2020-2022年高考物理真题分专题训练 专题06 万有引力定律与航天（教师版含解析）

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专题06  万有引力定律与航天【2022年高考题组】1、（2022·湖南卷·T8）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【答案】CD【解析】A．由题意根据开普勒第三定律可知火星轨道半径大约是地球轨道半径的1.5倍，则可得故A错误；BC．根据可得由于火星轨道半径大于地球轨道半径，故火星运行线速度小于地球运行线速度，所以在冲日处火星相对于地球由东向西运动，为逆行，故B错误，C正确；D．由于火星和地球运动的线速度大小不变，在冲日处火星和地球速度方向相同，故相对速度最小，故D正确。故选CD。2、（2022·广东卷·T2）“祝融号”火星车需要“休眠”以度过火星寒冷的冬季。假设火星和地球的冬季是各自公转周期的四分之一，且火星的冬季时长约为地球的1.88倍。火星和地球绕太阳的公转均可视为匀速圆周运动。下列关于火星、地球公转的说法正确的是（　　）A. 火星公转的线速度比地球的大 B. 火星公转的角速度比地球的大C. 火星公转的半径比地球的小 D. 火星公转的加速度比地球的小【答案】D【解析】由题意可知，火星的公转周期大于地球的公转周期C．根据可得可知火星的公转半径大于地球的公转半径，故C错误；A．根据可得结合C选项，可知火星的公转线速度小于地球的公转线速度，故A错误；B．根据可知火星公转的角速度小于地球公转的角速度，故B错误；D．根据可得可知火星公转的加速度小于地球公转的加速度，故D正确。故选D。3、（2022·山东卷·T6）“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. 【答案】C【解析】地球表面的重力加速度为g，根据牛顿第二定律得解得根据题意可知，卫星的运行周期为根据牛顿第二定律，万有引力提供卫星运动的向心力，则有联立解得，故选C。4、（2022·全国乙卷·T14）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【答案】C【解析】ABC．航天员在空间站中所受万有引力完全提供做圆周运动的向心力，飞船对其作用力等于零，故C正确，AB错误；D．根据万有引力公式可知在地球表面上所受引力的大小大于在飞船所受的万有引力大小，因此地球表面引力大于其随飞船运动所需向心力的大小，故D错误。故选C。5、（2022·浙江6月卷·T6）神州十三号飞船采用“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【答案】C【解析】AC．根据可得可知圆轨道距地面高度越高，环绕速度越小；而只要速度相同了就可以在同一轨道运行，与返回舱和天和核心舱的质量无关，故A错误，C正确；B．返回舱中的宇航员处于失重状态，仍然受到地球引力作用，地球的引力提供宇航员绕地球运动的向心力，故B错误；D．返回舱穿越大气层返回地面过程中，有阻力做功产生热量，机械能减小，故D错误。故选C。6、（2022·浙江1月卷·T8）“天问一号”从地球发射后，在如图甲所示的P点沿地火转移轨道到Q点，再依次进入如图乙所示的调相轨道和停泊轨道，则天问一号（　　）A. 发射速度介于7.9km/s与11.2km/s之间B. 从P点转移到Q点的时间小于6个月C. 在环绕火星的停泊轨道运行的周期比在调相轨道上小D. 在地火转移轨道运动时的速度均大于地球绕太阳的速度【答案】C【解析】A．因发射的卫星要能变轨到绕太阳转动，则发射速度要大于第二宇宙速度，即发射速度介于11.2km/s与16.7km/s之间，故A错误；B．因P点转移到Q点的转移轨道的半长轴大于地球公转轨道半径，则其周期大于地球公转周期（1年共12个月），则从P点转移到Q点的时间为轨道周期的一半时间应大于6个月，故B错误；C．因在环绕火星的停泊轨道的半长轴小于调相轨道的半长轴，则由开普勒第三定律可知在环绕火星的停泊轨道运行的周期比在调相轨道上小，故C正确；D．卫星从P点变轨时，要加速增大速度，此后做离心运动速度减小，则在地火转移轨道运动时的速度P点速度大于地球绕太阳的速度，故D错误；故选C。7.(2022·湖北·T2) 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【答案】C【解析】【详解】A．组合体在天上只受万有引力的作用，则组合体中的货物处于失重状态，A错误；B．由题知组合体在地球引力作用下绕地球做圆周运动，而第一宇宙速度为最大的环绕速度，则组合体的速度大小不可能大于第一宇宙速度，B错误；C．已知同步卫星的周期为24h，则根据角速度和周期的关系有由于T同 > T组合体，则组合体的角速度大小比地球同步卫星的大，C正确；D．由题知组合体在地球引力作用下绕地球做圆周运动，有整理有由于T同 > T组合体，则r同 > r组合体，且同步卫星和组合体在天上有则有a同 < a组合体D错误。故选C。【2021年高考题组】1. (2021·山东卷)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∶1【答案】B【解析】【分析】【详解】悬停时所受平台的作用力等于万有引力，根据可得故选B。2. (2021·全国卷甲卷)2021年2月，执行我国火星探测任务的“天问一号”探测器在成功实施三次近火制动后，进入运行周期约为1.8×105s的椭圆形停泊轨道，轨道与火星表面的最近距离约为2.8×105m。已知火星半径约为3.4×106m，火星表面处自由落体的加速度大小约为3.7m/s2，则“天问一号”的停泊轨道与火星表面的最远距离约为（　　）A. 6×105m B. 6×106m C. 6×107m D. 6×108m【答案】C【解析】忽略火星自转则①可知设与为1.8×105s的椭圆形停泊轨道周期相同的圆形轨道半径为，由万引力提供向心力可知②设近火点到火星中心为③设远火点到火星中心为④由开普勒第三定律可知⑤ 由以上分析可得故选C。3. (2021·全国卷乙卷) 全国乙卷第5题. 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. 【答案】B【解析】可以近似把S2看成匀速圆周运动，由图可知，S2绕黑洞的周期T=16年，地球的公转周期T0=1年，S2绕黑洞做圆周运动的半径r与地球绕太阳做圆周运动的半径R关系是 地球绕太阳的向心力由太阳对地球的引力提供，由向心力公式可知解得太阳的质量为同理S2绕黑洞的向心力由黑洞对它的万有引力提供，由向心力公式可知解得黑洞的质量为综上可得故选B。4. (2021·湖南卷) 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【答案】AC【解析】A．根据万有引力定律有核心舱进入轨道后的万有引力与地面上万有引力之比为所以A正确；B．核心舱在轨道上飞行的速度小于7.9km/s，因为第一宇宙速度是最大的环绕速度，所以B错误；C．根据可知轨道半径越大周期越大，则其周期比同步卫星的周期小，小于24h，所以C正确；D．卫星做圆周运动时万有引力提供向心力有解得则卫星的环绕速度与卫星的质量无关，所以变轨时需要点火减速或者点火加速，增加质量不会改变轨道半径，所以D错误；故选AC。5. (2021·广东卷) 2021年4月，我国自主研发的空间站“天和”核心舱成功发射并入轨运行，若核心舱绕地球的运行可视为匀速圆周运动，已知引力常量，由下列物理量能计算出地球质量的是（　　）A. 核心舱的质量和绕地半径B. 核心舱的质量和绕地周期C. 核心舱的绕地角速度和绕地周期D. 核心舱的绕地线速度和绕地半径【答案】D【解析】根据核心舱做圆周运动向心力由地球的万有引力提供，可得可得可知已知核心舱的质量和绕地半径、已知核心舱的质量和绕地周期以及已知核心舱的角速度和绕地周期，都不能求解地球的质量；若已知核心舱的绕地线速度和绕地半径可求解地球的质量。故选D。6. (2021·河北卷)“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. 【答案】D【解析】绕中心天体做圆周运动，根据万有引力提供向心力，可得则，由于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，则飞船的轨道半径则故选D。7. (2021·浙江卷)空间站在地球外层的稀薄大气中绕行，因气体阻力的影响，轨道高度会发生变化。空间站安装有发动机，可对轨道进行修正。图中给出了国际空间站在2020.02-2020.08期间离地高度随时间变化的曲线，则空间站（　　）
 A. 绕地运行速度约为B. 绕地运行速度约为C. 在4月份绕行的任意两小时内机械能可视为守恒D. 在5月份绕行的任意两小时内机械能可视为守恒【答案】D【解析】AB．根据题意可知，轨道半径在变化，则运行速度在变化，圆周最大运行速度为第一宇宙速度，故AB错误；或根据及解得将g=9.80m/s2和R=6400km以及hmin=418km和hmax=421km代入得最大速度和最小速度分别为vmax=7.913km/s和vmin=7.911km/s.用h=0代入得v=7.92km/s.C．在4月份轨道半径出现明显的变大，则可知，机械能不守恒，故C错误；D．在5月份轨道半径基本不变，故可视为机械能守恒，故D正确。故选D。【2020年高考题组】1. (2020·新课标Ⅰ卷)火星的质量约为地球质量的，半径约为地球半径的，则同一物体在火星表面与在地球表面受到的引力的比值约为(　　)A. 0.2 B. 0.4 C. 2.0 D. 2.5【答案】B【解析】设物体质量为m，则在火星表面有，在地球表面有，由题意知有，，故联立以上公式可得，故选B。2. (2020·新课标Ⅱ卷)若一均匀球形星体的密度为ρ，引力常量为G，则在该星体表面附近沿圆轨道绕其运动的卫星的周期是(　　)A.  B.  C.  D. 【答案】A【解析】卫星在星体表面附近绕其做圆周运动，则， ，，知卫星该星体表面附近沿圆轨道绕其运动的卫星的周期。3. (2020·新课标Ⅲ卷)“嫦娥四号”探测器于2019年1月在月球背面成功着陆，着陆前曾绕月球飞行，某段时间可认为绕月做匀速圆周运动，圆周半径为月球半径的K倍。已知地球半径R是月球半径的P倍，地球质量是月球质量的Q倍，地球表面重力加速度大小为g。则“嫦娥四号”绕月球做圆周运动的速率为(　　)A.  B.  C.  D. 【答案】D【解析】假设在地球表面和月球表面上分别放置质量为和的两个物体，则在地球和月球表面处，分别有，，解得，设嫦娥四号卫星的质量为，根据万有引力提供向心力得，解得，故选D。4. (2020·江苏卷)甲、乙两颗人造卫星质量相等，均绕地球做圆周运动，甲的轨道半径是乙的2倍。下列应用公式进行的推论正确的有(　　)A. 由可知，甲的速度是乙的倍B. 由可知，甲的向心加速度是乙的2倍C. 由可知，甲的向心力是乙的D. 由可知，甲的周期是乙的倍【答案】CD【解析】卫星绕地球做圆周运动，万有引力提供向心力，则，A．因为在不同轨道上g是不一样，故不能根据得出甲乙速度的关系，卫星的运行线速，代入数据可得，故A错误；B．因为在不同轨道上两卫星的角速度不一样，故不能根据得出两卫星加速度的关系，卫星的运行加速度，代入数据可得，故B错误；C．根据，两颗人造卫星质量相等，可得，故C正确；D．两卫星均绕地球做圆周运动，根据开普勒第三定律，可得，故D正确。故选CD。5. (2020·山东卷)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. 【答案】B【解析】忽略星球的自转，万有引力等于重力，则，解得，着陆器做匀减速直线运动，根据运动学公式可知，解得，匀减速过程，根据牛顿第二定律得，解得着陆器受到的制动力大小为，ACD错误，B正确。故选B。6. (2020·天津卷)北斗问天，国之夙愿。我国北斗三号系统的收官之星是地球静止轨道卫星，其轨道半径约为地球半径的7倍。与近地轨道卫星相比，地球静止轨道卫星(    )A. 周期大 B. 线速度大 C. 角速度大 D. 加速度大【答案】A【解析】卫星有万有引力提供向心力有，可解得，，，，可知半径越大线速度，角速度，加速度都越小，周期越大；故与近地卫星相比，地球静止轨道卫星周期大，故A正确，BCD错误。故选A。7. (2020·浙江卷)火星探测任务“天问一号”的标识如图所示。若火星和地球绕太阳的运动均可视为匀速圆周运动，火星公转轨道半径与地球公转轨道半径之比为3∶2，则火星与地球绕太阳运动的(　　)A. 轨道周长之比为2∶3B. 线速度大小之比为C. 角速度大小之比为D. 向心加速度大小之比为9∶4【答案】C【解析】A．由周长公式可得，，则火星公转轨道与地球公转轨道周长之比为，A错误；BCD．由万有引力提供向心力，可得，则有，，，即，，，BD错误，C正确故选C。