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第 5 章 万有引力与宇宙航行
第 1 节 万有引力定律及其应用
学生用书P226
齐鲁风向 思维引导 回归本质
( 山东, , 分) 鹊桥二号 中继星环绕月球运行 其 小时椭圆轨道的半长轴为a 已知地球同步卫星的轨
2024 5 3 “ ” , 24 。
道半径为r 则月球与地球质量之比可表示为
, ( )
r3 a3 r3 a3
A. a3 B. r3 C.a3 D.r3
模型特征 卫星围绕中心天体做匀速圆周运动,天体质量的求解
GMm 2 a3
思路引导 根据 m4π r及开普勒第三定律找出 k中的k值与质量的表达式
r2 = T2 T2 =
答案 D
第5章 万有引力与宇宙航行 67
æ v ö æ v ö
mçç . g 0÷÷ mçç . g 0÷÷
A. è0 4 -t ø B. è0 4 +t ø
1. ( 山东, , 分)从 玉兔 登月到 祝融
0 0
2021 5 3 “ ” “ ”
æ v ö æ v ö
探火 我国星际探测事业实现了由地月系到 mçç . g 0÷÷ mçç . g 0÷÷
, C. è0 2 -t ø D. è0 2 +t ø
行星际的跨越 已知火星质量约为月球的 0 0
。 2.答案 B
倍 半径约为月球的 倍 祝融 火星车的
9 , 2 ,“ ” 3. ( 浙江 月, , 分)与地球公转轨道
2024 6 8 3
质量约为 玉兔 月球车的 倍 在着陆前
“ ” 2 。 , 外切 的小行星甲和 内切 的小行星乙的公
“ ” “ ”
祝融 和 玉兔 都会经历一个由着陆平台支
转轨道如图所示 假设这些小行星与地球的
“ ” “ ”
,
撑的悬停过程 悬停时 祝融 与 玉兔 所
公转轨道都在同一平面内 地球的公转半径
。 ,“ ” “ ”
,
受着陆平台的作用力大小之比为
为 R 小行星甲的远日点到太阳的距离为 R
( )
, 1,
小行星乙的近日点到太阳的距离为 R 则
2,
( )
)
3
* 3
A.9 ∶ 1 B.9 ∶ 2 C.36 ∶ 1 D.72 ∶ 1 3
1.答案 B K
2. ( 山东, , 分)我国将在今年择机执行
2020 7 3
天问 号 火星探测任务 质量为 m 的着陆 .小行星甲在远日点的速度大于近日点的速度
“ 1 ” 。 A
器在着陆火星前 会在火星表面附近经历一 .小行星乙在远日点的加速度小于地球公转
, B
个时长为 t 速度由 v 减速到零的过程 已 加速度
0、 0 。
知火星的质量约为地球的 . 倍 半径约为地 T R3
0 1 , .小行星甲与乙的运行周期之比 1 1
球的 . 倍 地球表面的重力加速度大小为g C T ≈ R3
0 5 , , 2 2
忽略火星大气阻力 若该减速过程可视为一 .甲乙两星从远日点到近日点的时间之比
。 D
个竖直向下的匀减速直线运动 此过程中着 t R R 3
, 1 ( 1 + )
陆器受到的制动力大小约为 t ≈ R R 3
( ) 2 ( 2 + )
3.答案 D F
该行星赤道处的重力加速度为
C. m
4. ( 黑吉辽, , 分)如图 将一弹簧
4
2024 7 4 (a),
振子竖直悬挂 以小球的平衡位置为坐标原 F
, 该行星的密度为 3
D. RGm
点 O 竖直向上为正方向建立 x 轴 若将小球 4π
, 。
2.答案 D
从弹簧原长处由静止释放 其在地球与某球
,
状天体表面做简谐运动的图像如图 所示 3. ( 届威海二模)(多选)如图所示 某卫
2024 ,
(b)
不考虑自转影响 设地球 该天体的平均 星沿半径为 r 的圆绕地球运动 若卫星要返回
( )。 、 ,
密度分别为 ρ 和 ρ 地球半径是该天体半径 地面 可在圆上适当位置降低速率 变轨后沿
1 2, , ,
ρ 着以地心为焦点的椭圆轨道运动 椭圆轨道
的 n 倍 1的值为 ,
。 ρ ( ) 和地球表面在 M 点相切 椭圆轨道与圆轨道
2 ,
Y
Y 在 N 点相切 N 点到地球表面的最近距离
" ) ,
" 为 h 已知引力常量为 G 地球表面的重力加
。 ,
0
0 " 5 U 速度为 g 下列说法正确的是
, ( )
"
图 图
(a) (b)
n . /
n 2 1
A.2 B. C.n D. n
2 2
4.答案 C
卫 星 由 M 运 动 到 N 的 时 间 为
A.
r h r h
π(2 - ) 2 -
1. ( 届潍坊开学考)月球绕地球环绕轨迹可
r h g
2025
2( - ) 2
看作以地球为圆心的圆 已知地月之间的距
。 r h r h
离大约是地球半径的 倍 近地卫星的周期为 卫星由M 运动到N 的时间为π( - ) -
60 , B. r h g
2(2 - ) 2
T 则月球绕地球公转的周期约为
, ( ) g
地球的密度为 3
T T
C. G r h
T T
4π ( - )
A.60 B.60 60 C. D.
60 60 60 g
地球的密度为 3
1.答案 B
D. Gr
4π
2. ( 届齐鲁名校联盟开学考)某星系中有 3.答案 AC
2025
一颗质量分布均匀的行星 其半径为 R 将一
高分突破—模块融合
, ,
质量为 m 的物块悬挂在弹簧测力计上 在该
, 4. ( 届滨州期中)科幻作品是在尊重基础
2024
行星极地表面静止时 弹簧测力计的示数为
, 科学结论的基础上进行合理设想而创作出来
F 在行星赤道表面静止时 弹簧测力计的示
; , 的文艺作品 在某科幻小说中 地球中间出现
, ,
数为3F 已知引力常量为 G 下列说法正确 一道竖直裂缝 裂缝宽度相对地球半径可忽
。 。 (
4
略不计 可简化为如图所示的模型 质量
的是 ), 。
( )
为 m 的小球从 A 处由静止释放后 穿过地心
2mR ,
该行星的自转周期为 4π O 到达 B 用时 t 已知质量分布均匀的球壳对
A. F , ,
壳内物体的引力为零 有一振子质量为 m
FR2 ; 振,
该行星的质量为
B. Gm 回复力系数为 k 的弹簧振子的周期公式为
4
68 5年高考3年模拟 A版 高考物理
m
振 π 3π 3π 3π
引力常量为 G 可将地球看作质
T=2π k , , A.Gt2 B. Gt2 C. Gt2 D.Gt2
2 4
4.答案 C
量均匀分布的球体 不计空气阻力 则地球
, 。
的平均密度为
( )
第5章 万有引力与宇宙航行 69
第 2 节 人造卫星 宇宙速度
学生用书P228
齐鲁风向 思维引导 回归本质
( 山东, , 分) 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
2022 6 3 “ ” 。 ,
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 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
( )
ægR2T2ö1 ægR2T2ö1 ægR2T2ö1 ægR2T2ö1
ç ÷3 R ç ÷3 ç ÷3 R ç ÷3
A.è n2 2ø - B.è n2 2ø C.è n2 2ø - D.è n2 2ø
2 π 2 π 4 π 4 π
模型特征 卫星围绕地球做匀速圆周运动
思路引导 根据万有引力提供向心力分析问题,找出已知量与未知量的关系
答案 C
70 5年高考3年模拟 A版 高考物理
为椭圆轨道的短轴 下列说法正确的是
, ( )
#
1. ( 山东, , 分)牛顿认为物体落地是由
2023 3 3
于地球对物体的吸引 这种吸引力可能与天
,
$ S
体间 如地球与月球 的引力具有相同的性
( ) 0
Mm
%
质 且都满足F 已知地月之间的距离r )
, ∝ r2 。
0
大约是地球半径的 倍 地球表面的重力加
"
60 ,
速度为 g 根据牛顿的猜想 月球绕地球公转
, , 鹊桥二号从 C 经 B 到 D 的运动时间为
A. 12 h
的周期为
( ) 鹊桥二号在 A B 两点的加速度大小之比约
B. 、
r g 为
81 ∶ 1
A.30π g B.30π r
鹊桥二号在 C D 两点的速度方向垂直于其
C. 、
r g 与月心的连线
C.120π g D.120π r
鹊桥二号在地球表面附近的发射速度大于
D.
1.答案 C
. 且小于 .
7 9 km/s 11 2 km/s
2. ( 河北, , 分)(多选) 年 月
2024 8 6 2024 3 20 2.答案 BD
日 鹊桥二号中继星成功发射升空 为嫦娥六
, , 3. ( 广东, , 分)如图 所示 太阳系
2023 7 4 (a) ,
号在月球背面的探月任务提供地月间中继通
外的一颗行星 P 绕恒星 Q 做匀速圆周运动
。
信 鹊桥二号采用周期为 的环月椭圆冻
。 24 h 由于 P 的遮挡 探测器探测到 Q 的亮度随时
,
结轨道 如图 近月点 A 距月心约为 .
( ), 2 0× 间做如图 所示的周期性变化 该周期与 P
(b) ,
3 远月点 B 距月心约为 . 4 CD
10 km, 1 8×10 km,
的公转周期相同 已知 Q 的质量为 M 引力 在同一平面内且沿同一方向绕地球做匀速圆
。 ,
常量为 G 关于 P 的公转 下列说法正确的是 周运动 运动过程中 两颗卫星间的最小距离
。 , , ,
为 r 最大距离为 r 两次相距最近的时间间
( ) 3 , 5 ,
隔为 T 不计两颗卫星间的万有引力 则下列
, ,
说法正确的是
( )
图
(a)
)
图
(b)
周期为 t t
A. 2 1 - 0 卫星 的轨道半径之比为
A. 1、2 1 ∶ 2
3 GM t t 2 卫星 的周期之比为
半径为 ( 1 - 0) B. 1、2 1 ∶ 8
B.
4π 2 卫星 的向心加速度之比为
C. 1、2 16 ∶ 1
角速度的大小为 π r
C. t t 卫星 的线速度大小为8π
- D. 1 T
1 0
7
3 GM
加速度的大小为 2π
2.答案 BC
D. t t
1 - 0 3. ( 届山东师大附中月考)(多选)某颗人
3.答案 B 2024
造航天器在地球赤道上方某高度做匀速圆周
运动的绕行方向与地球自转方向相同 人造
(
1. ( 届菏泽月考)随着 天问一号 的发射 航天器周期小于地球的自转周期 经过时间
2024 “ ” ),
我国已开启了探索火星的奥秘 假设太阳系 t t 小于航天器的绕行周期 航天器运动的
。 ( ),
的行星环绕太阳的运行均可视为匀速圆周运 弧长为 s 航天器与地球的球心连线扫过的角
,
动 火星与地球的半径之比约为 质量之 度为 θ 弧度制 引力常量为 G 地球的同步
, 1 ∶ 2、 ( ), ,
比约为 火星环绕太阳一圈的时间相当 卫星的周期为 T 下列说法正确的是
1 ∶ 10, , ( )
于地球环绕太阳两圈的时间 地球表面的重
s
, 地球的半径为
力加速度 g 2 火星和地球均为质量分 A. θ
=10 m/s ,
布均匀的球体 则下列说法正确的是 s3
, ( ) 地球的质量为
天问一号 的发射速度介于 . 与 B. Gθt2
A.“ ” 7 9 km/s
. 之间 s
11 2 km/s 地球的第一宇宙速度为
C. t
火星表面的重力加速度约为
2
B. 2 m/s
航天器相邻两次距离南海最近的时间间隔
火星与地球分别环绕太阳的向心力之比约
D.
C.
tT
3 为 2π
为 4 θT t
-2π
40
3.答案 BD
火星与地球的第一宇宙速度之比约为1
D. 高分突破—高考变式
5
1.答案 C 4. ( 山东, 变式)(多选)我国自主研制
2022 T6
2. ( 届山东联盟联考)(多选)如图所示为 建设的卫星移动通信系统 天通一号 目前
2025 “ ”,
两颗绕地球运动的卫星 与卫星 两颗卫星 由三颗地球同步卫星组成 已知地球的半径
1 2, 。
第5章 万有引力与宇宙航行 71
为 R 地球表面的重力加速度为 g 三颗地球 三颗地球同步卫星的向心加速度与地球表
, , C.
同步卫星运行轨道与赤道共面且周期为 T 下 面赤道上静止物体的向心加速度相同
,
列说法正确的是 三颗地球同步卫星绕地球做圆周运动的速
( ) D.
三颗地球同步卫星只能位于赤道上方某一 度大于 .
A. 7 9 km/s
高度的稳定轨道上 4.答案 AB
三颗地球同步卫星离地球表面的高度都相
B.
3 gR2T2
同 均为 h R
, = -
2
4π
72 5年高考3年模拟 A版 高考物理
微专题 9 卫星的变轨和对接问题 双星和多星问题
学生用书P230
齐鲁风向 思维引导 回归本质
( 届山东省实验中学月考)地球同步卫星在到达预设同步轨道前沿转移轨道运行 转移轨道上近地点 A 与地
2024 ,
球表面距离是h 远地点B与地球表面距离是h 地球同步卫星在远地点B加速进入圆形同步轨道 已知地球半径
1, 2, ,
为R 地球表面重力加速度为g 下列说法正确的是
, , ( )
D DE
)
# "
D/DE
DE
卫星沿转移轨道运行周期与沿同步轨道运行周期之比 h h 3 h R 3
A. ( 1+ 2) ∶ 8( 2+ )
gR2
卫星在同步轨道运行的线速度大小为
B. R h
+ 2
卫星在近地轨道运行与同步轨道运行向心加速度之比R2 R h 2
C. ∶ ( + 2)
卫星由近地轨道到同步轨道的过程中 动能减小 机械能减小
D. , ,
模型特征 卫星变轨问题,不同轨道物理参量的比较
思路引导 卫星在不同轨道绕同一中心天体做圆周运动时,线速度、角速度、周期、向心加速度只与卫星运行的轨
道半径有关,椭圆轨道运行周期与圆轨道运行周期关系可借助开普勒第三定律比较
答案 B
第5章 万有引力与宇宙航行 73
月点的加速度
1.答案 B
1. ( 安徽, , 分) 年 月 日 我国
2024 5 4 2024 3 20 ,
2. ( 福建, , 分)(多选)人类为探索宇宙
探月工程四期鹊桥二号中继星成功发射升空
2023 8 6
。
起源发射的韦伯太空望远镜运行在日地延长
当抵达距离月球表面某高度时 鹊桥二号开始
,
线上的拉格朗日 点附近 点的位置如图
进行近月制动 并顺利进入捕获轨道运行 如 L2 ,L2
, ,
所示 在 点的航天器受太阳和地球引力
图所示 轨道的半长轴约为 后经 。 L2
, 51 900 km。
共同作用 始终与太阳 地球保持相对静止
多次轨道调整 进入冻结轨道运行 轨道的半 , 、 。
, ,
考虑到太阳系内其他天体的影响很小 太阳
长轴约为 周期约为 则鹊桥二 ,
9 900 km, 24 h。
和地球可视为以相同角速度围绕日心和地心
号在捕获轨道运行时
( ) 连线中的一点 O 图中未标出 转动的双星系
8DE ( )
D %
) 统 若太阳和地球的质量分别为 M 和 m 航天
。 ,
3DE 器的质量远小于太阳 地球的质量 日心与地
E % 、 ,
心的距离为R 引力常量为G 点到地心的距
, ,L2
周期约为
离记为r r R 在 点的航天器绕O点转动
A. 144 h
( ≪ ), L2
近月点的速度大于远月点的速度
的角速度大小记为 ω 下列关系式正确的是
B.
。
近月点的速度小于在冻结轨道运行时近月
é æ r ö ù
C. ê ê 可能用到的近似 1 1 ç ÷ ú ú
点的速度 ë R r 2 ≈R2è1-2 Rø û
( + )
近月点的加速度大于在冻结轨道运行时近
D. ( )
的伴星组成了双星系统 仅考虑两星间的万
,
有引力 两星均做匀速圆周运动 若两星视为
, ,
质点 相距 L 天玑星的质量为 m 伴星的质
, , 1,
éG M m ù1 éG M m ù1
ω ê ( + ) ú2 ω ê ( + ) ú2 量为 m 引力常量为 G 则
A. = ë ê R3 û ú B. = ë ê R3 û ú 2, , ( )
2 两星组成的系统机械能守恒 动量不守恒
A. ,
æ m ö1 æ m ö1 Gm
r ç 3 ÷3R r ç ÷3R
C. =è
3
M
+
mø D. =è
3
M
+
mø
B.
伴星运动的角速度大小为
L3
1
2.答案 BD
天 玑 星 和 伴 星 的 线 速 度 大 小 之 和
C.
G m m
为 ( 1 + 2)
1. ( 届广东汕头二模)神舟十七号载人飞 L
2024
船与距离地球表面约 的天宫空间站成 天玑星与伴星做圆周运动的半径大小之比
390 km D.
功对接 变轨过程如图所示 飞船先从圆形 等于它们的质量之比
。 ,
轨道 的 A 点变轨到椭圆轨道 再从 B 点 2.答案 C
Ⅰ Ⅱ,
变轨进入空间站所在的圆形轨道 小于同 3. ( 届青岛期末)(多选)以下三个天体运
Ⅲ( 2024
步卫星轨道高度 假设空间站轨道半径为 动模型中 星球轨道半径均为 R 质量及运动
)。 , ,
r 地球半径为R 地球表面的重力加速度为g 轨迹如图所示 下列说法正确的是
, , 。 , ( )
下列说法正确的是 N
N
( )
3
. 3 N 3 N
N7 0 .N N
N
D
"
# 甲 乙 丙
0
D 甲 乙两个模型中星球的运行周期的比值
A. 、
/K0 m
为
空间站内的航天员处于 悬浮 状态是因为 M
A. “ ”
其所受到的合力为零 乙模型中某星球的动能与丙模型中某星球
B.
飞船沿椭圆轨道 由 A 点到 B 点的时间为
B. Ⅱ 的动能的比值为 3
r r
6
π
R g 甲模型中星球的角速度大于丙模型中某星
C.
空间站的向心加速度大于赤道上的静止物 球的角速度
C.
体随地球自转的向心加速度 乙模型中某星球的加速度与丙模型中某星
D.
根据狭义相对论原理 在轨飞行的飞船中
D. , , 球的加速度的比值为 3
航天员的手表变快了
4
1.答案 C 3.答案 CD
2. ( 届山东中学联盟月考)中国古代把恒 高分突破—拓展延伸
2024
星天空划分成三垣二十八宿 北斗七星是属 4. ( 届山东名校联盟联考)如图所示为我
, 2025
于紫微垣的一个星宿 银河系中大多数恒星 国发射北斗卫星的示意图 先将卫星发射到半
。 ,
都是双星体 北斗七星之一的天玑星就与它 径为r 的圆轨道 上做匀速圆周运动 卫星运动
, Ⅰ ,
74 5年高考3年模拟 A版 高考物理
到A点时变轨进入椭圆轨道 运动到椭圆轨 的时间为沿圆轨道 做匀速圆周运动周期
Ⅱ, Ⅲ
道 的远地点 B 时 再次变轨进入半径为 r 的
Ⅱ , 2 的3 6倍
圆轨道 做匀速圆周运动 已知卫星的质量
Ⅲ 。 8
为m 地球质量为 M 引力常量为 G 卫星在 A 卫星沿椭圆轨道 从 A 点运动到 B 点所用
, , , B. Ⅱ
的时间为沿圆轨道 做匀速圆周运动周期
GM
Ⅲ
点变轨后瞬间的速度大小为 卫星在椭
2 r ,
3 的3 3倍
圆轨道 上的 A 点和 B 点满足卫星到地心的
Ⅱ 8
距离与其速度的乘积为定值 不计卫星质量 在 B 点变轨过程中发动机对卫星做的功
, C.
的变化 下列说法正确的是 GMm
, ( ) 为 5
- r
12
在 B 点变轨过程中发动机对卫星做的功
D.
S S
GMm
" # 为
r
12
4.答案 D
卫星沿椭圆轨道 从 A 点运动到 B 点所用
A. Ⅱ
第5章 万有引力与宇宙航行 75