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选择3 万有引力与航天问题
考点内容
考情分析
考向一 开普勒行星运动定律的应用及天体密
度计算
天体运动以我国航天科技的最新成果为背景命
题，主要考察对天体运行的参量分析计算、如天
体线速度、角速度、向心力、密度等问题;考察
航天器变轨中的参数变化问题及能量分析;双星
和多星模型
考向二 天体运动参量及变轨分析
1.思想方法
(1)天体运动是圆周运动模型，把握与分析清楚向心力与万有引力的关系
(2) G＝m＝mω2r = m2r =man
2.模型建构
一、开普勒三定律
定律
内容
图示或公式
开普勒第一定律(轨道定律)
所有行星绕太阳运动的轨道都是
椭圆，太阳处在椭圆的一个焦点
上
开普勒第二定律(面积定律)
对任意一个行星来说，它与太阳
的连线在相等的时间内扫过的面
积相等
开普勒第三定律(周期定律)
所有行星的轨道的半长轴的三次
方跟它的公转周期的二次方的比
＝k，k 是一个与行星无关
1
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值都相等
的常量
二、天体质量、密度的计算
三、地球卫星的运行参数(将卫星轨道视为圆)
物理量
推导依据
表达式
最大值或最小值
线速度
G＝m
v＝
当r＝R 时有最大值，v
＝7.9 km/s
角速度
G＝mω2r
ω＝
当r＝R 时有最大值
周期
G＝m2r
T＝2π
当r＝R 时有最小值，约
85 min
向心
加速度
G＝man
an＝
当r＝R 时有最大值，最
大值为g
轨道
平面
圆周运动的圆心与中心天体中心重合
共性：距地面越高，轨道半径大，运动越慢，周期越长——高轨低速（线速度、角速度 加速
度）长周期
2
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四、卫星变轨的基本原理
力学观点：从半径小的轨道I 变轨到半径大的轨道Ⅱ，卫星需要向运动的反方向喷气，加速离心；
从半径大的轨道Ⅱ变轨到半径小的轨道I,卫星需要向运动的方向喷气，减速近心。
能量观点：在半径小的轨道I 上运行时的机械能比在半径大的轨道Ⅱ上运行时的机械能小。在同轨
道上运动卫星的机械能守恒，若动能增加则引力势能减小。
考向一 开普勒行星运动定律的应用及天体密度计算
1.
（2024•河南模拟）2023 年12 月15 日我国在文昌航天发射场使用长征五号遥六运载
火箭。成功将遥感四十一号卫星发射升空，卫星顺利进入预定轨道，该星是高轨光学遥感卫星。
已知遥感四十一号卫星在距地面高度为h 的轨道做圆周运动，地球的半径为R，自转周期为
T0，地球表面的重力加速度为g，引力常量为G，忽略地球自转的影响，下列说法正确的是（
）
A．遥感四十一号卫星绕地球做圆周运动的速度大于7.9km/s
B．遥感四十一号卫星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
C．遥感四上一号卫星运行的周期为2π
√
( R+h)
3
g R
2
3
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D．地球的密度为3 π
GT 0
2
2.
（2024•坪山区校级模拟）2020 年11 月24 日，长征五号运载火箭将“嫦娥五号”探
测器送入预定轨道，执行月面采样任务后平安归来，首次实现我国地外天体采样返回。已知
“嫦娥五号”探测器在距离月球表面h 高处环月做匀速圆周运动的周期为T，月球半径为R，
万有引力常量为G，据此可以求出月球的质量是（ ）
A．4 π
2 R
3
GT
2
B．GT
2
4 π
2 R
3
C．
GT
2
4 π
2( R+h)
3
D．4 π
2( R+h)
3
GT
2
3.
（2024•鹿城区校级模拟）研究发现，银河系中有一种看不见但很重的物体，促使这
些恒星在其周围转圈。其中一颗恒星S2 完整轨道如图所示，它绕银河系中心的周期约16 年。
椭圆的半短轴约400AU（太阳到地球的距离为1AU），根据离心率可以判断轨道的长轴约为
短轴的2.5 倍，研究中可忽略其他星体对S2 的引力，则银河系中心质量与太阳质量之比约为（
）
A．3×107
B．6×107
C．4×106
D．6×109
4.
（2024•南昌模拟）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
背面采样之旅。如图，假设嫦娥六号在环月椭圆轨道上沿图中箭头方向运动，只受到月球的引
力，ab 为椭圆轨道长轴，cd 为椭圆轨道短轴。某时刻嫦娥六号位于c 点，则再经过二分之一
周期它将位于轨道的（ ）
4
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A．b 点
B．d 点
C．bd 之间
D．ad 之间
5.
（2024•东湖区校级三模）“日心说”以太阳为参考系，金星和地球运动的轨迹可以
视为共面的同心圆；“地心说”以地球为参考系，金星的运动轨迹（实线）和太阳的运动轨迹
（虚线）如图所示。观测得每隔1.6 年金星离地球最近一次，则下列判断正确的是（ ）
A．在8 年内太阳、地球、金星有5 次在一条直线上
B．在8 年内太阳、地球、金星有10 次在一条直线上
C．地球和金星绕太阳公转的周期之比为8：5
D．地球和金星绕太阳公转的半径之比为( 8
5 )
2
3
6.
（2024•广东模拟）如图所示为太阳系主要天体的分布示意图，下列关于太阳系行星
运动规律的描述正确的是（ ）
5
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A．所有行星均以太阳为中心做匀速圆周运动
B．地球与太阳的连线、火星与太阳的连线在单位时间内扫过的面积相等
C．所有行星运行轨道半长轴的二次方与其公转周期的三次方之比都相等
D．地球和火星围绕太阳运行的轨道都是椭圆，且这两个椭圆必定有公共的焦点
7.
（2024•辽宁模拟）北京时间2023 年9 月21 日15 时48 分，“天宫课堂”第四课在中
国空间站开讲，新晋“太空教师”景海鹏、朱杨柱、桂海潮为广大青少年带来了一场精彩的太
空科普课，这是中国航天员首次在梦天实验舱内进行授课。已知中国空间站绕地球做匀速圆周
运动的周期约为90 分钟，则其公转轨道半径和地球同步卫星的公转轨道半径之比约为
（ ）
A．8：√2
B．3√2：8
C．1：4
D．4：1
8.
（2024•温州一模）2024 年5 月，“嫦娥六号”月球探测器开启主发动机实施制动，
进入周期为12h 的椭圆环月轨道，近月点A 距月心2.0×103km，远月点C 距月心1.0×104km，
BD 为椭圆轨道的短轴。已知引力常量G，下列说法正确的是（ ）
A．根据信息可以求出月球的密度
B．“嫦娥六号”的发射速度大于11.2km/s
C．“嫦娥六号”从B 经C 到D 的运动时间为6h
D．“嫦娥六号”在A 点和C 点速度之比为5：1
9.
（2024•朝阳区校级模拟）按黑体辐射理论，黑体单位面积的辐射功率与其热力学温
度的四次方成正比，比例系数为σ（称为斯特藩﹣玻尔兹曼常数），某黑体如果它辐射的功率
与接收的功率相等时，温度恒定。假设宇宙中有一恒星A 和绕其圆周运动的行星B（忽略其它
星体的影响），已知恒星A 单位面积辐射的功率为P，B 绕A 圆周运动的距离为r、周期为
T'，将B 视为黑体，B 的温度恒定为T，万有引力常数为G，将A 和B 视为质量均匀分布的球
体，行星B 的大小远小于其与A 的距离，由上述物理量和常数表示出的恒星A 的平均密度为
（ ）
6
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A．3 π
GT'
2 (
P
4 σ T
4 )
3
2
B．3 π
GT'
2 (
P
4 σ T
4 )
3
C．3 π
GT'
2 ( 4 σ T
4
P
)
1
2
D．3 π
GT'
2 ( 4 σ T
4
P
)
3
10. （2024•安徽模拟）如图所示，有两颗卫星绕某星球做椭圆轨道运动，两颗卫星的近
地点均与星球表面很近（可视为相切），卫星1 和卫星2 的轨道远地点到星球表面的最近距离
分别为h1、h2，卫星1 和卫星2 的环绕周期之比为k。忽略星球自转的影响，已知引力常量为
G，星球表面的重力加速度为gc。则星球的平均密度为（ ）
A．
3 gc(1-k
2
3 )
2πG(h2k
2
3 -h1)
B．
3 gc(1-k
3
2 )
2πG(h2k
3
2 -h1)
C．
3 gc(1-k
3
2 )
4 πG(h2k
3
2 -h1)
D．
3 gc(1-k
2
3 )
4 πG(h2k
2
3 -h1)
考向二 天体运动参量及变轨分析
11. （多选）（2024•邢台二模）如图甲，“星下点”是指卫星和地心连线与地球表面的
交点。图乙是航天控制中心大屏上显示卫星FZ01 的“星下点”在一段时间内的轨迹，已知地
球同步卫星的轨道半径为r、地球半径为R，且r≈6.7R，FZ01 绕行方向和地球自转方向如图
甲所示。则下列说法正确的（ ）
7
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A．卫星FZ01 的轨道半径约为r
3√9
B．卫星FZ01 的轨道半径约为r
5
C．卫星FZ01 可以记录到北极点的气候变化
D．卫星FZ01 不可以记录到北极点的气候变化
12. （2024•浙江模拟）太空碎片会对航天器带来危害。设空间站在地球附近沿逆时针方
向做匀速圆周运动，如图中实线所示。为了避开碎片，空间站在P 点向图中箭头所指径向方向
极短时间喷射气体，使空间站获得一定的反冲速度，从而实现变轨。变轨后的轨道如图中虚线
所示，其半长轴大于原轨道半径。则（ ）
A．空间站变轨前、后在P 点的加速度相同
B．空间站变轨后的运动周期比变轨前的小
C．空间站变轨后在P 点的速度比变轨前的小
D．空间站变轨前的速度比变轨后在近地点的大
13. （2024•江门一模）2023 年我国“天宫号”太空实验室实现了长期有人值守，我国迈
入空间站时代。如图所示，“天舟号”货运飞船沿椭圆轨道运行，A、B 两点分别为椭圆轨道
的近地点和远地点，则以下说法正确的是（ ）
8
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A．“天舟号”在A 点的线速度大于“天宫号”的线速度
B．“天舟号”在B 点的加速度小于“天宫号”的加速度
C．“天舟号”在椭圆轨道的周期比“天宫号”周期大
D．“天舟号”与“天宫号”对接前必须先减速运动
14. （2024•浙江二模）为了粗略测量月球的直径，小月同学在满月的夜晚取来一枚硬币
并放置在合适的位置，使之恰好垂直于视线且刚刚遮住整个月亮，然后测得此时硬币到眼睛的
距离为x，硬币的直径为d，若已知月球的公转周期为T，地表的重力加速度g 和地球半径R，
以这种方法测得的月球直径为（ ）
A．d
x ( g R
2T
2
4 π
2 )
1
3
B．d
x ( g R
2T
2
4 π
2 )
1
2
C．x
d ( g R
2T
2
4 π
2 )
1
3
D．x
d ( g R
2T
2
4 π
2 )
1
2
15. （2024•清江浦区模拟）地球赤道上的重力加速度为g，物体在赤道上随地球自转的向
心加速度为a，卫星甲、乙、丙在如图所示的三个椭圆轨道上绕地球运行，卫星甲和乙的运行
轨道在P 点相切。不计阻力，以下说法正确的是（ ）
A．卫星甲、乙分别经过P 点时的速度相等
B．卫星甲与地球的连线比卫星乙与地球的连线在相同的时间内扫过的面积大
C．卫星甲、乙、丙的周期关系为T 甲＞T 丙＞T 乙
D．如果地球的转速为原来的√
g-a
a
倍，那么赤道上的物体将会“飘”起来
9
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16. （2024•洛阳一模）2024 年4 月25 日20 时59 分，搭载神舟十八号载人飞船的长征二
号F 遥十八运载火箭在酒泉卫星发射中心点火发射，发射取得圆满成功。神舟十八号飞船和天
宫空间站顺利完成史诗级别超精准对接。已知天宫空间站距离地面的高度约为400km，地球半
径约为6400km，可认为天宫空间站绕地球做匀速圆周运动。则下列说法正确的是（ ）
A．航天员可以漂浮在空间站中，所以加速度为零
B．天宫空间站在轨运行的线速度小于同步卫星的线速度
C．神舟十八号在地球表面的发射速度可以大于11.2km/s
D．天宫空间站绕地球运行的向心加速度大小约为地面重力加速度的( 16
17 )
2倍
17. （2024•大兴区校级模拟）北京时间2023 年12 月17 日15 时，我国在酒泉卫星发射中
心使用双曲线一号商业运载火箭成功将“迪迩一号”卫星顺利送入预定轨道。“迪迩一号”卫
星、北斗地球同步卫星飞行的轨道如图所示。下列说法正确的是（ ）
A．“迪迩一号”卫星的角速度小于北斗地球同步卫星的角速度
B．“迪迩一号”卫星的角速度大于北斗地球同步卫星的角速度
C．“迪迩一号”卫星绕地球运行的线速度等于静止于赤道上的物体随地球自转的线速度
D．“迪迩一号”卫星绕地球运行的线速度小于静止于赤道上的物体随地球自转的线速度
18. （2024•西城区二模）如图所示，发射地球同步卫星时，先将卫星发射至近地圆轨道
1，然后经变轨，使其沿椭圆轨道2 运行，最后再次变轨，将卫星送入同步圆轨道3。轨道1、
2 相切于Q 点，轨道2、3 相切于P 点。当卫星分别在1、2、3 轨道上运行时，下列说法正确的
是（ ）
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A．卫星在轨道2 上经过Q 点的速度小于在轨道1 上经过Q 点的速度
B．卫星在轨道2 上经过Q 点的机械能等于在轨道2 上经过P 点的机械能
C．卫星在轨道2 上经过P 点的机械能等于在轨道3 上经过P 点的机械能
D．卫星在轨道2 上经过P 点的加速度小于在轨道3 上经过P 点的加速度
19. （2024•东湖区校级模拟）如图甲是国产科幻大片《流浪地球2》中人类在地球同步静
止轨道上建造的空间站，人类通过地面和空间站之间的“太空电梯”往返于天地之间。图乙是
人乘坐“太空电梯”时由于随地球自转而需要的向心加速度a 与其到地心距离r 的关系图像，
已知r1为地球半径，r2为地球同步卫星轨道半径，下列说法正确的是（ ）
A．地球自转的角速度ω= a2-a1
r2-r1
B．地球同步卫星的周期T =2π√
r2
a2
C．上升过程中电梯舱对人的支持力保持不变
D．从空间站向舱外自由释放一物体，物体将做自由落体运动
20. （2024•江苏模拟）国产科幻大片《流浪地球2》中提出太空电梯设想，其原理如图所
示．假设有一太空电梯轨道连接地球赤道上的固定基地与同步空间站A，空间站A 相对地球静
止，某时刻电梯停靠在轨道某位置，卫星B 与同步空间站A 的运行方向相同，此时二者距离
最近，经过时间t 后，A、B 第一次相距最远．已知地球自转周期为T，则下列说法正确的是（
）
11
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A．太空电梯内的乘客处于完全失重状态
B．电梯轨道对电梯的作用力方向指向地心
C．电梯轨道外部一物体脱落后将做匀速圆周运动
D．卫星B 绕地球做圆周运动的周期为2Tt
2t -T
12
