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专题06 万有引力与航天
考点
五年考情（2020-2024）
命题趋势
考点1 万有引
力定律及其应
用
2020 年全国卷；
2021 年全国卷；
2022 年广东卷、河北卷；
2023 山东卷、辽宁卷、湖北卷、浙江卷等；
2024 北京卷等
万有引力与航天主要考查万
有引力定律及开普勒行星运动定
律的应用，天体质量和密度的计
算，天体运行参数，地球上的物
体与卫星，卫星的变轨和对接
等。
近几年高考多以选择题的形
式出现，备考中要注重天体运动
模型的建立和正确配对，解题中
注意不同的星球，有着相同的规
律。
考点2 人造卫
星 宇宙速度
2020 年海南卷、北京卷、浙江卷；
2021 年海南卷、湖北卷、广东卷、全国卷、河
北卷；
2022 年天津卷、福建卷、湖北卷、浙江卷、山
东卷、全国卷；
2023 年山西卷、江苏卷等
考点01 万有引力定律及其应用
1．（2023·山东）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（ ）
1
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A．
B．
C．
D．
2．（2023·辽宁）在地球上观察，月球和太阳的角直径（直径对应的张角）近似相等，如图所示。若月
球绕地球运动的周期为T ，地球绕太阳运动的周期为
₁
T ，地球半径是月球半径的
₂
k 倍，则地球与太阳的平
均密度之比约为（ ）
A．
B．
C．
D．
3．（2023·湖北）2022 年12 月8 日，地球恰好运行到火星和太阳之间，且三者几乎排成一条直线，此现
象被称为“火星冲日”。火星和地球几乎在同一平面内沿同一方向绕太阳做圆周运动，火星与地球的公转
轨道半径之比约为
，如图所示。根据以上信息可以得出（ ）
A．火星与地球绕太阳运动的周期之比约为
B．当火星与地球相距最远时，两者的相对速度最大
C．火星与地球表面的自由落体加速度大小之比约为
D．下一次“火星冲日”将出现在2023 年12 月8 日之前
4.（2023·浙江）太阳系各行星几乎在同一平面内沿同一方向绕太阳做圆周运动．当地球恰好运行到某地
外行星和太阳之间，且三者几乎排成一条直线的现象，称为“行星冲日”，已知地球及各地外行星绕太阳
运动的轨道半径如下表：
行星名称
地球
火星
木星
土星
天王
星
海王星
轨道半径
1.0
1.5
5.2
9.5
19
30
则相邻两次“冲日”时间间隔约为（ ）
2
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A．火星365 天
B．火星800 天
C．天王星365 天
D．天王星800 天
5.（2022·河北）2008 年，我国天文学家利用国家天文台兴隆观测基地的2.16 米望远镜，发现了一颗绕
恒星HD173416 运动的系外行星HD173416b，2019 年，该恒星和行星被国际天文学联合会分别命名为“羲
和”和“和“望舒”，天文观测得到恒星羲和的质量是太阳质量的2 倍，若将望舒与地球的公转均视为匀
速圆周运动，且公转的轨道半径相等。则望舒与地球公转速度大小的比值为（ ）
A．
B．2
C．
D．
6.（2022·广东）“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
7.（2021·全国）科学家对银河系中心附近的恒星S2 进行了多年的持续观测，给出1994 年到2002 年间S2
的位置如图所示。科学家认为S2 的运动轨迹是半长轴约为
（太阳到地球的距离为
）的椭圆，
银河系中心可能存在超大质量黑洞。这项研究工作获得了2020 年诺贝尔物理学奖。若认为S2 所受的作用
力主要为该大质量黑洞的引力，设太阳的质量为M，可以推测出该黑洞质量约为（ ）
A．
B．
C．
D．
8.（2020·全国）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
9.（2024·北京）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；
3
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（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
；
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．
考点02 人造卫星 宇宙速度
1.（2023·山西）2023 年5 月，世界现役运输能力最大的货运飞船天舟六号，携带约5800kg 的物资进入
距离地面约400km（小于地球同步卫星与地面的距离）的轨道，顺利对接中国空间站后近似做匀速圆周运
动。对接后，这批物资（ ）
A．质量比静止在地面上时小
B．所受合力比静止在地面上时小
C．所受地球引力比静止在地面上时大
D．做圆周运动的角速度大小比地球自转角速度大
2．（2023·江苏）设想将来发射一颗人造卫星，能在月球绕地球运动的轨道上稳定运行，该轨道可视为
圆轨道．该卫星与月球相比，一定相等的是（ ）
A．质量
B．向心力大小
C．向心加速度大小
D．受到地球的万有引力大小
3．（2022·天津）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是系
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（ ）
4
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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
4.（2022·福建）2021 年美国“星链”卫星曾近距离接近我国运行在距地
近圆轨道上的天宫空间站。
为避免发生危险，天宫空间站实施了发动机点火变轨的紧急避碰措施。已知质量为m 的物体从距地心r 处
运动到无穷远处克服地球引力所做的功为
，式中M 为地球质量，G 为引力常量；现将空间站的质量
记为
，变轨前后稳定运行的轨道半径分别记为
、
，如图所示。空间站紧急避碰过程发动机做的功至
少为（ ）
A．
B．
C．
D．
5.（2022·湖北）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
6．（2022·浙江）神舟十三号飞船采用“快速返回技术”，在近地轨道上，返回舱脱离天和核心舱，在
圆轨道环绕并择机返回地面。则（ ）
A．天和核心舱所处的圆轨道距地面高度越高，环绕速度越大
B．返回舱中的宇航员处于失重状态，不受地球的引力
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C．质量不同的返回舱与天和核心舱可以在同一轨道运行
D．返回舱穿越大气层返回地面过程中，机械能守恒
7.（2022·山东）“羲和号”是我国首颗太阳探测科学技术试验卫星。如图所示，该卫星围绕地球的运动视
为匀速圆周运动，轨道平面与赤道平面接近垂直。卫星每天在相同时刻，沿相同方向经过地球表面A 点正
上方，恰好绕地球运行n 圈。已知地球半径为地轴R，自转周期为T，地球表面重力加速度为g，则“羲和
号”卫星轨道距地面高度为（ ）
A．
B．
C．
D．
8．（2022·全国）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
9.（2022·浙江）“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
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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
10.（2021·海南）2021 年4 月29 日，我国在海南文昌用长征五号B 运载火箭成功将空间站天和核心舱送
入预定轨道。核心舱运行轨道距地面的高度为
左右，地球同步卫星距地面的高度接近
。则
该核心舱的（ ）
A．角速度比地球同步卫星的小
B．周期比地球同步卫星的长
C．向心加速度比地球同步卫星的大
D．线速度比地球同步卫星的小
11．（2021·湖北）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
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
12.（2021·广东）2021 年4 月，我国自主研发的空间站“天和”核心舱成功发射并入轨运行，若核心舱
绕地球的运行可视为匀速圆周运动，已知引力常量，由下列物理量能计算出地球质量的是（ ）
A．核心舱的质量和绕地半径
B．核心舱的质量和绕地周期
C．核心舱的绕地角速度和绕地周期
D．核心舱的绕地线速度和绕地半径
13.（2021·全国）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
14.（2021·河北）“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
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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．
15.（2020·海南）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
C．地球的质量为
D．地球表面的重力加速度为
16.（2020·北京）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（ ）
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
17.（2020·浙江）火星探测任务“天问一号”的标识如图所示。若火星和地球绕太阳的运动均可视为匀
速圆周运动，火星公转轨道半径与地球公转轨道半径之比为3∶2，则火星与地球绕太阳运动的（ ）
A．轨道周长之比为2∶3
B．线速度大小之比为
C．角速度大小之比为
D．向心加速度大小之比为9 4∶
8
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