第04讲 万有引力定律及其应用（练习）（原卷版）-2024年高考物理二轮复习讲练测（新教材新高考）

第04讲万有引力定律及其应用目录01开普勒行星运动定律万有引力定律理解 102万有引力定律综合应用天体质量和密度 503宇宙速度天体、卫星运行参数及规律同步卫星 804卫星变轨、对接、追及相遇问题双星问题 1301开普勒行星运动定律万有引力定律理解1.（2021·福建·统考高考真题）（多选）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2.（2022·全国·统考高考真题）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3.（2023·山西·统考高考真题）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4.（2022·北京·高考真题）利用物理模型对问题进行分析，是重要的科学思维方法。（1）某质量为m的行星绕太阳运动的轨迹为椭圆，在近日点速度为v1，在远日点速度为v2。求从近日点到远日点过程中太阳对行星所做的功W；（2）设行星与恒星的距离为r，请根据开普勒第三定律（）及向心力相关知识，证明恒星对行星的作用力F与r的平方成反比；（3）宇宙中某恒星质量是太阳质量的2倍，单位时间内向外辐射的能量是太阳的16倍。设想地球“流浪”后绕此恒星公转，且在新公转轨道上的温度与“流浪”前一样。地球绕太阳公转的周期为T1，绕此恒星公转的周期为T2，求。5.（2023·黑龙江·校联考模拟预测）2023年7月10日，经国际天文学联合会小行星命名委员会批准，中国科学院紫金山天文台发现的、国际编号为381323号的小行星被命名为“樊锦诗星”。如图所示，“樊锦诗星”绕日运行的椭圆轨道面与地球圆轨道面间的夹角为20.11度，轨道半长轴为3.18天文单位（日地距离为１天文单位），远日点到太阳中心距离为4.86天文单位。若只考虑太阳对行星的引力，下列说法正确的是（）

A．“樊锦诗星”绕太阳一圈大约需要2.15年B．“樊锦诗星”绕太阳一圈大约需要3.18年C．“樊锦诗星”在远日点的加速度与地球的加速度大小之比为D．“樊锦诗星”在远日点的加速度与地球的加速度大小之比为6.（2023·黑龙江大庆·统考二模）地球的公转轨道接近圆，哈雷彗星的运动轨道则是一个非常扁的椭圆.天文学家哈雷成功预言了哈雷慧星的回归。哈雷慧星最近出现的时间是1986年，顶计下次飞近地球将在2061年左右。已知哈雷彗星在近日点与太阳中心的距离为，线速度大小为，加速度大小为；在远日点与太阳中心的距离为，线速度大小为，加速度大小为，万有引力常量为。以下说法正确的是（）

A．B．C．哈雷彗星轨道的半长轴约为地球公转半径的18倍D．根据题中数据可估算出太阳的密度7.（2023·河北石家庄·统考二模）中科院紫金山天文台在2023年1月9日首次发现了一颗新彗星，目前，该彗星正朝着近日点运动，明年有望成为肉眼可见的大彗星。如图所示，Ⅱ为该彗星绕太阳运行的椭圆轨道，Ⅰ为某行星绕太阳做匀速圆周运动的轨道，两轨道相切于B点。A为彗星运动的远日点，B为彗星运动的近日点。下列说法正确的是（

）A．彗星运行到A点的速度小于行星运行到B点的速度B．彗星运行到A点的速度大于彗星运行到B点的速度C．彗星运行的周期小于行星运行的周期D．彗星运行到B点的加速度大于行星运行到B点的加速度8.（2023·浙江·校联考模拟预测）有一质量为M、半径为R、密度均匀的球体，在距离球心O为的地方有一质量为m的质点。现从球体中挖去半径为的小球体，如图所示，万有引力常量为G，则剩余部分对m的万有引力为（）

A． B． C． D．02万有引力定律综合应用天体质量和密度1.（2022·浙江·统考高考真题）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2.（2021·重庆·高考真题）（多选）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3.（2023·北京·统考高考真题）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。

4.（2023·黑龙江·校联考模拟预测）已知“祝融号”火星车在地球表面受到的重力大小为G1，在火星表面受到的重力大小为G2；地球与火星均可视为质量分布均匀的球体，其半径分别为R1、R2。若不考虑自转的影响且火星车的质量不变，则地球与火星的密度之比为（）A． B． C． D．5．（2023·浙江台州·统考模拟预测）如图所示，在某个恒星Q的上空有一颗卫星P绕其做匀速圆周运动，利用探测器可测出卫星P的公转周期。若已知Q的质量为，引力常量为。利用上述已知信息可求出的物理量有（）

A．恒星Q的密度B．卫星P的公转角速度C．恒星Q的自转周期D．卫星P离恒星Q表面的高度6.（2023·河北保定·河北安国中学校联考三模）假定在未来太空探测过程中，宇航员乘飞船来到了星球，飞船在绕星球做半径为的圆周运动时，飞船与星球中心的连线在单位时间内扫过的面积为。若已知一颗绕地球做半径为的圆周运动的卫星，它与地心的连线在单位时间内扫过的面积为，则星球与地球的质量之比为（）A． B． C． D．7．（2023·陕西商洛·陕西省山阳中学校考一模）过去几千年中，人类对行星的认识与研究仅限于太阳系内，行星“51Pegb”的发现拉开了研究太阳系外行星的序幕。“51Pegb”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，已知太阳的质量约为，则该中心恒星的质量约为（

）A． B． C． D．8．（2023·海南省直辖县级单位·嘉积中学校考三模）已知“玉兔二号”在地球表面受到的重力大小为，在月球表面受到的重力（月球的引力）大小为；地球与月球均视为质量分布均匀的球体，其半径分别为、。则月球与地球的质量之比为（）A． B． C． D．9.（2023·海南海口·海南华侨中学校考模拟预测）2022年8月10日，我国在太原卫星发射中心用长征六号运载火箭成功将“吉林一号”组网星中的16颗卫星发射升空，卫星顺利进入预定的环绕地球运动轨道，发射任务取得圆满成功。这16颗卫星的轨道平面各异，高度不同，通过测量发现，它们的轨道半径的三次方与运动周期的二次方成正比，且比例系数为。已知万有引力常量为，由此可知地球的质量为（

）A． B． C． D．10．（2023·重庆沙坪坝·重庆八中校考二模）在电影《流浪地球2》中地球最后成为“比邻星”的一颗行星。在地球飞向“比邻星”的过程中，科学家分别测出距“比邻星”表面高为2h、h时的引力加速度大小为a和。若认为“比邻星”是密度均匀的球体，引力常量G已知，由此可求出“比邻星”的密度为（）A． B． C． D．11.（2023·浙江温州·乐清市知临中学校考模拟预测）一卫星绕某一行星做匀速圆周运动，其高度恰好与行星半径相等，线速度大小为v。而该行星的环绕周期（即沿行星表面附近飞行的卫星运行的周期）为T。已知引力常量为G，则这颗行星的质量为（）A． B． C． D．12．（2023·广西南宁·赣州市第三中学校考三模）地球表面重力加速度为，地球的第一宇宙速度为，万有引力恒量为，下式关于地球密度的估算式正确的是（）A． B． C． D．03宇宙速度天体、卫星运行参数及规律同步卫星1.（2023·湖南·统考高考真题）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2.（2021·浙江·统考高考真题）嫦娥五号探测器是我国首个实施月面采样返回的航天器，由轨道器、返回器、着陆器和上升器等多个部分组成。为等待月面采集的样品，轨道器与返回器的组合体环月做圆周运动。已知引力常量G=6.67×10-11N・m2/kg2地球质量m=6.0×1024kg，月球质量m2=7.3×1022kg，月地距离r1=3.8×105km，月球半径r2=1.7×103km。当轨道器与返回器的组合体在月球表面上方约200km处做环月匀速圆周运动时，其环绕速度约为（）A．16m/s B．1.1×102m/s C．1.6×103m/s D．1.4×104m/s3.（2022·湖北·统考高考真题）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4.（2021·河北·高考真题）“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．5.（2022·山东·统考高考真题）“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．6.（2023·江苏·统考高考真题）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7.（2023·重庆·统考高考真题）（多选）某卫星绕地心的运动视为匀速圆周运动，其周期为地球自转周期T的，运行的轨道与地球赤道不共面（如图）。时刻，卫星恰好经过地球赤道上P点正上方。地球的质量为M，半径为R，引力常量为G。则（）

A．卫星距地面的高度为B．卫星与位于P点处物体的向心加速度大小比值为C．从时刻到下一次卫星经过P点正上方时，卫星绕地心转过的角度为D．每次经最短时间实现卫星距P点最近到最远的行程，卫星绕地心转过的角度比地球的多8．（2023·浙江·统考高考真题）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（

）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9.（2021·辽宁·统考高考真题）（多选）2021年2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行的速率比和周期比，则可求出火星与地球的（）A．半径比B．质量比C．自转角速度比D．公转轨道半径比10.（2022·辽宁·高考真题）（多选）如图所示，行星绕太阳的公转可以看成匀速圆周运动。在地图上容易测得地球—水星连线与地球—太阳连线夹角，地球—金星连线与地球—太阳连线夹角，两角最大值分别为、。则（）A．水星的公转周期比金星的大B．水星的公转向心加速度比金星的大C．水星与金星的公转轨道半径之比为D．水星与金星的公转线速度之比为11．（2023·河北石家庄·校联考模拟预测）洛希极限是19世纪法国天文学家洛希在研究卫星状理论中提出的一个使卫星解体的极限数据，即当卫星与行星的距离小于洛希极限时，行星与卫星间的引力会使卫星解体分散。洛希极限的计算公式其中k为常数，ρ'、ρ分别为行星和卫星的密度，R为行星的半径。若一颗行星的半径为R0，该行星与卫星的近地卫星周期之比为a，则行星与该卫星间的洛希极限为（  ）A． B． C． D．12．（2023·四川成都·校联考模拟预测）我国首次火星探测任务“天问一号”在海南文昌航天发射一场由“长征5号”运载火箭发射升空，开启了我国行星探测之旅，“天问一号”离开地球时，所受万有引力与它距离地面高度的关系图像如图甲所示，“天问一号”奔向火星时，所受万有引力与它距离火星表面高度的关系图像如图乙所示，已知地球半径是火星半径的两倍，则下列说法正确的是（）A．地球与火星的表面重力加速度之比为B．地球与火星的质量之比为C．地球与火星的第一宇宙速度之比为D．地球与火星的密度之比为13．（2023·湖北省直辖县级单位·统考模拟预测）行星与其主恒星相距太近，面对主恒星的一面温度可达2000℃，背对主恒星的一面温度低至-200℃。已知该行星的半径约为地球半径的1.7倍，该行星的密度与地球密度近似相等，则（）A．该行星与地球的质量之比为B．该行星与地球的第一宇宙速度之比约为C．该行星表面与地球表面的重力加速度之比约为D．该行星的近地卫星与地球的近地卫星周期之比约为14．（2023·辽宁·校联考三模）近年来，人们在探索月球、火星的同时，开始关注金星，它是太阳系的八大行星中从太阳向外的第二颗行星，也是距离地球最近的行星，如图所示。若金星的公转周期为T，绕太阳做匀速圆周运动的半径为r，自转周期为，半径为R，引力常量为G，则（）A．金星绕太阳运行的速度小于地球绕太阳运行的速度B．金星绕太阳运行的周期大于地球绕太阳运行的周期C．太阳质量为D．太阳质量为15.（2023·四川成都·棠湖中学校考一模）2023年9月21日下午，“天宫课堂”第四课在中国空间站开讲。已知该空间站绕地球做匀速圆周运动，轨道高度为400km～450km，地球同步卫星的轨道高度约为36000km。下列说法正确的是（）A．该空间站的运行速度小于同步卫星的运行速度B．该空间站的运行周期小于同步卫星的运行周期C．该空间站的向心加速度小于同步卫星的向心加速度D．该空间站受到地球的万有引力大于同步卫星受到地球的万有引力16.（2023·广西·统考三模）2023年10月5号，长征二号丁运载火箭成功将遥感三十九号卫星送入预定轨道。如图所示，假设卫星B是“遥感三十九号”卫星，卫星C是地球同步卫星，它们均绕地球做匀速圆周运动，卫星A是地球赤道上还未发射的卫星，A、B、C三颗卫星的所受万有引力大小分别是、、，线速度大小分别为、、，角速度大小分别为、、，周期分别为、、。下列判断正确的是（）A． B． C． D．17.（2021·湖南·高考真题）（多选）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04卫星变轨、对接、追及相遇问题双星问题1.（2021·天津·高考真题）2021年5月15日，天问一号探测器着陆火星取得成功，迈出了我国星际探测征程的重要一步，在火星上首次留下国人的印迹。天问一号探测器成功发射后，顺利被火星捕获，成为我国第一颗人造火星卫星。经过轨道调整，探测器先沿椭圆轨道Ⅰ运行，之后进入称为火星停泊轨道的椭圆轨道Ⅱ运行，如图所示，两轨道相切于近火点P，则天问一号探测器（）A．在轨道Ⅱ上处于受力平衡状态 B．在轨道Ⅰ运行周期比在Ⅱ时短C．从轨道Ⅰ进入Ⅱ在P处要加速 D．沿轨道Ⅰ向P飞近时速度增大2.（2021·北京·高考真题）2021年5月，“天问一号”探测器成功在火星软着陆，我国成为世界上第一个首次探测火星就实现“绕、落、巡”三项任务的国家。“天问一号”在火星停泊轨道运行时，近火点距离火星表面2.8102km、远火点距离火星表面5.9105km，则“天问一号”（）A．在近火点的加速度比远火点的小 B．在近火点的运行速度比远火点的小C．在近火点的机械能比远火点的小 D．在近火点通过减速可实现绕火星做圆周运动3.（2023·海南·统考高考真题）（多选）如图所示，1、2轨道分别是天宫二号飞船在变轨前后的轨道，下列说法正确的是（

）

A．飞船从1轨道变到2轨道要点火加速 B．飞船在1轨道周期大于2轨道周期C．飞船在1轨道速度大于2轨道 D．飞船在1轨道加速度大于2轨道4.（2022·湖南·统考高考真题）（多选）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5.（2023·湖北·统考高考真题）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6.（2023·广东·统考高考真题）如图（a）所示，太阳系外的一颗行星P绕恒星Q做匀速圆周运动。由于P的遮挡，探测器探测到Q的亮度随时间做如图（b）所示的周期性变化，该周期与P的公转周期相同。已知Q的质量为，引力常量为G。关于P的公转，下列说法正确的是（

）

A．周期为 B．半径为C．角速度的大小为 D．加速度的大小为7.（2021·湖北·统考高考真题）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8.（2023·吉林长春·统考一模）（多选）2020年12月17日，“嫦娥五号”首次地外天体采样返回任务圆满完成。在采样返回过程中，“嫦娥五号”要面对取样、上升、对接和高速再入等四个主要技术难题，要进行多次变轨飞行。图为“嫦娥五号”绕月球飞行的三条轨道示意图，轨道1是贴近月球表面的圆