2022届高考物理联考模拟汇编专题十四开普勒行星运动定律和万有引力定律含解析

这是一份2022届高考物理联考模拟汇编专题十四开普勒行星运动定律和万有引力定律含解析，共6页。

A．牛顿提出了万有引力定律，并测定了引力常量的数值
B．万有引力定律只适用于天体之间
C．万有引力的发现，揭示了自然界一种基本相互作用的规律
D．地球绕太阳在椭圆轨道上运行，在近日点和远日点受到太阳的万有引力大小是相同的
解析：选C 牛顿提出了万有引力定律，卡文迪许测定了引力常量的数值，万有引力定律适用于任何物体之间，万有引力的发现，揭示了自然界一种基本相互作用的规律，选项A、B错误，C正确；地球绕太阳在椭圆轨道上运行，在近日点和远日点受到太阳的万有引力大小是不相同的，选项D错误。
2．(多选)如图所示，近地人造卫星和月球绕地球的运行轨道可视为圆。设卫星、月球绕地球运行周期分别为T卫、T月，地球自转周期为T地，则( )
A．T卫＜T月 B．T卫＞T月
C．T卫＜T地 D．T卫＝T地
解析：选AC 因r月＞r同＞r卫，由开普勒第三定律eq \f(r3,T2)＝k可知，T月＞T同＞T卫，又同步卫星的周期T同＝T地，故有T月＞T地＞T卫，选项A、C正确。
3．(2021·汕尾六校联考)有一星球的密度跟地球密度相同，但它表面处的重力加速度是地球表面处重力加速度的4倍，则该星球的质量是地球质量的(忽略其自转影响)( )
A．eq \f(1,4) B．4倍
C．16倍 D．64倍
解析：选D 天体表面的物体所受重力mg＝Geq \f(Mm,R2)，又知ρ＝eq \f(3M,4πR3)，所以M＝eq \f(9g3,16π2ρ2G3)，故 eq \f(M星,M地)＝eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(g星,g地)))3＝64。D正确。
4．对于环绕地球做圆周运动的卫星来说，它们绕地球做圆周运动的周期会随着轨道半径的变化而变化。某同学根据测得的不同卫星做圆周运动的半径r与周期T的关系作出如图所示图像，则可求出地球的质量为(已知引力常量为G)( )
A．eq \f(4π2a,Gb) B．eq \f(4π2b,Ga)
C．eq \f(Ga,4π2b) D．eq \f(Gb,4π2a)
解析：选A 由Geq \f(Mm,r2)＝meq \f(4π2,T2)·r，可得eq \f(r3,T2)＝eq \f(GM,4π2)，结合题图图线可得，eq \f(a,b)＝eq \f(GM,4π2)，故M＝eq \f(4π2a,Gb)，A正确。
5．(北京高考)若想检验“使月球绕地球运动的力”与“使苹果落地的力”遵循同样的规律，在已知月地距离约为地球半径60倍的情况下，需要验证( )
A．地球吸引月球的力约为地球吸引苹果的力的eq \f(1,602)
B．月球公转的加速度约为苹果落向地面加速度的eq \f(1,602)
C．自由落体在月球表面的加速度约为地球表面的eq \f(1,6)
D．苹果在月球表面受到的引力约为在地球表面的eq \f(1,60)
解析：选B 若想检验“使月球绕地球运动的力”与“使苹果落地的力”遵循同样的规律——万有引力定律，则应满足Geq \f(Mm,r2)＝ma，因此加速度a与距离r的二次方成反比。
6．宇航员站在某一星球距其表面h高度处，以某一速度沿水平方向抛出一个小球，经过时间t后小球落到星球表面。已知该星球的半径为R，引力常量为G，则该星球的质量为( )
A．eq \f(2hR2,Gt2) B．eq \f(2hR2,Gt)
C．eq \f(2hR,Gt2) D．eq \f(Gt2,2hR2)
解析：选A 设该星球表面的重力加速度为g，小球在星球表面做平抛运动，h＝eq \f(1,2)gt2。设该星球的质量为M，在星球表面有 mg＝Geq \f(Mm,R2)。由以上两式得，该星球的质量为M＝eq \f(2hR2,Gt2)，A正确。
7．(多选)(天津高考)2018年2月2日，我国成功将电磁监测试验卫星“张衡一号”发射升空，标志我国成为世界上少数拥有在轨运行高精度地球物理场探测卫星的国家之一。通过观测可以得到卫星绕地球运动的周期，并已知地球的半径和地球表面处的重力加速度。若将卫星绕地球的运动看作是匀速圆周运动，且不考虑地球自转的影响，根据以上数据可以计算出卫星的( )
A．密度 B．向心力的大小
C．离地高度 D．线速度的大小
解析：选CD 不考虑地球自转的影响，则在地球表面物体的重力等于它受到的万有引力：m0g＝Geq \f(Mm0,R2)，整理得GM＝gR2。卫星绕地球做匀速圆周运动，万有引力提供向心力：Geq \f(Mm,R＋h2)＝meq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(2π,T)))2(R＋h)，可求得卫星的离地高度h＝eq \r(3,\f(gR2T2,4π2))－R，再由v＝eq \f(2πR＋h,T)可求得卫星的线速度，选项C、D正确。卫星的质量未知，故卫星的密度和向心力不能求出，选项A、B错误。
8．据报道，科学家们在距离地球20万光年外发现了首颗系外“宜居”行星。假设该行星质量约为地球质量的6.4倍，半径约为地球半径的2倍。那么，一个在地球表面能举起64 kg物体的人，在这个行星表面能举起的物体的质量约为多少(地球表面重力加速度g＝10 m/s2)( )
A．40 kg B．50 kg
C．60 kg D．30 kg
解析：选A 在地球表面，万有引力等于重力Geq \f(Mm,R2)＝mg，得g＝eq \f(GM,R2)，因为行星质量约为地球质量的6.4倍，其半径是地球半径的2倍，则行星表面重力加速度是地球表面重力加速度的1.6倍，而人的举力认为是不变的，则人在行星表面所举起的重物质量为：m＝eq \f(m0,1.6)＝eq \f(64,1.6) kg＝40 kg，故A正确。
9．(2021·南宁期末)德国天文学家开普勒对第谷观测的行星数据进行多年研究，得出著名的开普勒行星三定律。设太阳系的行星绕太阳做匀速圆周运动的半径的立方与周期的平方的比值为k1，土星的卫星做匀速圆周运动的半径的立方与周期的平方的比值为k2，地球的卫星做匀速圆周运动的半径的立方与周期的平方的比值为k3。已知M太>M土>M地，则三者大小关系为( )
A．k1＝k2＝k3 B．k1>k2>k3
C．k1k2＝k3
解析：选B 由万有引力提供向心力有Geq \f(Mm,r2)＝meq \f(4π2,T2)r，则eq \f(r3,T2)＝k＝eq \f(GM,4π2)，式中的k只与中心天体的质量有关，与环绕天体质量无关，由于M太>M土>M地，因此k1>k2>k3，故B正确，A、C、D错误。
10．如图所示，将一个半径为R、质量为M的均匀大球，沿直径挖去两个半径分别为大球一半的小球，并把其中一个放在球外与大球靠在一起。若挖去小球的球心、球外小球球心、大球球心在一条直线上，则大球中剩余部分与球外小球的万有引力大小约为(已知引力常量为G)( )
A．0.01 eq \f(GM2,R2) B．0.02 eq \f(GM2,R2)
C．0.05eq \f(GM2,R2) D．0.04eq \f(GM2,R2)
解析：选D 由题意知，所挖出小球的半径为eq \f(R,2)，质量为eq \f(M,8)，则未挖出小球前大球对球外小球的万有引力大小为F＝Geq \f(M×\f(M,8),\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(R＋\f(R,2)))2)＝eq \f(GM2,18R2)，将所挖出的其中一个小球填在原位置，则填入左侧原位置小球对球外小球的万有引力为F1＝Geq \f(\f(M,8)×\f(M,8),2R2)＝eq \f(GM2,256R2)，填入右侧原位置小球对球外小球的万有引力为F2＝Geq \f(\f(M,8)×\f(M,8),R2)＝eq \f(GM2,64R2)，大球中剩余部分对球外小球的万有引力大小为F3＝F－F1－F2≈0.04eq \f(GM2,R2)，D选项正确。
11．(多选)欧洲航天局的第一枚月球探测器——“智能1号”环绕月球沿椭圆轨道运动，用m表示它的质量，h表示它在近月点的高度，ω表示它在近月点的角速度，a表示它在近月点的加速度，R表示月球的半径，g表示月球表面处的重力加速度。忽略其他星球对“智能1号”的影响，则它在近月点所受月球对它的万有引力的大小等于( )
A．ma B．meq \f(R2g,R＋h2)
C．m(R＋h)ω2 D．meq \f(R2ω2,R＋h)
解析：选AB “智能1号”在近月点所受月球对它的万有引力，即为它所受的合力，由牛顿第二定律得F＝ma，A正确；由万有引力定律得F＝Geq \f(Mm,R＋h2)，又在月球表面上，Geq \f(Mm,R2)＝mg，解得F＝meq \f(R2g,R＋h2)，B正确；由于“智能1号”环绕月球沿椭圆轨道运动，曲率圆半径不是R＋h，C、D错误。
[C级——难度题目适情选做]
12．(2021·茂名调研)宇航员在某星球上为了探测其自转周期做了如下实验：在该星球两极点，用弹簧秤测得质量为M的砝码所受重力为F，在赤道测得该砝码所受重力为F′。他还发现探测器绕该星球表面做匀速圆周运动的周期为T。假设该星球可视为质量分布均匀的球体，则其自转周期为( )
A．Teq \r(\a\vs4\al(\f(F′,F))) B．Teq \r(\f(F,F′))
C．T eq \r(\a\vs4\al(\f(F－F′,F))) D．T eq \r(\f(F,F－F′))
解析：选D 设星球和探测器质量分别为m、m′
在两极点，有：Geq \f(Mm,R2)＝F，
在赤道，有：Geq \f(Mm,R2)－F′＝MReq \f(4π2,T自2)，
探测器绕该星球表面做匀速圆周运动的周期为T，则有：Geq \f(mm′,R2)＝m′ Req \f(4π2,T2)；联立以上三式解得T自＝Teq \r(\f(F,F－F′))。故D正确，A、B、C错误。
13．(多选)由于地球自转的影响，地球表面的重力加速度会随纬度的变化而有所不同。已知地球表面两极处的重力加速度大小为g0，在赤道处的重力加速度大小为g，地球自转的周期为T，引力常量为G。假设地球可视为质量均匀分布的球体。下列说法正确的是( )
A．质量为m的物体在地球北极受到的重力大小为mg
B．质量为m的物体在地球赤道上受到的万有引力大小为mg0
C．地球的半径为eq \f(g0－gT2,4π2)
D．地球的密度为eq \f(3πg0,GT2g0－g)
解析：选BCD 因地球表面两极处的重力加速度大小为g0，则质量为m的物体在地球北极受到的重力大小为mg0，选项A错误；因在地球的两极Geq \f(Mm,R2)＝mg0，则质量为m的物体在地球赤道上受到的万有引力大小为F＝Geq \f(Mm,R2)＝mg0，选项B正确；在赤道上：Geq \f(Mm,R2)－mg＝meq \f(4π2,T2)R；联立解得：R＝eq \f(g0－gT2,4π2)，选项C正确；地球的密度为ρ＝eq \f(M,\f(4,3)πR3)，联立解得：ρ＝eq \f(3πg0,GT2g0－g)，选项D正确。
14．(2021·福州六校联考)开普勒第三定律指出：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值都相等。该定律对一切具有中心天体的引力系统都成立。如图，嫦娥三号探月卫星在半径为r的圆形轨道Ⅰ上绕月球运行，周期为T。月球的半径为R，引力常量为G。某时刻嫦娥三号卫星在A点变轨进入椭圆轨道Ⅱ，在月球表面的B点着陆。A、O、B三点在一条直线上。求：
(1)月球的密度；
(2)在轨道Ⅱ上运行的时间。
解析：(1)由万有引力充当向心力：Geq \f(Mm,r2)＝meq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(2π,T)))2r，
解得M＝eq \f(4π2r3,GT2)
月球的密度：ρ＝eq \f(M,\f(4,3)πR3)，解得ρ＝eq \f(3πr3,GT2R3)。
(2)椭圆轨道的半长轴：a＝eq \f(R＋r,2)，
设椭圆轨道上运行周期为T1，
由开普勒第三定律有：eq \f(a3,T12)＝eq \f(r3,T2)，
在轨道Ⅱ上运行的时间为t＝eq \f(T1,2)，
解得t＝eq \f(R＋rT,4r) eq \r(\f(R＋r,2r))。
答案：(1)eq \f(3πr3,GT2R3) (2)eq \f(R＋rT,4r) eq \r(\f(R＋r,2r))