专题七 《万有引力与宇宙航行》信息优化卷（基础A）-备战高考物理一轮复习单元信息优化AB卷

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（考试时间90分钟 试卷满分100分）
注意事项：
本试卷分第Ⅰ卷（选择题）和第Ⅱ卷（非选择题）两部分。
2．测试范围：人教版（2019）必修第二册 第七章《万有引力与宇宙航行》
第 Ⅰ 卷（选择题）
一、选择题：本题共12小题，每小题4分，共48分。在每小题给出的四个选项中，第1~8题只有一项符合题目要求，第9~12题有多项符合题目要求。全部选对的得4分，选对但不全的得2分，有选错或不答的得0分。
1．如图所示为某卫星在椭圆形转移轨道上运行的情景，卫星沿顺时针方向运行，从A运动到所用时间与从运动到所用时间相同，从A运动到过程卫星与地心连线扫过的面积为从运动到过程卫星与地心连线扫过的面积为，卫星在两点机械能分别为，在两点的线速度大小分别为，在A点的加速度和在点的加速度大小分别为，下列判断正确的是（ ）

A．B．
C．D．
2．2023年4月12日，水星抵达今年第一次东大距的位置。由于水星是地内行星，平时都在太阳附近难以观察，从地球看出去，水星和太阳的最大夹角θ（也称距角，即“大距”）时，观测时机最佳，如图所示。若将水星与地球的公转均视为圆周运动，地球公转周期约为水星公转周期的4倍，则水星东大距时的距角θ的正弦值sinθ为（ ）

A．B．C．D．
3．太阳周围除了八大行星，还有许多的小行星，在火星轨道与木星轨道之间有一个小行星带（地球轨道在火星轨道内侧），假设此小行星带中的行星只受太阳引力作用，并绕太阳做匀速圆周运动，则（ ）

A．木星的周期小于1年
B．小行星带中各行星的线速度大于火星的线速度
C．小行星带中各行星绕太阳做圆周运动的角速度小于木星公转的角速度
D．小行星带中各行星绕太阳做圆周运动的加速度大于木星做圆周运动的加速度
4．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．
5．如图所示，双星系统由质量不相等的两颗恒星组成，质量分别是M、m，它们围绕共同的圆心O做匀速圆周运动。从地球A看过去，双星运动的平面与AO垂直，A、O间距离恒为L。观测发现质量较大的恒星M做圆周运动的周期为T，运动范围的最大张角为（单位是弧度）。已知引力常量为G，很小，可认为，忽略其他星体对双星系统的作用力。则（ ）

A．恒星m的角速度大小为
B．恒星m的轨道半径大小为
C．恒星m的线速度大小为
D．两颗恒星的质量m和M满足关系式
6．西汉时期，《史记·天官书》作者司马迁在实际观测中发现岁星呈青色，与“五行”学说联系在一起，正式把它命名为木星。如图甲所示，两卫星Ⅰ、Ⅱ环绕木星在同一平面内做圆周运动，绕行方向相反，卫星Ⅲ绕木星做椭圆运动，某时刻开始计时，卫星Ⅰ、Ⅱ间距离随时间变化的关系图象如图乙所示，其中R、T为已知量，下列说法正确的是（ ）
A．卫星Ⅲ在M点的速度小于卫星Ⅰ的速度
B．卫星Ⅰ、Ⅱ的轨道半径之比为
C．卫星Ⅰ的运动周期为T
D．绕行方向相同时，卫星Ⅰ、Ⅱ连续两次相距最近的时间间隔为
7．中国航天事业取得了举世瞩目的伟大成就。如图所示，a为地球赤道上的物体，b为近地空间站，c为中轨道极地卫星，d为地球同步轨道卫星，则下列说法中正确的是（ ）

A．a的向心加速度比b的向心加速度大
B．b、c、d与地心的连线在相同的时间内扫过的面积都相同
C．a、b、c、d线速度大小关系为
D．a、b、c、d周期的关系为
8．宇宙间存在一些离其它恒星较远的三星系统。其中有一种三星系统如图所示，三颗质量均为M的星位于等边三角形的三个顶点上，任意两颗星的距离均为R。并绕其中心O做匀速圆周运动。如果忽略其它星体对它们的引力作用，引力常数为G。以下对该三星系统的说法中正确的是（ ）

A．每颗星做圆周运动的角速度为
B．每颗星做圆周运动的向心加速度与三星的质量无关
C．若距离R和每颗星的质量M都变为原来的2倍，则角速度变为原来的2倍
D．若距离R和每颗星的质量M都变为原来的2倍，则线速度大小不变
9．2021年2月，天问一号火星探测器被火星捕获，经过系列变轨后从“调相轨道”进入“停泊轨道”，为着陆火星做准备。如图所示，阴影部分为探测器在不同轨道上绕火星运行时与火星的连线每秒扫过的面积，下列说法正确的是（ ）

A．图中两阴影部分的面积不相等
B．从“调相轨道”进入“停泊轨道”探测器周期变大
C．从“调相轨道”进入“停泊轨道”探测器机械能变大
D．探测器在P点的加速度大于在N点的加速度
10．电影“流浪地球”曾出现太空电梯的场景．如图甲所示，设想在赤道上建造一个始终与地表垂直的太空梯，航天员可通过梯仓缓慢地到达太空中某一位置，设该位置距地心的距离为，地球半径为，图乙中曲线为地球引力对航天员产生的加速度大小随变化的图线；直线为航天员的向心加速度大小随变化的图线．下列说法正确的是（ ）

A．航天员在处的速度大于地球的第一宇宙速度
B．地球同步卫星的轨道半径为，宇航员只在位置时处于完全失重状态
C．在大于的范围内，航天员与座椅间没有弹力且需系上安全带
D．在小于的范围内，航天员越接近地面感受到的“压力”越小
11．2021年5至6月，天问一号探测器择机着陆火星。如图所示，假设天问一号探测器环绕火星做匀速圆周运动的周期为T，对火星的张角为。已知引力常量为G，火星半径为R，由以上数据可以求得（ ）
火星的质量为
B．火星的密度
C．火星的第一宇宙速度为
D．天问一号探测器的线速度为
12．宇宙中有一孤立星系，中心天体周围有三颗行星，如图所示。中心天体质量远大于行星质量，不考虑行星之间的万有引力，三颗行星的运动轨道中，Ⅰ、Ⅲ两个为圆轨道，半径分别为r1、r3，一个为椭圆轨道，半长轴为a，a = r3。在∆t时间内，行星Ⅱ、行星Ⅲ与中心天体连线扫过的面积分别为S2、S3；行星Ⅰ的速率为v1、行星Ⅱ在B点的速率为v2B、行星Ⅱ在E点的速率为v2E、行星Ⅲ的速率为v3，下列说法不正确的是（ ）
v2E < v3 < v1 < v2B
B．行星Ⅱ与行星Ⅲ在P点时的加速度大小不等
C．S2 = S3
D．行星Ⅱ的运行周期大于行星Ⅲ的运行周期
第Ⅱ卷（非选择题）
二、解答题
13．（8分）嫦娥五号完成了我国首次地外天体采样返回之旅。嫦娥五号在月球着陆前，先沿停泊轨道围绕月球做匀速圆周运动，如图所示。在停泊轨道上观察月球的张角为；嫦娥五号着陆月球后进行了一系列实验，其中一个实验是：将一小球以速度竖直上抛，测出小球经时间t回到抛出点。已知引力常量为G，月球半径为R，忽略其它天体对嫦娥五号的引力，不考虑月球自转。求：
（1）月球的质量M；
（2）嫦娥五号在停泊轨道上运行的速率v。

14．（10分）2023年5月30日长征二号F运载火箭托举神舟十六号载人飞船跃入苍穹，在太空飞行数小时后，与空间站组合体径向交会对接，景海鹏、朱杨柱、桂海潮3名航天员依次进驻空间站天和核心舱。神舟十六号载人飞船与空间站组合体对接示意图如图所示，组合体处于半径为r3的圆轨道Ⅲ，飞船处于半径为r1的圆轨道Ⅰ，通过变轨操作后，沿椭圆轨道Ⅱ运动到B处与空间站组合体对接。已知地球的半径为R，地球表面重力加速度为g。求：
（1）飞船在轨道Ⅰ时的线速度大小。
（2）空间站组合体在轨道Ⅲ运行的周期。
（3）飞船由轨道Ⅱ的A点飞至B点所需的时间。

15．（10分）北京时间2023年5月30日，塔载神舟十六号载人飞船的长征二号F运载火箭在酒泉卫星发射中心点火发射，约10分钟后，神舟十六号载人飞船与火箭成功分离，进入预定轨道。航天员乘组状态良好，发射取得圆满成功。神舟十六号载人飞船入轨后，与空间站成功对接，之后神舟十六号上的3名航天员景海鹏、朱杨柱、桂海潮顺利进驻中国空间站，与神舟十五号乘组进行在岗轮换，再现6名航天员“太空会师”名场面。这是我国第三批航天员首次执行飞行任务，也是我国航天员队伍“新成员”——航天飞行工程师和载荷专家的“首秀”。空间站的轨道可近似看成距地面高度为h的圆轨道，其周期为T，已知地球半径为R，引力常量G。
（1）求空间站的线速度大小；
（2）求地球的平均密度；
（3）在火箭发射过程中，若忽略地球自转，初始阶段火箭近似认为沿竖直方向上升，某时刻飞船内仪器显示航天员对座椅的压力是地面重力的1.9倍，数据显示此时火箭加速度大小为g，方向竖直向上，已知地面重力加速度为g，试求此时火箭离地面的高度（结果可保留根式）。
16．（12分）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。

17．（12分）在轨空间站中物体处于完全失重状态，对空间站的影响可忽略，空间站上操控货物的机械臂可简化为两根相连的等长轻质臂杆，每根臂杆长为L，如题图1所示，机械臂一端固定在空间站上的O点，另一端抓住质量为m的货物，在机械臂的操控下，货物先绕O点做半径为、角速度为的匀速圆周运动，运动到A点停下，然后在机械臂操控下，货物从A点由静止开始做匀加速直线运动，经时间t到达B点，A、B间的距离为L。
（1）求货物做匀速圆周运动时受到合力提供的向心力大小；
（2）求货物运动到B点时机械臂对其做功的瞬时功率P。
（3）在机械臂作用下，货物、空间站和地球的位置如题图2所示，它们在同一直线上，货物与空间站同步做匀速圆周运动，已知空间站轨道半径为r，货物与空间站中心的距离为d，忽略空间站对货物的引力，求货物所受的机械臂作用力与所受的地球引力之比。