专题05 万有引力定律与航天——【山东专用】2020-2022三年高考物理真题分类汇编（原卷版+解析版）

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2020-2022年三年山东卷高考汇编专题05 万有引力定律与航天【考纲定位】1.万有引力定律及应用通过史实，了解万有引力定律的发现过程．知道万有引力定律．认识发现万有引力定律的重要意义．认识科学定律对人类未知世界的作用．2021·山东·高考T52.卫星与航天　宇宙速度会计算人造地球卫星的环绕速度，知道第二宇宙速度和第三宇宙速度．2022·山东·高考T62020·山东·高考T72021·山东·高考T8【知识重现】万有引力与航天1．开普勒三定律定律内容图示开普勒第一定律(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相等的面积开普勒第三定律(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值都相等，表达式为＝k注意：开普勒第三定律中的k由中心天体决定，与环绕天体无关．若将椭圆轨道按圆轨道处理，则行星绕太阳做匀速圆周运动，a为圆轨道的半径r，即＝k.2．万有引力定律的基本应用(1)基本方法：把天体(或人造卫星)的运动看成匀速圆周运动，其所需向心力由万有引力提供．(2)解决天体圆周运动问题的两条思路①在地面附近万有引力近似等于物体的重力(常用于“地上”问题，如赤道上的物体)，即G＝mg，整理得GM＝gR2(被称为黄金代换式)．利用此关系式可求得行星表面的重力加速度g＝.②天体运动都可以近似地看成匀速圆周运动，其向心力由万有引力提供(常用于“天上”问题，如卫星)，即G＝m＝mω2r＝mr＝ma.3．万有引力与重力的区别与联系地球对物体的万有引力F表示为两个效果：一是重力mg，二是提供物体随地球自转的向心力F向，如图所示．(1)在赤道上：G＝mg1＋mω2R.(2)在两极上：G＝mg2.(3)在一般位置：万有引力G等于重力mg与向心力F向的矢量和．越靠近南北两极g值越大．由于物体随地球自转所需的向心力较小，常认为重力和万有引力近似相等，即＝mg.　　4.人造地球卫星(1)三种宇宙速度第一宇宙速度(环绕速度)：在人造卫星的发射过程中火箭要克服地球的引力做功，所以将卫星发射到越高的轨道，在地面上所需的发射速度就越大，故人造卫星的最小发射速度对应将卫星发射到贴近地面的轨道上运行的速度．故有：G＝m，v1＝＝7.9 km/s，或mg＝m，v1＝＝7.9 km/s.注意：第一宇宙速度的两个表达式，不仅适用于地球，也适用于其他星球，只是M、R、g是相应星球的质量、半径和表面的重力加速度．若7.9 km/s≤v ＜11.2 km/s，物体绕地球运行．第二宇宙速度(脱离速度)：物体挣脱地球引力束缚的最小发射速度．若11.2 km/s≤v＜16.7 km/s，物体绕太阳运行．第三宇宙速度(逃逸速度)：物体挣脱太阳引力束缚的最小发射速度．若v≥16.7 km/s，物体将脱离太阳系在宇宙空间运行．(2)卫星的运行参量卫星绕地球的运动近似看成圆周运动，万有引力提供向心力，类比行星绕太阳的运动规律，同样可得：G＝m＝mω2r＝mr＝ma，可推导出：⇒越高越慢(3)同步卫星的特点①轨道平面一定：轨道平面与赤道平面共面；②运行方向一定：自西向东与地球自转同步；③周期一定：与地球自转周期相同，即T＝24 h；④高度一定：由G＝m(R＋h)，得同步卫星离地面的高度h＝－R＝3.6×107 m.由同步卫星的周期T和高度h一定，还可以推导出同步卫星的运行速率v、角速度ω，向心加速度a也是确定的．但是，由于不同的同步卫星的质量不同，受到的万有引力不同． 【真题汇编】1．（2022·山东·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．2．（2021·山东·高考真题）从“玉兔”登月到“祝融”探火，我国星际探测事业实现了由地月系到行星际的跨越。已知火星质量约为月球的9倍，半径约为月球的2倍，“祝融”火星车的质量约为“玉兔”月球车的2倍。在着陆前，“祝融”和“玉兔”都会经历一个由着陆平台支撑的悬停过程。悬停时，“祝融”与“玉兔”所受陆平台的作用力大小之比为（　　）A．9∶1 B．9∶2 C．36∶1 D．72∶13．（2021·山东·高考真题）迷你系绳卫星在地球赤道正上方的电离层中，沿圆形轨道绕地飞行。系绳卫星由两子卫星组成，它们之间的导体绳沿地球半径方向，如图所示。在电池和感应电动势的共同作用下，导体绳中形成指向地心的电流，等效总电阻为r。导体绳所受的安培力克服大小为f的环境阻力，可使卫星保持在原轨道上。已知卫星离地平均高度为H，导体绳长为，地球半径为R，质量为M，轨道处磁感应强度大小为B，方向垂直于赤道平面。忽略地球自转的影响。据此可得，电池电动势为（　　）A． B．C． D．4．（2020·山东·高考真题）我国将在今年择机执行“天问1号”火星探测任务。质量为m的着陆器在着陆火星前，会在火星表面附近经历一个时长为t0、速度由v0减速到零的过程。已知火星的质量约为地球的0.1倍，半径约为地球的0.5倍，地球表面的重力加速度大小为g，忽略火星大气阻力。若该减速过程可视为一个竖直向下的匀减速直线运动，此过程中着陆器受到的制动力大小约为（　　）A． B． C． D．【突破练习】1．（2022·山东·三模）为了探测某未知星球，探测飞船载着登陆舱先是在离该星球中心距离为的圆轨道上运动，经测定周期为；随后登陆舱脱离飞船，变轨到该星球的近地圆轨道上运动。已知该星球的半径为R，万有引力常量为G。则（　　）A．登陆舱在近地圆轨道上运行的周期为B．登陆舱在近地圆轨道上运行的周期为C．该未知星球的平均密度为D．该未知星球的平均密度为2．（2022·山东·胜利一中模拟预测）已知引力常量为，星球的质量，星球的半径，飞船在轨道Ⅰ上运动时的质量，、点与星球表面的高度分别、，飞船与星球中心的距离为时，引力势能为（取无穷远处引力势能为零），飞船经过点的速度大小为，在点由轨道Ⅰ变为轨道Ⅱ的过程中，发动机沿轨道的切线方向瞬间一次性喷出一部分气体，喷出的气体相对喷气后飞船的速度大小为，则下列说法正确的是（　　）A．飞船在圆形轨道Ⅰ上运动的速度大小为B．飞船在轨道Ⅱ上经过点时的速度大小为C．飞船在轨道Ⅱ上运动时的机械能小于在轨道Ⅰ上运动时的机械能D．喷出的气体的质量为3．（2022·山东日照·三模）如图所示，极地轨道卫星a从北极的正上方第一次运行到南极的正上方所用时间为1.5h。已知地球表面重力加速度在两极和赤道的大小分别为和g，地球自转的周期为T=24h，同步卫星离地面的高度约为地球半径的5.6倍，引力常量为G，地球可视为质量分布均匀的球体，物体b静止在赤道上。下列说法正确的是（　　）A．地球的密度为B．a与同步卫星的运行速度大小之比为2∶1C．b与同步卫星的运行速度大小之比约为1∶5.6D．b与同步卫星的向心加速度大小之比约为6.62∶14．（2022·山东·模拟预测）2021年5月15日中国首次火星探测任务“天问一号”探测器在火星乌托邦平原南部预选着陆区成功着陆。“天问一号”探测器需要通过霍曼转移轨道从地球发送到火星，地球轨道和火星轨道看成圆形轨道，此时霍曼转移轨道是一个近日点M和远日点P都与地球轨道、火星轨道相切的椭圆轨道（如图所示），在近日点短暂点火后“天问一号”进入霍曼转移轨道，接着“天问一号”沿着这个轨道直至抵达远日点，然后再次点火进入火星轨道。已知万有引力常量为G，太阳质量为m，地球轨道和火星轨道半径分别为r和R，地球、火星、“天问一号”运行方向都为逆时针方向。若只考虑太阳对“天问一号”的作用力，下列说法正确的是（　　）A．两次点火之间的时间间隔为B．两次点火喷射方向一次与速度方向相同，一次与速度方向相反C．“天问一号”在地球轨道上的线速度与在火星轨道上的线速度之比为D．“天问一号”运行中在转移轨道上M点的加速度与在火星轨道上P点的加速度之比为5．（2022·山东·高三学业考试）每年的春分时节太阳光会直射赤道，如图所示，一颗卫星在赤道正上方绕地球做匀速圆周运动方向与地球自转方向相同，每绕地球一周，黑夜与白天的时间比为1:5。设地球表面重力加速度为g，地球半径为R，忽略大气及太阳照射偏移的影响，下列说法正确的是（　　）A．卫星离地高度为2RB．卫星绕地球运动的周期为C．卫星的绕行速度与地球的第一宇宙速度之比为D．赤道上的物体随地球自转的线速度与卫星的绕行速度之比为6．（2022·山东菏泽·二模）2022年4月16日上午，神舟十三号载人飞船返回舱在东风着陆场预定区域成功着陆。“太空出差”半年的航天员翟志刚、王亚平、叶光富返回地面。神舟十三号载人飞船于2021年10月16日从酒泉卫星发射中心发射升空，随后与“天和”核心舱对接形成组合体，3名航天员进驻核心舱，进行了为期6个月的驻留，创造了中国航天员连续在轨飞行时长新纪录。假设神舟十三号载人飞船在距地面高度为h的轨道做圆周运动。已知地球的半径为R，地球表面的重力加速度为g，引力常量为G。下列对神舟十三号载人飞船的描述，符合事实的是（　　）A．在“天宫课堂”授课时可以完成用弹簧测力计测量砝码重力的实验B．神舟十三号载人飞船与空间站在同一高度轨道上加速完成对接C．神舟十三号载人飞船的线速度为D．神舟十三号载人飞船运行的周期7．（2022·山东青岛·二模）神舟十三号载人飞船返回舱首次采用快速返回模式，于2022年4月16日9时56分在东风着陆场成功着陆。返回的大致过程如下：0时44分飞船沿径向与空间站天和核心舱成功分离，分离后空间站仍沿原轨道飞行，飞船下降到空间站下方处的过渡轨道并进行调姿，由径向飞行改为横向飞行。绕行5圈后，经过制动减速、自由滑行、再入大气层、着陆返回四个阶段，如图为该过程的示意图。下列说法正确的是（　　）A．分离后空间站运行速度变小B．飞船在过渡轨道的速度大于第一宇宙速度C．飞船沿径向与空间站分离后在重力作用下运动到过渡轨道D．与空间站分离后，返回舱进入大气层之前机械能减少  8．（2022·山东·烟台二中模拟预测）2021年6月17日，神舟十二号载人飞船与天和核心舱完成对接，航天员聂海胜、刘伯明、汤洪波进入天和核心舱，标志着中国人首次进入了自己的空间站。对接过程如图所示，天和核心舱处于半径为的圆轨道Ⅲ，神舟十二号飞船沿着半径为的圆轨道I运动到Q点时，通过变轨操作，沿椭圆轨道Ⅱ运动到P点与天和核心舱对接，从Q到P经历的时间为T，则（　　）A．神舟十二号在轨道I上的周期为B．天和核心舱在轨道Ⅲ上的周期为C．神舟十二号飞船在轨道上经过Q点的加速度小于轨道Ⅱ上经过Q点的加速度D．在相同的时间内，轨道Ⅰ上神舟十二号与O点的连线和轨道Ⅲ上天和核心舱与O点的连线扫过的面积相等 9．（2022·山东·威海市教育教学研究中心二模）2021年5月29日，搭载天舟二号货运飞船的长征七号遥三运载火箭发射成功，并顺利将飞船送入预定轨道，5月30日，飞船与天和核心舱完成自主快速交会对接，2022年3月27日，飞船完成空间站组合体阶段全部既定任务。下列说法正确的是（　　）A．天舟二号货运飞船的发射速度大于天和核心舱的环绕速度B．天舟二号货运飞船与天和舱交会对接时可视为质点C．天舟二号货运飞船与天和舱对接成功后，空间站的速度变小D．航天员在核心舱进行实验时可以使用物理天平测量物体的质量  10．（2022·山东潍坊·模拟预测）北斗卫星导航系统由地球同步静止轨道卫星a、与地球自转周期相同的倾斜地球同步轨道卫星b、以及比它们轨道低一些的中轨道卫星c组成，它们均为圆轨道卫星。若某中轨道卫星与地球同步静止轨道卫星运动轨迹在同一平面内，下列说法正确的是（　　）A．卫星b运行的线速度大于卫星c的线速度B．卫星a与卫星b一定具有相同的机械能C．可以发射一颗地球同步静止轨道卫星，每天同一时间经过北京上空同一位置D．若卫星b与卫星c的周期之比为3∶1，某时刻两者相距最近，则约12小时后，两者再次相距最近11．（2022·山东·莱州市第一中学模拟预测）如图所示，地球和某行星在同一轨道平面内沿逆时针方向绕太阳做匀速圆周运动。地球和太阳中心的连线与地球和行星的连线所夹的角叫地球对该行星的观察视角（简称视角），当行星处于最大视角处时，是地球上的天文爱好者观察该行星的最佳时期。若某时刻行星恰好处于最佳观察期，且其位置超前于地球，经观测发现该行星下一次处于最佳观察期至少需经历的时间为t。已知该行星的最大视角为，则：（1）该行星绕太阳的运转周期T与地球绕太阳的运转周期T0的比值；（2）该行星的运转周期T。