨道半径是月球绕地球轨道半径r 的n 倍。月球绕地球公转周期为
，则（ ）
3
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A．木卫一轨道半径为
B．木卫二轨道半径为
C．周期T 与T0之比为
D．木星质量与地球质量之比为
【答案】D
【详解】根据题意可得，木卫3 的轨道半径为
AB．根据万有引力提供向心力
可得
木卫一、木卫二、木卫三做圆周运动的周期之比为
,可得木卫一轨道半径为
木卫二轨道半径为
故AB 错误；
C．木卫三围绕的中心天体是木星，月球的围绕的中心天体是地球，根据题意无法求出周期T 与T0之比，
故C 错误；
D．根据万有引力提供向心力，分别有
联立可得
故D 正确。
故选D。
5．（2017·全国·高考真题）如图，海王星绕太阳沿椭圆轨道运动，P 为近日点，Q 为远日点，M、N 为轨
道短轴的两个端点，运行的周期为
。若只考虑海王星和太阳之间的相互作用，则海王星在从P 经M、Q
到N 的运动过程中（ ）
4
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A．从P 到M 所用的时间等于
B．从Q 到N 阶段，机械能逐渐变大
C．从P 到Q 阶段，速率逐渐变大
D．从M 到N 阶段，万有引力对它先做负功后做正功
【答案】D
【详解】A．海王星从P 到Q 用时
， PM 段的速度大小大于MQ 段的速度大小，则PM 段的时间小于
MQ 段的时间，所以P 到M 所用的时间小于
，故A 错误；
B．从Q 到N 的过程中，由于只有万有引力做功，机械能守恒，故B 错误；
C．海王星从P 到Q 阶段，万有引力对它做负功，速率减小，故C 错误；
D．根据万有引力方向与速度方向的关系知，从M 到N 阶段，万有引力对它先做负功后做正功，故D 正确。
故选D。
6．（2021·全国·高考真题）2021 年2 月，执行我国火星探测任务的“天问一号”探测器在成功实施三次近
火制动后，进入运行周期约为1.8×105s 的椭圆形停泊轨道，轨道与火星表面的最近距离约为2.8×105m。已
知火星半径约为3.4×106m，火星表面处自由落体的加速度大小约为3.7m/s2，则“天问一号”的停泊轨道与
火星表面的最远距离约为（ ）
A．6×105m
B．6×106m
C．6×107m
D．6×108m
【答案】C
【详解】忽略火星自转则
①
可知
设与为1.8×105s 的椭圆形停泊轨道周期相同的圆形轨道半径为，由万有引力提供向心力可知
②
设近火点到火星中心为
③
设远火点到火星中心为
④
由开普勒第三定律可知
5
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⑤
由以上分析可得
故选C。
7．（2016·全国·高考真题）利用三颗位置适当的地球同步卫星，可使地球赤道上任意两点之间保持无线电
通讯，目前地球同步卫星的轨道半径为地球半径的6.6 倍，假设地球的自转周期变小，若仍仅用三颗同步
卫星来实现上述目的，则地球自转周期的最小值约为（ ）
A．1h
B．4h
C．8h
D．16h
【答案】B
【详解】设地球的半径为R，周期T=24h，地球自转周期最小时，三颗同步卫星的位置如图所示
所以此时同步卫星的半径
r1=2R
由开普勒第三定律得
可得
故选B。
8．（2018·全国·高考真题）为了探测引力波，“天琴计划”预计发射地球卫星P，其轨道半径约为地球半
径的16 倍；另一地球卫星Q 的轨道半径约为地球半径的4 倍．P 与Q 的周期之比约为（ ）
A．2:1
B．4:1
C．8:1
D．16:1
【答案】C
【详解】设地球半径为R，根据题述，地球卫星P 的轨道半径为RP=16R，地球卫星Q 的轨道半径为
RQ=4R，根据开普勒定律，可得
=
=64
所以P 与Q 的周期之比为
TP∶TQ=8 1∶
ABD 错误，C 正确。
6
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故选C 正确。
9．（2016·全国·高考真题）关于行星运动的规律，下列说法符合史实的是（ ）
A．开普勒在牛顿定律的基础上，导出了行星运动的规律
B．开普勒在天文观测数据的基础上，总结出了行星运动的规律
C．开普勒总结出了行星运动的规律，找出了行星按照这些规律运动的原因
D．开普勒总结出了行星运动的规律，发现了万有引力定律
【答案】B
【详解】开普勒在他的导师第谷天文观测数据的基础上，总结出了行星运动的规律，但并未找出了行星按
照这些规律运动的原因；牛顿在开普勒行星运动定律的基础上推导出万有引力定律。
故选B。
【点睛】本题考查物理学史，是常识性问题，对于物理学上重大发现、发明、著名理论要加强记忆，这也
是考试内容之一。
10．（2022·湖南·高考真题）如图，火星与地球近似在同一平面内，绕太阳沿同一方向做匀速圆周运动，
火星的轨道半径大约是地球的1.5 倍。地球上的观测者在大多数的时间内观测到火星相对于恒星背景由西
向东运动，称为顺行；有时观测到火星由东向西运动，称为逆行。当火星、地球、太阳三者在同一直线上，
且太阳和火星位于地球两侧时，称为火星冲日。忽略地球自转，只考虑太阳对行星的引力，下列说法正确
的是（ ）
A．火星的公转周期大约是地球的
倍
B．在冲日处，地球上的观测者观测到火星的运动为顺行
C．在冲日处，地球上的观测者观测到火星的运动为逆行
D．在冲日处，火星相对于地球的速度最小
【答案】CD
【详解】A．由题意根据开普勒第三定律可知
火星轨道半径大约是地球轨道半径的1.5 倍，则可得
故A 错误；
7
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BC．根据
可得
由于火星轨道半径大于地球轨道半径，故火星运行线速度小于地球运行线速度，所以在冲日处火星相对于
地球由东向西运动，为逆行，故B 错误，C 正确；
D．由于火星和地球运动的线速度大小不变，在冲日处火星和地球速度方向相同，故相对速度最小，故D
正确。
故选CD。
11．（2021·福建·高考真题）两位科学家因为在银河系中心发现了一个超大质量的致密天体而获得了2020
年诺贝尔物理学奖。他们对一颗靠近银河系中心的恒星
的位置变化进行了持续观测，记录到的
的椭圆
轨道如图所示。图中O 为椭圆的一个焦点，椭圆偏心率（离心率）约为0.87。P、Q 分别为轨道的远银心
点和近银心点，Q 与O 的距离约为
（太阳到地球的距离为
），
的运行周期约为16 年。假设
的运动轨迹主要受银河系中心致密天体的万有引力影响，根据上述数据及日常的天文知识，可以推出（
）
A．
与银河系中心致密天体的质量之比
B．银河系中心致密天体与太阳的质量之比
C．
在P 点与Q 点的速度大小之比
D．
在P 点与Q 点的加速度大小之比
【答案】BCD
【详解】A．设椭圆的长轴为2a，两焦点的距离为2c，则偏心率
且由题知，Q 与O 的距离约为
，即
由此可得出a 与c，由于
是围绕致密天体运动，根据万有定律，可知无法求出两者的质量之比，故A 错
误；
8
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B．根据开普勒第三定律有
式中k 是与中心天体的质量M 有关，且与M 成正比；所以，对
是围绕致密天体运动有
对地球围绕太阳运动有
两式相比，可得
因
的半长轴a、周期
，日地之间的距离
，地球围绕太阳运动的周期
都已知，故由上式，可以求
出银河系中心致密天体与太阳的质量之比，故B 正确；
C．根据开普勒第二定律有
解得
因a、c 已求出，故可以求出
在P 点与Q 点的速度大小之比，故C 正确；
D．
不管是在P 点，还是在Q 点，都只受致密天体的万有引力作用，根据牛顿第二定律有
解得
因P 点到O 点的距离为a+c,，Q 点到O 点的距离为a-c，解得
因a、c 已求出，故
在P 点与Q 点的加速度大小之比，故D 正确。
故选BCD。
12．（2016·江苏·高考真题）如图所示，两质量相等的卫星A、B 绕地球做匀速圆周运动，用R、T、Ek、S
分别表示卫星的轨道半径、周期、动能、与地心连线在单位时间内扫过的面积。下列关系式正确的有（
）
9
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A．TA>TB
B．EkA>EkB
C．SA=SB
D．
【答案】AD
【详解】A．根据
知，轨道半径越大，周期越大，所以
TA>TB
A 正确；
B．由万有引力提供向心力，即
知
所以vB>vA，又因为质量相等，所以
EkB>EkA
B 错误；
C．同一行星与地心连线在单位时间内扫过的面积
知，轨道半径越大，与地心连线在单位时间内扫过的面积越大，则
C 错误；
D．A、B 卫星的绕同一天体做圆周运动，由开普勒第三定律知
D 正确。
故选AD。
考点02 万有引力定律及其应用
10
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1．（2024·重庆·高考真题）2024 年5 月3 日，嫦娥六号探测成功发射，开启月球背面采样之旅，探测器的
着陆器上升器组合体着陆月球要经过减速、悬停、自由下落等阶段。则组合体着陆月球的过程中（ ）
A．减速阶段所受合外力为0
B．悬停阶段不受力
C．自由下落阶段机械能守恒
D．自由下落阶段加速度大小g = 9.8m/s2
【答案】C
【详解】A．组合体在减速阶段有加速度，合外力不为零，故A 错误；
B．组合体在悬停阶段速度为零，处于平衡状态，合力为零，仍受重力和升力，故B 错误；
C．组合体在自由下落阶段只受重力，机械能守恒，故C 正确；
D．月球表面重力加速度不为9.8m/s2，故D 错误。
故选C。
2．（2024·海南·高考真题）嫦娥六号进入环月圆轨道，周期为T，轨道高度与月球半径之比为k，引力常量
为G，则月球的平均密度为（ ）
A．
B．
C．
D．
【答案】D
【详解】设月球半径为
，质量为
，对嫦娥六号，根据万有引力提供向心力
月球的体积
月球的平均密度
联立可得
故选D。
3．（2024·广西·高考真题）潮汐现象出现的原因之一是在地球的不同位置海水受到月球的引力不相同。图
中a、b 和c 处单位质量的海水受月球引力大小在（ ）
A．a 处最大
B．b 处最大
C．c 处最大
D．a、c 处相等，b 处最小
【答案】A
【详解】根据万有引力公式
11
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可知图中a 处单位质量的海水收到月球的引力最大；
故选A。
4．（2024·全国·高考真题）天文学家发现，在太阳系外的一颗红矮星有两颗行星绕其运行，其中行星
GJ1002c 的轨道近似为圆，轨道半径约为日地距离的0.07 倍，周期约为0.06 年，则这颗红矮星的质量约为
太阳质量的（ ）
A．0.001 倍
B．0.1 倍
C．10 倍
D．1000 倍
【答案】B
【详解】设红矮星质量为M1，行星质量为m1，半径为r1，周期为T1；太阳的质量为M2，地球质量为m2，
到太阳距离为r2，周期为T2；根据万有引力定律有
联立可得
由于轨道半径约为日地距离的0.07 倍，周期约为0.06 年，可得
故选B。
5．（2024·全国·高考真题）2024 年5 月，嫦娥六号探测器发射成功，开启了人类首次从月球背面采样返回
之旅。将采得的样品带回地球，飞行器需经过月面起飞、环月飞行、月地转移等过程。月球表面自由落体
加速度约为地球表面自由落体加速度的
。下列说法正确的是（ ）
A．在环月飞行时，样品所受合力为零
B．若将样品放置在月球正面，它对月球表面压力等于零
C．样品在不同过程中受到的引力不同，所以质量也不同
D．样品放置在月球背面时对月球的压力，比放置在地球表面时对地球的压力小
【答案】D
【详解】A．在环月飞行时，样品所受合力提供所需的向心力，不为零，故A 错误；
BD．若将样品放置在月球正面，它对月球表面压力大小等于它在月球表面的重力大小；由于月球表面自由
落体加速度约为地球表面自由落体加速度的
，则样品在地球表面的重力大于在月球表面的重力，所以样
品放置在月球背面时对月球的压力，比放置在地球表面时对地球的压力小，故B 错误，D 正确；
C．样品在不同过程中受到的引力不同，但样品的质量相同，故C 错误。
12
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故选D。
6．（2023·山东·高考真题）牛顿认为物体落地是由于地球对物体的吸引，这种吸引力可能与天体间（如地
球与月球）的引力具有相同的性质、且都满足
。已知地月之间的距离r 大约是地球半径的60 倍，
地球表面的重力加速度为g，根据牛顿的猜想，月球绕地球公转的周期为（ ）
A．
B．
C．
D．
【答案】C
【详解】设地球半径为R，由题知，地球表面的重力加速度为g，则有
月球绕地球公转有
r = 60R
联立有
故选C。
7．（2022·全国·高考真题）2022 年3 月，中国航天员翟志刚、王亚平、叶光富在离地球表面约
的
“天宫二号”空间站上通过天地连线，为同学们上了一堂精彩的科学课。通过直播画面可以看到，在近地
圆轨道上飞行的“天宫二号”中，航天员可以自由地漂浮，这表明他们（ ）
A．所受地球引力的大小近似为零
B．所受地球引力与飞船对其作用力两者的合力近似为零
C．所受地球引力的大小与其随飞船运动所需向心力的大小近似相等
D．在地球表面上所受引力的大小小于其随飞船运动所需向心力的大小
【答案】C
【详解】ABC．航天员在空间站中所受万有引力完全提供做圆周运动的向心力，飞船对其作用力等于零，
故C 正确，AB 错误；
D．根据万有引力公式
可知在地球表面上所受引力的大小大于在飞船所受的万有引力大小，因此地球表面引力大于其随飞船运动
所需向心力的大小，故D 错误。
故选C。
8．（2021·山东·高考真题）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
13
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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”所受陆平台的作用力大小之比为（ ）
A．9 1∶
B．9 2∶
C．36 1∶
D．72 1∶
【答案】B
【详解】悬停时所受平台的作用力等于万有引力，根据
可得
故选B。
9．（2020·山东·高考真题）我国将在今年择机执行“天问1 号”火星探测任务。质量为m 的着陆器在着陆
火星前，会在火星表面附近经历一个时长为t0、速度由v0减速到零的过程。已知火星的质量约为地球的0.1
倍，半径约为地球的0.5 倍，地球表面的重力加速度大小为g，忽略火星大气阻力。若该减速过程可视为一
个竖直向下的匀减速直线运动，此过程中着陆器受到的制动力大小约为（ ）
A．
B．
C．
D．
【答案】B
【详解】忽略星球的自转，万有引力等于重力
则
解得
着陆器做匀减速直线运动，根据运动学公式可知
解得
匀减速过程，根据牛顿第二定律得
解得着陆器受到的制动力大小为
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ACD 错误，B 正确。
故选B。
10．（2020·全国·高考真题）火星的质量约为地球质量的
，半径约为地球半径的
，则同一物体在火星
表面与在地球表面受到的引力的比值约为（ ）
A．0.2
B．0.4
C．2.0
D．2.5
【答案】B
【详解】设物体质量为m，则在火星表面有
在地球表面有
由题意知有
故联立以上公式可得
故选B。
11．（2019·全国·高考真题）2019 年1 月，我国嫦娥四号探测器成功在月球背面软着陆，在探测器“奔
向”月球的过程中，用h 表示探测器与地球表面的距离，F 表示它所受的地球引力，能够描F 随h 变化关
系的图像是（ ）
A．
B．
C．
D．
【答案】D
【详解】根据万有引力定律可得
15
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可得h 越大，F 越小，且F 与h 不是线性关系，ABC 错误，D 正确。
故选D。
12．（2015·江苏·高考真题）过去几千年来，人类对行星的认识与研究仅限于太阳系内，行星“51 peg b”的
发现拉开了研究太阳系外行星的序幕。“51 peg b”绕其中心恒星做匀速圆周运动，周期约为4 天，轨道半
径约为地球绕太阳运动半径为
，该中心恒星与太阳的质量比约为（ ）
A．
B．1
C．5
D．10
【答案】B
【详解】研究行星绕恒星做匀速圆周运动，根据万有引力提供向心力可得
解得
“51 peg b”绕其中心恒星做匀速圆周运动，周期约为4 天，轨道半径约为地球绕太阳运动半径的
，所以
该中心恒星与太阳的质量比约为
故选B。
13．（2015·海南·高考真题）若在某行星和地球上相对于各自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
。已知该行星质量约为地球的7 倍，地球的半径为
，由此可知，该行星的半径为（ ）
A．
B．
C．
D．
【答案】C
【详解】平抛运动在水平方向上做匀速直线运动，则有
在竖直方向上做自由落体运动，则有
联立解得
两种情况下，抛出的速率相同，高度相同，所以有
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根据行星表面处万有引力等于重力
可得
故有
解得
C 正确，ABD 错误；
故选C。
14．（2018·北京·高考真题）若想检验“使月球绕地球运动的力”与“使苹果落地的力”遵循同样的规律，
在已知月地距离约为地球半径60 倍的情况下，需要验证（ ）
A．地球吸引月球的力约为地球吸引苹果的力的
B．月球公转的加速度约为苹果落向地面加速度的
C．自由落体在月球表面的加速度约为地球表面的
D．苹果在月球表面受到的引力约为在地球表面的
【答案】B
【详解】A．设月球质量为
，地球质量为M，苹果质量为
，则月球受到的万有引力为
苹果受到的万有引力为
由于月球质量和苹果质量之间的关系未知，故二者之间万有引力的关系无法确定，故选项A 错误；
B．根据牛顿第二定律
，
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整理可以得到
故选项B 正确；
C．在地球表面处
在月球表面处
由于地球、月球本身的半径大小、质量大小关系未知，故无法求出月球表面和地面表面重力加速度的关系，
故选项C 错误；
D 由C 可知，无法求出月球表面和地面表面重力加速度的关系，故无法求出苹果在月球表面受到的引力与
地球表面引力之间的关系，故选项D 错误。
故选B。
15．（2018·全国·高考真题）2018 年2 月，我国500 m 口径射电望远镜（天眼）发现毫秒脉冲星
“J0318+0253”，其自转周期T=5.19 ms，假设星体为质量均匀分布的球体，已知万有引力常量为
．以周期T 稳定自转的星体的密度最小值约为（ ）
A．
B．
C．
D．
【答案】C
【详解】试题分析;在天体中万有引力提供向心力，即
，天体的密度公式
，
结合这两个公式求解．
设脉冲星质量为M，密度为
根据天体运动规律知：
代入可得：
，故C 正确；
故选C
点睛：根据万有引力提供向心力并结合密度公式
求解即可．
16．（2017·海南·高考真题）已知地球质量为月球质量的81 倍，地球半径约为月球半径的4 倍．若在月球
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和地球表面同样高度处，以相同的初速度水平抛出物体，抛出点与落地点间的水平距离分别为
和
，
则
：
约为
A．9：4
B．6：1
C．3：2
D．1：1
【答案】A
【详解】设月球质量为
，半径为
，地球质量为M，半径为R。已知
，
根据万有引力等于重力得
则有
因此
…①
由题意从同样高度抛出
…②
联立①、②解得
在地球上的水平位移
在月球上的
因此得到
故A 正确，BCD 错误。
故选A。
17．（2022·重庆·高考真题）我国载人航天事业已迈入“空间站时代”。若中国空间站绕地球近似做匀速
圆周运动，运行周期为T，轨道半径约为地球半径的
倍，已知地球半径为R，引力常量为G，忽略地球
自转的影响，则（ ）
A．漂浮在空间站中的宇航员不受地球的引力
B．空间站绕地球运动的线速度大小约为
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C．地球的平均密度约为
D．空间站绕地球运动的向心加速度大小约为地面重力加速度的
倍
【答案】BD
【详解】A．漂浮在空间站中的宇航员依然受地球的引力，所受引力提供向心力做匀速圆周运动而处于完
全失重，视重为零，故A 错误；
B．根据匀速圆周运动的规律，可知空间站绕地球运动的线速度大小约为
故B 正确；
C．设空间站的质量为
，其所受万有引力提供向心力，有
则地球的平均密度约为
故C 错误；
D．根据万有引力提供向心力，有
则空间站绕地球运动的向心加速度大小为
地表的重力加速度为
可得
即空间站绕地球运动的向心加速度大小约为地面重力加速度的
倍，故D 正确。
故选BD。
18．（2021·重庆·高考真题）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
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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
B．火星的第一宇宙速度是月球的
倍
C．火星的重力加速度大小是月球表面的
倍
D．火星对“祝融号”引力的大小是月球对“玉兔二号”引力的
倍
【答案】AD
【详解】A．根据密度的定义有
体积
可知火星的平均密度与月球的平均密度之比为
即火星的平均密度是月球的
倍，故A 正确；
BC．由
可知火星的重力加速度与月球表面的重力加速度之比为
即火星的重力加速度是月球表面的重力加速度的
，由
可知火星的第一宇宙速度与月球的第一宇宙速度之比为
故BC 错误；
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D．由万有引力定律
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
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，故D 正确。
故选AD。
19．（2017·北京·高考真题）利用引力常量G 和下列数据，能计算出地球质量的是（ ）
A．地球半径R 和表面重力加速度g（忽略地球自转）
B．人造卫星绕地球做圆周运动的速度v 和周期T
C．月球绕地球做圆周运动的周期T 及月球与地心间的距离r
D．地球绕太阳做圆周运动的周期T 及地球与太阳间的距离r
【答案】ABC
【详解】A．地球表面的物体的重力等于其所受地球的万有引力（忽略地球自转），即
则地球的质量为
所以A 正确；
B．人造卫星所受地球的万有引力提供其做圆周运动的向心力，即
又
可得地球的质量为
所以B 正确；
C．月球绕地球做圆周运动的向心力由其受到地球的万有引力提供，即
则地球的质量为
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所以C 正确；
D．与C 选项分析类似，地球绕太阳做圆周运动的向心力由太阳的万有引力提供，则
可求得太阳的质量为
不能求出地球的质量，所以D 错误。
故选ABC。
20．（2020·江苏·高考真题）甲、乙两颗人造卫星质量相等，均绕地球做圆周运动，甲的轨道半径是乙的2
倍。下列应用公式进行的推论正确的有（ ）
A．由
可知，甲的速度是乙的
倍
B．由
可知，甲的向心加速度是乙的2 倍
C．由
可知，甲的向心力是乙的
D．由
可知，甲的周期是乙的
倍
【答案】CD
【详解】卫星绕地球做圆周运动，万有引力提供向心力，则
A．因为在不同轨道上g 是不一样的，故不能根据
得出甲乙速度的关系，卫星的运行线速度
代入数据可得
故A 错误；
B．因为在不同轨道上两卫星的角速度不一样，故不能根据
得出两卫星加速度的关系，卫星的运行
加速度
代入数据可得
故B 错误；
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C．根据
，两颗人造卫星质量相等，可得
故C 正确；
D．两卫星均绕地球做圆周运动，根据开普勒第三定律
，可得
故D 正确。
故选CD。
21．（2016·海南·高考真题）通过观测冥王星的卫星，可以推算出冥王星的质量．假设卫星绕冥王星做匀
速圆周运动，除了引力常量外，至少还需要两个物理量才能计算出冥王星的质量．这两个物理量可以是
A．卫星的速度和角速度
B．卫星的质量和轨道半径
C．卫星的质量和角速度
D．卫星的运行周期和轨道半径
【答案】AD
【详解】试题分析：卫星围绕冥王星做匀速圆周运动，万有引力提供向心力，已知卫星的速度和角速度，
则轨道半径
，根据
即可求解冥王星质量M，故A 正确；根据
可知，卫星的
质量可以约去，只知道半径不能求出冥王星质量，故B 错误；根据
可知，卫星的质量可以约
去，只知道角速度不能求出冥王星质量，故C 错误；根据
可知，知道卫星的运行周期和轨
道半径可求解冥王星质量M，故D 正确；故选AD．
考点：万有引力定律的应用
22．（2015·天津·高考真题）P1、P2为相距遥远的两颗行星，距各自表面相同高度处各有一颗卫星S1、S2做
匀速圆周运动，图中纵坐标表示行星对周围空间各处物体的引力产生的加速度a，横坐标表示物体到行星
中心的距离r 的平方，两条曲线分别表示 P1、P2周围的a 与r2的反比关系，它们左端点横坐标相同，则
（ ）
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A．P1的平均密度比P2的大
B．P1的第一宇宙速度比 P2的小
C．S1的向心加速度比S2的大
D．S1的公转周期比S2的大
【答案】AC
【详解】A．由图可加速度从同一横坐标值开始产生，说明两行星的球体半径相同，对行星周围空间各处
物体来说，万有引力提供加速度，故有
故可知P1的质量比P2的大，即P1的平均密度比P2的大，故A 正确；
B．由上式知，当等于行星球半径时，
等于行星表面重力加速度，则P1表面的重力加速比P2的大，由
得第一宇宙速度为
可知，
的第一宇宙速度比
的大，故B 错误；
C．对卫星而言，万有引力提供向心加速度，即
故可知，S1的向心加速度比S2的大，故C 正确；
D．根据
可知，S1的公转周期比S2的小，故D 错误。
故选AC。
23．（2024·北京·高考真题）科学家根据天文观测提出宇宙膨胀模型：在宇宙大尺度上，所有的宇宙物质
（星体等）在做彼此远离运动，且质量始终均匀分布，在宇宙中所有位置观测的结果都一样。以某一点O
为观测点，以质量为m 的小星体（记为P）为观测对象。当前P 到O 点的距离为
，宇宙的密度为
。
（1）求小星体P 远离到
处时宇宙的密度ρ；
（2）以O 点为球心，以小星体P 到O 点的距离为半径建立球面。P 受到的万有引力相当于球内质量集中于
O 点对P 的引力。已知质量为
和
、距离为R 的两个质点间的引力势能
，G 为引力常量。
仅考虑万有引力和P 远离O 点的径向运动。
a．求小星体P 从
处远离到
。处的过程中动能的变化量
；
25
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b．宇宙中各星体远离观测点的速率v 满足哈勃定律
，其中r 为星体到观测点的距离，H 为哈勃系数。
H 与时间t 有关但与r 无关，分析说明H 随t 增大还是减小。
【答案】（1）
；（2）a．
；b．H 随t 增大而减小
【详解】（1）在宇宙中所有位置观测的结果都一样，则小星体P 运动前后距离O 点半径为
和
的球内
质量相同，即
解得小星体P 远离到
处时宇宙的密度
（2）a．此球内的质量
P 从
处远离到
处，由能量守恒定律得，动能的变化量
b．由a 知星体的速度随
增大而减小，星体到观测点距离越大，运动时间t 越长，由
知，H 减小，
故H 随t 增大而减小。
24．（2023·北京·高考真题）螺旋星系中有大量的恒星和星际物质，主要分布在半径为R 的球体内，球体
外仅有极少的恒星。球体内物质总质量为M，可认为均匀分布，球体内外的所有恒星都绕星系中心做匀速
圆周运动，恒星到星系中心的距离为r，引力常量为G。
（1）求
区域的恒星做匀速圆周运动的速度大小v 与r 的关系；
（2）根据电荷均匀分布的球壳内试探电荷所受库仑力的合力为零，利用库仑力与万有引力的表达式的相
似性和相关力学知识，求
区域的恒星做匀速圆周运动的速度大小v 与r 的关系；
（3）科学家根据实测数据，得到此螺旋星系中不同位置的恒星做匀速圆周运动的速度大小v 随r 的变化关
系图像，如图所示，根据在
范围内的恒星速度大小几乎不变，科学家预言螺旋星系周围（
）存
在一种特殊物质，称之为暗物质。暗物质与通常的物质有引力相互作用，并遵循万有引力定律，求
内暗物质的质量
。
【答案】（1）
；（2）
；（3）
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【详解】（1）由万有引力定律和向心力公式有
解得
（2）在
内部，星体质量
由万有引力定律和向心力公式有
解得
（3）对处于R 球体边缘的恒星，由万有引力定律和向心力公式有
对处于r=nR 处的恒星，由万有引力定律和向心力公式有
解得
25．（2021·福建·高考真题）一火星探测器着陆火星之前，需经历动力减速、悬停避障两个阶段。在动力
减速阶段，探测器速度大小由
减小到0，历时
。在悬停避障阶段，探测器启用最大推力为
的变推力发动机，在距火星表面约百米高度处悬停，寻找着陆点。已知火星半径约为地球半径的
，火星
质量约为地球质量的
，地球表面重力加速度大小取
，探测器在动力减速阶段的运动视为竖直向下
的匀减速运动。求：
（1）在动力减速阶段，探测器的加速度大小和下降距离；
（2）在悬停避障阶段，能借助该变推力发动机实现悬停的探测器的最大质量。
【答案】（1）
，
；（2）
【详解】（1）设探测器在动力减速阶段所用时间为t，初速度大小为
，末速度大小为
，加速度大小为
a，由匀变速直线运动速度公式有
①
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代入题给数据得
②
设探测器下降的距离为s，由匀变速直线运动位移公式有
③
联立②③式并代入题给数据得
④
（2）设火星的质量、半径和表面重力加速度大小分别为
、
和
，地球的质量、半径和表面重力加
速度大小分别为
、
和
由牛顿运动定律和万有引力定律，对质量为m 的物体有
⑤
⑥
式中G 为引力常量。设变推力发动机的最大推力为F，能够悬停的火星探测器最大质量为
，由力的平
衡条件有
⑦
联立⑤⑥⑦式并代入题给数据得
⑧
在悬停避障阶段，该变推力发动机能实现悬停的探测器的最大质量约为
。
考点03 宇宙航行
1．（2023·北京·高考真题）2022 年10 月9 日，我国综合性太阳探测卫星“夸父一号”成功发射，实现了
对太阳探测的跨越式突破。“夸父一号”卫星绕地球做匀速圆周运动，距地面高度约为
，运行一圈
所用时间约为100 分钟。如图所示，为了随时跟踪和观测太阳的活动，“夸父一号”在随地球绕太阳公转
的过程中，需要其轨道平面始终与太阳保持固定的取向，使太阳光能照射到“夸父一号”，下列说法正确
的是（ ）
A．“夸父一号”的运行轨道平面平均每天转动的角度约为
B．“夸父一号”绕地球做圆周运动的速度大于
C．“夸父一号”绕地球做圆周运动的向心加速度大于地球表面的重力加速度
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D．由题干信息，根据开普勒第三定律，可求出日地间平均距离
【答案】A
【详解】A．因为“夸父一号”轨道要始终保持要太阳光照射到，则在一年之内转动360°角，即轨道平面
平均每天约转动1°，故A 正确；
B．第一宇宙速度是所有绕地球做圆周运动的卫星的最大环绕速度，则“夸父一号”的速度小于7.9km/s，
故B 错误；
C．根据
可知“夸父一号”绕地球做圆周运动的向心加速度小于地球表面的重力加速度，故C 错误；
D．“夸父一号”绕地球转动，地球绕太阳转动，中心天体不同，则根据题中信息不能求解地球与太阳的
距离，故D 错误。
故选A。
2．（2023·湖南·高考真题）根据宇宙大爆炸理论，密度较大区域的物质在万有引力作用下，不断聚集可能
形成恒星。恒星最终的归宿与其质量有关，如果质量为太阳质量的
倍将坍缩成白矮星，质量为太阳质
量的
倍将坍缩成中子星，质量更大的恒星将坍缩成黑洞。设恒星坍缩前后可看成质量均匀分布的球
体，质量不变，体积缩小，自转变快．不考虑恒星与其它物体的相互作用．已知逃逸速度为第一宇宙速度
的
倍，中子星密度大于白矮星。根据万有引力理论，下列说法正确的是（ ）
A．同一恒星表面任意位置的重力加速度相同
B．恒星坍缩后表面两极处的重力加速度比坍缩前的大
C．恒星坍缩前后的第一宇宙速度不变
D．中子星的逃逸速度小于白矮星的逃逸速度
【答案】B
【详解】A．恒星可看成质量均匀分布的球体，同一恒星表面任意位置物体受到的万有引力提供重力加速
度和绕恒星自转轴转动的向心加速度，不同位置向心加速度可能不同，故不同位置重力加速度的大小和方
向可能不同，A 错误；
B．恒星两极处自转的向心加速度为零，万有引力全部提供重力加速度。恒星坍缩前后可看成质量均匀分
布的球体，质量不变，体积缩小，由万有引力表达式
可知，恒星表面物体受到的万有引力变大，
根据牛顿第二定律可知恒星坍缩后表面两极处的重力加速度比坍缩前的大。B 正确；
C．由第一宇宙速度物理意义可得
整理得
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恒星坍缩前后质量不变，体积缩小，故第一宇宙速度变大，C 错误；
D．由质量分布均匀球体的质量表达式
得
已知逃逸速度为第一宇宙速度的
倍，则
联立整理得
由题意可知中子星的质量和密度均大于白矮星，结合上式表达式可知中子星的逃逸速度大于白矮星的逃逸
速度，D 错误。
故选B。
3．（2022·天津·高考真题）2022 年3 月，中国空间站“天宫课堂”再次开讲，授课期间利用了我国的中继
卫星系统进行信号传输，天地通信始终高效稳定。已知空间站在距离地面400 公里左右的轨道上运行，其
运动视为匀速圆周运动，中继卫星系统中某卫星是距离地面36000 公里左右的地球静止轨道卫星（同步卫
星），则该卫星（ ）
A．授课期间经过天津正上空
B．加速度大于空间站的加速度
C．运行周期大于空间站的运行周期
D．运行速度大于地球的第一宇宙速度
【答案】C
【详解】A．该卫星在地球静止轨道卫星（同步卫星）上，处于赤道平面上，不可能经过天津正上空，A 错
误；
BCD．卫星正常运行，由万有引力提供向心力
得
，
，
由于该卫星轨道半径大于空间站半径，故加速度小于空间站的加速度；运行周期大于空间站的运行周期；
第一宇宙速度是近地卫星的运行速度，则该卫星的运行速度小于地球的第一宇宙速度。BD 错误，C 正确。
故选C。
4．（2022·湖北·高考真题）2022 年5 月，我国成功完成了天舟四号货运飞船与空间站的对接，形成的组合
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体在地球引力作用下绕地球做圆周运动，周期约90 分钟。下列说法正确的是（ ）
A．组合体中的货物处于超重状态
B．组合体的速度大小略大于第一宇宙速度
C．组合体的角速度大小比地球同步卫星的大
D．组合体的加速度大小比地球同步卫星的小
【答案】C
【详解】A．组合体在天上只受万有引力的作用，则组合体中的货物处于失重状态，A 错误；
B．由题知组合体在地球引力作用下绕地球做圆周运动，而第一宇宙速度为最大的环绕速度，则组合体的
速度大小不可能大于第一宇宙速度，B 错误；
C．已知同步卫星的周期为24h，则根据角速度和周期的关系有
由于T 同 > T 组合体，则组合体的角速度大小比地球同步卫星的大，C 正确；
D．由题知组合体在地球引力作用下绕地球做圆周运动，有
整理有
由于T 同 > T 组合体，则r 同 > r 组合体，且同步卫星和组合体在天上有
则有
a 同 < a 组合体
D 错误。
故选C。
5．（2022·浙江·高考真题）“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．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
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【答案】C
【详解】A．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；
B．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；
C．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；
D．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；
故选C。
6．（2021·江苏·高考真题）我国航天人发扬“两弹一星”精神砥砺前行，从“东方红一号”到“北斗”不
断创造奇迹。“北斗”第49 颗卫星的发射迈出组网的关键一步。该卫星绕地球做圆周运动，运动周期与地
球自转周期相同，轨道平面与地球赤道平面成一定夹角。该卫星（ ）
A．运动速度大于第一宇宙速度
B．运动速度小于第一宇宙速度
C．轨道半径大于“静止”在赤道上空的同步卫星
D．轨道半径小于“静止”在赤道上空的同步卫星
【答案】B
【详解】AB．第一宇宙速度是指绕地球表面做圆周运动的速度，是环绕地球做圆周运动的所有卫星的最大
环绕速度，该卫星的运转半径远大于地球的半径，可知运行线速度小于第一宇宙速度，选项A 错误B 正确；
CD．根据
可知
因为该卫星的运动周期与地球自转周期相同，等于“静止”在赤道上空的同步卫星的周期，可知该卫星的
轨道半径等于“静止”在赤道上空的同步卫星的轨道半径，选项CD 错误。
故选B。
7．（2021·浙江·高考真题）空间站在地球外层的稀薄大气中绕行，因气体阻力的影响，轨道高度会发生变
化。空间站安装有发动机，可对轨道进行修正。图中给出了国际空间站在2020.02-2020.08 期间离地高度随
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时间变化的曲线，则空间站（ ）
A．绕地运行速度约为
B．绕地运行速度约为
C．在4 月份绕行的任意两小时内机械能可视为守恒
D．在5 月份绕行的任意两小时内机械能可视为守恒
【答案】D
【详解】AB．卫星贴近地面做匀速圆周运动的线速度大小设为v1，此速度为第一宇宙速度，即
v1=7.9km/s；地球半径约为6400km，则空间站离地高度在418km~421km 之间。由
，
解得
空间站距离地面的最小高度约为h=418km＜R=6400km，则
所以空间站绕地运行速度
故AB 错误；
C．在4 月份轨道半径出现明显的变大，则可知，机械能不守恒，故C 错误；
D．在5 月份轨道半径基本不变，故可视为机械能守恒，故D 正确。
故选D。
8．（2020·海南·高考真题）2020 年5 月5 日，长征五号B 运载火箭在中国文昌航天发射场成功首飞，将新
一代载人飞船试验船送入太空，若试验船绕地球做匀速圆周运动，周期为T，离地高度为h，已知地球半
径为R，万有引力常量为G，则（ ）
A．试验船的运行速度为
B．地球的第一宇宙速度为
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C．地球的质量为
D．地球表面的重力加速度为
【答案】B
【详解】A．试验船的运行速度为
，故A 错误；
B．近地轨道卫星的速度等于第一宇宙速度，根据万有引力提供向心力有
根据试验船受到的万有引力提供向心力有
联立两式解得第一宇宙速度
故B 正确；
C．根据试验船受到的万有引力提供向心力有
解得
故C 错误；
D．地球重力加速度等于近地轨道卫星向心加速度，根据万有引力提供向心力有
根据试验船受到的万有引力提供向心力有
联立两式解得重力加速度
故D 错误。
故选B。
9．（2020·北京·高考真题）我国首次火星探测任务被命名为“天问一号”。已知火星质量约为地球质量的
10%，半径约为地球半径的50%，下列说法正确的是（ ）
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A．火星探测器的发射速度应大于地球的第二宇宙速度
B．火星探测器的发射速度应介于地球的第一和第二宇宙速度之间
C．火星的第一宇宙速度大于地球的第一宇宙速度
D．火星表面的重力加速度大于地球表面的重力加速度
【答案】A
【详解】A．当发射速度大于第二宇宙速度时，探测器将脱离地球的引力在太阳系的范围内运动，火星在
太阳系内，所以火星探测器的发射速度应大于第二宇宙速度，故A 正确；
B．第二宇宙速度是探测器脱离地球的引力到太阳系中的临界条件，当发射速度介于地球的第一和第二宇
宙速度之间时，探测器将围绕地球运动，故B 错误；
C．万有引力提供向心力，则有
解得第一宇宙速度为
所以火星的第一宇宙速度为
所以火星的第一宇宙速度小于地球的第一宇宙速度，故C 错误；
D． 万有引力近似等于重力，则有
解得星表面的重力加速度
所以火星表面的重力加速度小于地球表面的重力加速度，故D 错误。
故选A。
10．（2019·北京·高考真题）2019 年5 月17 日，我国成功发射第45 颗北斗导航卫星，该卫星属于地球静
止轨道卫星（同步卫星），该卫星（ ）
A．入轨后可以位于北京正上方
B．入轨后的速度大于第一宇宙速度
C．发射速度大于第二宇宙速度
D．若发射到近地圆轨道所需能量较少
【答案】D
【详解】A．由于卫星为同步卫星，所以入轨后一定只能与赤道在同一平面内，故A 错误；
B．由于第一宇宙速度为卫星绕地球运行的最大速度，所以卫星入轨后的速度一定小于第一宇宙速度，故B
错误；
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C．由于第二宇宙速度为卫星脱离地球引力的最小发射速度，所以卫星的发射速度一定小于第二宇宙速度，
故C 错误；
D．将卫星发射到越高的轨道克服引力所作的功越大，所以发射到近地圆轨道所需能量较小，故D 正确．
故选D。
11．（2019·浙江·高考真题）某颗北斗导航卫星属于地球静止轨道卫星（即卫星相对于地面静止），则此
卫星的（ ）
A．线速度大于第一宇宙速度
B．周期小于同步卫星的周期
C．角速度大于月球绕地球运行的角速度
D．向心加速度大于地面的重力加速度
【答案】C
【详解】A．第一宇宙速度是所有绕地球运行的卫星的最大速度，则此卫星的线速度小于第一宇宙速度，
选项A 错误；
B．卫星属于地球静止轨道卫星，即为地球的同步卫星，选项B 错误；
C．根据
可知，因此卫星做圆周运动的半径远小于月球绕地球做圆周运动的半径，可知角速度大
于月球绕地球运行的角速度，选项C 正确；
D．根据
可知，向心加速度小于地面的重力加速度，选项D 错误．
12．（2017·江苏·高考真题）“天舟一号”货运飞船于2017 年4 月20 日在文昌航天发射中心成功发射升空，
与“天宫二号”空间实验室对接前，“天舟一号”在距离地面约380 km 的圆轨道上飞行，则下列几个说法
中错误的是（ ）
A．向心加速度小于地面的重力加速度
B．线速度小于第一宇宙速度
C．周期小于地球自转周期
D．角速度小于地球自转角速度
【答案】D
【详解】A、由
知，其向心加速度小于近地卫星的向心加速度，而近地卫星的向心加速度约等
于地面的重力加速度，所以其向心加速度小于地面的重力加速度;故A 正确.
B、由
可知，第一宇宙速度是卫星绕地球做匀速圆周运动最大的运行速度，则其线速度小于第
一宇宙速度;故B 正确.
C、“天舟一号”的轨道半径比地球同步卫星的小，由开普勒第三定律知其周期小于同步卫星周期;故C 正
确.
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D、根据卫星的速度公式
和v=rω 得：
.将“天舟一号”与地球同步卫星比较，由于“天
舟一号”的轨道半径小于地球同步卫星的轨道半径，所以“天舟一号”的角速度大于地球同步卫星的角速
度，而地球同步卫星的角速度等于地球自转角速度，所以其角速度大于地球自转角速度;故D 错误.
本题选错误的故选D.
【点睛】解决此题的关键要掌握卫星公转的速度公式、角速度公式、周期公式、加速度公式；能根据运动
学公式推导出其他量的表达式；本题要选好比较的对象，如地球同步卫星、近地卫星．
13．（2017·浙江·高考真题）如图所示，设行星绕太阳的运动是匀速圆周运动，金星自身的半径是火星的n
倍，质量为火星的k 倍，不考虑行星自转的影响，则
A．金星表面的重力加速度是火星的
B．金星的第一宇宙速度是火星的
C．金星绕太阳运动的加速度比火星小
D．金星绕太阳运动的周期比火星大
【答案】B
【详解】有黄金代换公式GM=gR2可知g=GM/R2,所以
故A 错误，
由万有引力提供近地卫星做匀速圆周运动的向心力可知
解得
，所以
故B 正确；
由
可知轨道越高，则加速度越小，故C 错；
由
可知轨道越高，则周期越大，故D 错；
综上所述本题答案是：B
【点睛】结合黄金代换求出星球表面的重力加速度，并利用万有引力提供向心力比较运动中的加速度及周
期的大小．
14．（2024·河北·高考真题）2024 年3 月20 日，鹊桥二号中继星成功发射升空，为嫦娥六号在月球背面的
探月任务提供地月间中继通讯。鹊桥二号采用周期为24h 的环月椭圆冻结轨道（如图），近月点A 距月心
约为2.0 × 103km，远月点B 距月心约为1.8 × 104km，CD 为椭圆轨道的短轴，下列说法正确的是（ ）
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A．鹊桥二号从C 经B 到D 的运动时间为12h
B．鹊桥二号在A、B 两点的加速度大小之比约为81：1
C．鹊桥二号在C、D 两点的速度方向垂直于其与月心的连线
D．鹊桥二号在地球表面附近的发射速度大于7.9km/s 且小于11.2km/s
【答案】BD
【详解】A．鹊桥二号围绕月球做椭圆运动，根据开普勒第二定律可知，从A→C→B 做减速运动，从
B→D→A 做加速运动，则从C→B→D 的运动时间大于半个周期，即大于12h，故A 错误；
B．鹊桥二号在A 点根据牛顿第二定律有
同理在B 点有
带入题中数据联立解得
aA：aB = 81：1
故B 正确；
C．由于鹊桥二号做曲线运动，则可知鹊桥二号速度方向应为轨迹的切线方向，则可知鹊桥二号在C、D 两
点的速度方向不可能垂直于其与月心的连线，故C 错误；
D．由于鹊桥二号环绕月球运动，而月球为地球的“卫星”，则鹊桥二号未脱离地球的束缚，故鹊桥二号
的发射速度应大于地球的第一宇宙速度7.9km/s，小于地球的第二宇宙速度11.2km/s，故D 正确。
故选BD。
15．（2024·湖南·高考真题）2024 年5 月3 日，“嫦娥六号”探测器顺利进入地月转移轨道，正式开启月
球之旅。相较于“嫦娥四号”和“嫦娥五号”，本次的主要任务是登陆月球背面进行月壤采集并通过升空
器将月壤转移至绕月运行的返回舱，返回舱再通过返回轨道返回地球。设返回舱绕月运行的轨道为圆轨道，
半径近似为月球半径。己知月球表面重力加速度约为地球表面的
，月球半径约为地球半径的
。关于返
回舱在该绕月轨道上的运动，下列说法正确的是（ ）
A．其相对于月球的速度大于地球第一宇宙速度
B．其相对于月球的速度小于地球第一宇宙速度
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C．其绕月飞行周期约为地球上近地圆轨道卫星周期的
倍
D．其绕月飞行周期约为地球上近地圆轨道卫星周期的
倍
【答案】BD
【详解】AB．返回舱在该绕月轨道上运动时万有引力提供向心力，且返回舱绕月运行的轨道为圆轨道，半
径近似为月球半径，则有
其中在月球表面万有引力和重力的关系有
联立解得
由于第一宇宙速度为近地卫星的环绕速度，同理可得
代入题中数据可得
故A 错误、B 正确；
CD．根据线速度和周期的关系有
根据以上分析可得
故C 错误、D 正确；
故选BD。
16．（2024·广东·高考真题）如图所示，探测器及其保护背罩通过弹性轻绳连接降落伞。在接近某行星表
面时以
的速度竖直匀速下落。此时启动“背罩分离”，探测器与背罩断开连接，背罩与降落伞保持
连接。已知探测器质量为1000kg，背罩质量为50kg，该行星的质量和半径分别为地球的
和
。地球表
面重力加速度大小取
。忽略大气对探测器和背罩的阻力。下列说法正确的有（ ）
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A．该行星表面的重力加速度大小为
B．该行星的第一宇宙速度为
C．“背罩分离”后瞬间，背罩的加速度大小为
D．“背罩分离”后瞬间，探测器所受重力对其做功的功率为30kW
【答案】AC
【详解】A．在星球表面，根据
可得
行星的质量和半径分别为地球的
和
。地球表面重力加速度大小取
，可得该行星表面的重力
加速度大小
故A 正确；
B．在星球表面上空，根据万有引力提供向心力
可得星球的第一宇宙速度
行星的质量和半径分别为地球的
和
，可得该行星的第一宇宙速度
地球的第一宇宙速度为
，所以该行星的第一宇宙速度
故B 错误；
C．“背罩分离”前，探测器及其保护背罩和降落伞整体做匀速直线运动，对探测器受力分子，可知探测
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器与保护背罩之间的作用力
“背罩分离”后，背罩所受的合力大小为4000N，对背罩，根据牛顿第二定律
解得
故C 正确；
D．“背罩分离”后瞬间探测器所受重力对其做功的功率
故D 错误。
故选AC。
17．（2024·福建·高考真题）巡天号距地表
，哈勃号距地表
，问（ ）
A．
B．
C．
D．
【答案】CD
【详解】根据万有引力提供向心力可得
可得
，
，
，
由于巡天号的轨道半径小于哈勃号的轨道半径，则有
，
，
，
故选CD。
18．（2021·重庆·高考真题）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
B．火星的第一宇宙速度是月球的
倍
C．火星的重力加速度大小是月球表面的
倍
D．火星对“祝融号”引力的大小是月球对“玉兔二号”引力的
倍
【答案】AD
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【详解】A．根据密度的定义有
体积
可知火星的平均密度与月球的平均密度之比为
即火星的平均密度是月球的
倍，故A 正确；
BC．由
可知火星的重力加速度与月球表面的重力加速度之比为
即火星的重力加速度是月球表面的重力加速度的
，由
可知火星的第一宇宙速度与月球的第一宇宙速度之比为
故BC 错误；
D．由万有引力定律
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
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，故D 正确。
故选AD。
19．（2021·湖南·高考真题）2021 年4 月29 日，中国空间站天和核心舱发射升空，准确进入预定轨道。根
据任务安排，后续将发射问天实验舱和梦天实验舱，计划2022 年完成空间站在轨建造。核心舱绕地球飞行
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的轨道可视为圆轨道，轨道离地面的高度约为地球半径的
。下列说法正确的是（ ）
A．核心舱进入轨道后所受地球的万有引力大小约为它在地面时的
倍
B．核心舱在轨道上飞行的速度大于
C．核心舱在轨道上飞行的周期小于
D．后续加挂实验舱后，空间站由于质量增大，轨道半径将变小
【答案】AC
【详解】A．根据万有引力定律有
核心舱进入轨道后的万有引力与地面上万有引力之比为
所以A 正确；
B．核心舱在轨道上飞行的速度小于7.9km/s，因为第一宇宙速度是最大的环绕速度，所以B 错误；
C．根据
可知轨道半径越大周期越大，则其周期比同步卫星的周期小，小于24h，所以C 正确；
D．卫星做圆周运动时万有引力提供向心力有
解得
则卫星的环绕速度与卫星的质量无关，所以变轨时需要点火减速或者点火加速，增加质量不会改变轨道半
径，所以D 错误；
故选AC。
20．（2015·全国·高考真题）我国发射的“嫦娥三号”登月探测器靠近月球后，先在月球表面附近的近似
圆轨道上绕月运行；然后经过一系列过程，在离月面4m 高处做一次悬停（可认为是相对于月球静止）；
最后关闭发动机，探测器自由下落．已知探测器的质量约为1.3×103kg，地球质量约为月球的81 倍，地球
半径为月球的3.7 倍，地球表面的重力加速度大小约为9.8m/s2。则次探测器（ ）
A．在着陆前瞬间，速度大小约为8.9m/s
B．悬停时受到的反冲作用力约为2×103N
C．从离开近月圆轨道到着陆这段时间内，机械能守恒
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D．在近月圆轨道上运行的线速度小于人造卫星在近地圆轨道上运行的线速度
【答案】BD
【详解】A．根据万有引力等于重力
可得重力加速度
地球质量约为月球的81 倍，地球半径约为月球的3.7 倍，地球表面的重力加速度大小约为9.8m/s2，所以月
球表面的重力加速度大小约为
根据运动学公式得在着陆前的瞬间，速度大小约
故A 错误；
B．登月探测器悬停时，二力平衡
F=mg′=1.3×103×1.66≈2×103N
故B 正确；
C．从离开近月圆轨道到着陆这段时间内，有外力做功，机械能不守恒，故C 错误；
D．根据
，地球质量约为月球的81 倍，地球半径约为月球的3.7 倍，所以在近月圆轨道上运行的
线速度小于人造卫星在近地圆轨道上运行的线速度，故D 正确；
故选BD．
【点睛】解答本题要知道除重力以外的力对物体做功等于物体机械能的变化量，月球重力加速度约为地球
重力加速度的1/6，关于万有引力的应用中，常用公式是在地球表面重力等于万有引力，卫星绕地球做圆
周运动万有引力提供圆周运动向心力.
21．（2015·天津·高考真题）P1、P2为相距遥远的两颗行星，距各自表面相同高度处各有一颗卫星S1、S2做
匀速圆周运动，图中纵坐标表示行星对周围空间各处物体的引力产生的加速度a，横坐标表示物体到行星
中心的距离r 的平方，两条曲线分别表示 P1、P2周围的a 与r2的反比关系，它们左端点横坐标相同，则
（ ）
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A．P1的平均密度比P2的大
B．P1的第一宇宙速度比 P2的小
C．S1的向心加速度比S2的大
D．S1的公转周期比S2的大
【答案】AC
【详解】A．由图可加速度从同一横坐标值开始产生，说明两行星的球体半径相同，对行星周围空间各处
物体来说，万有引力提供加速度，故有
故可知P1的质量比P2的大，即P1的平均密度比P2的大，故A 正确；
B．由上式知，当等于行星球半径时，
等于行星表面重力加速度，则P1表面的重力加速比P2的大，由
得第一宇宙速度为
可知，
的第一宇宙速度比
的大，故B 错误；
C．对卫星而言，万有引力提供向心加速度，即
故可知，S1的向心加速度比S2的大，故C 正确；
D．根据
可知，S1的公转周期比S2的小，故D 错误。
故选AC。
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