高考物理一轮复习小题多维练(全国通用)第15练万有引力定律及应用(原卷版+解析)
展开1. (2022·江苏·模拟预测)2020年7月,我国用长征运载火箭将“天问一号”探测器发射升空,探测器在星箭分离后,进入地火转移轨道,如图所示,2021年5月在火星乌托邦平原着陆。则探测器( )
A.与火箭分离时的速度小于第一宇宙速度
B.每次经过P点时的速度相等
C.绕火星运行时在捕获轨道上的周期最大
D.绕火星运行时在不同轨道上与火星的连线每秒扫过的面积相等
2.(2022·上海·上外附中模拟预测)两个大小相同的实心小铁球紧靠在一起,它们之间的万有引力为F。若将两个用同种材料制成的半径是小铁球2倍的实心大铁球紧靠在一起,则两大铁球之间的万有引力为( )
A.2FB.4FC.8FD.16F
3.(2022·山东·模拟预测)如图所示,将一半径为R、质量为M的均匀大球,沿直径挖去两个半径分别为大球半径一半的小球,并把其中一个放在球外与大球靠在一起,挖去小球的球心、球外小球的球心、大球的球心都在一条直线上,则大球中剩余部分与球外小球间的万有引力大小约为( )
A.0.01B.0.02
C.0.05D.0.04
1.(2021·上海·上外浦东附中高一期末)在人类对行星运动规律的认识过程,开普勒作出了划时代的贡献。对开普勒行星运动定律的理解,下列说法中正确的是( )
A.此定律不仅适用于行星绕太阳运动,也适用于宇宙中其他卫星绕行星的运动
B.牛顿发现万有引力定律后,开普勒整理牛顿的观测数据,发现了行星运动规律
C.行星绕太阳做椭圆轨道运动时,线速度方向时刻在变,但大小始终不变
D.由开普勒第三定律,月亮绕地球运动的k值与人造卫星绕地球运动的k不同
2.(2022·浙江宁波·高一期末)北京冬奥开幕式24节气倒计时惊艳全球,如图是地球沿椭圆轨道绕太阳运行所处不同位置对应的节气,下列说法正确的是( )
A.夏至时地球的运行速度最大
B.从冬至到春分的运行时间为公转周期的
C.若用代表椭圆轨道的半长轴,代表公转周期,则,地球和火星对应的值是不同的
D.太阳既在地球公转轨道的焦点上,也在火星公转轨道的焦点上
3.(2019·全国卷Ⅱ·14)2019年1月,我国嫦娥四号探测器成功在月球背面软着陆.在探测器“奔向”月球的过程中,用h表示探测器与地球表面的距离,F表示它所受的地球引力,能够描述F随h变化关系的图像是( )
4.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1/602
B.月球公转的加速度约为苹果落向地面加速度的1/602
C.自由落体在月球表面的加速度约为地球表面的1/6
D.苹果在月球表面受到的引力约为在地球表面的1/60
5.宇航员王亚平在“天宫1号”飞船内进行了我国首次太空授课,演示了一些完全失重状态下的物理现象.若飞船质量为m,距地面高度为h,地球质量为M,半径为R,引力常量为G,则飞船所在处的重力加速度大小为( )
A.0 B.eq \f(GM,(R+h)2) C.eq \f(GMm,(R+h)2) D.eq \f(GM,h2)
6.当地球位于太阳和木星之间且三者几乎排成一条直线时,称之为“木星冲日”,2016年3月8日出现了一次“木星冲日”.已知木星与地球几乎在同一平面内沿同一方向绕太阳近似做匀速圆周运动,木星到太阳的距离大约是地球到太阳距离的5倍.则下列说法正确的是( )
A.下一次的“木星冲日”时间肯定在2018年
B.下一次的“木星冲日”时间肯定在2017年
C.木星运行的加速度比地球的大
D.木星运行的周期比地球的小
7.2022年3月30日上午10时29分,我国在酒泉卫星发射中心用长征十一号运载火箭成功将天平二号A、B、C卫星发射升空,卫星顺利进入预定轨道,若已知A、B、C卫星绕地球做近似圆周运动,高地高度分别是、和hc,且,环绕周期分别是、和,地球表面重力加速度为g,则以下说法正确的是( )
A.天平二号A星可能在地表上空沿某一经度线做匀速圆周运动
B.根据开普勒第三定律有
C.根据题中所给信息,可计算地球的质量
D.根据题中所给信息,无法算地球的密度
8.2021年2月24日,我国“天向一号”火星探测器成功实施第三次环火制动,进入了环火停泊轨道,并进行为期三个月的深测,在这三个月中,“天向一号”先在高度为、周期为的停泊轨道上做匀速圆周运动,之后又下降到高度为、周期为的轨道上做匀速圆周运动。根据以上信息不需要引力常量就可以求的物理量是( )
A.火星的质量B.火星的半径
C.火星的第一宇宙速度D.火星表面的重力加速度
9.2022年4月16日,在“太空出差”六个月后,王亚平等三名宇航员乘坐神舟十三号飞船撤离空间站返回地球。飞船开始时在圆轨道1上运行,接到指令后在P点启动发动机,进入椭圆轨道2运行。最后在Q点再次点火进入大气层,并在东风着陆场成功着陆。则飞船( )
A.在P点启动发动机是为了增大飞船的速率
B.在轨道1运行的周期大于在轨道2运行的周期
C.在轨道2上运行时,经过P点时的速率大于经过Q点时的速率轨道
D.在轨道2上运行时,经过P点时的加速度大于经过Q点时的加速度
10.2021年2月,我国500 m口径射电望远镜(天眼)发现毫秒脉冲星“J0318+0253”,其自转周期T=5.19 ms,假设星体为质量均匀分布的球体,已知万有引力常量为.以周期T稳定自转的星体的密度最小值约为( )
A.B.
C.D.
1.“灵楼准拟泛银河,剩摘天星几个”,曾经,古人对天宫充满向往,如今,梦想走进现实,中国空间站被称为“天宫”,中国货运飞船是“天舟”,2022年5月10日01时56分,天舟四号货运飞船被长征七号运载火箭成功送入太空,8时54分,天舟四号成功相会“天宫”(空间站天和核心舱),天和核心舱距离地面约,地球北极的重力加速度为g,地球赤道表面的重力加速度为,地球自转的周期为T,天和核心舱轨道为正圆,地球为球体根据题目的已知条件,下列说法错误的是( )
A.可以求出天舟四号的线速度B.可以求出地球的质量
C.可以求出地球的半径D.可以求出天舟四号的周期
2.(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,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.34B.314C.352D.325
3.(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116。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16172
B.核心舱在轨道上飞行的速度大于7.9 km/s
C.核心舱在轨道上飞行的周期小于24 h
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
专题05 万有引力与航天
第15练 万有引力定律及应用
1. (2022·江苏·模拟预测)2020年7月,我国用长征运载火箭将“天问一号”探测器发射升空,探测器在星箭分离后,进入地火转移轨道,如图所示,2021年5月在火星乌托邦平原着陆。则探测器( )
A.与火箭分离时的速度小于第一宇宙速度
B.每次经过P点时的速度相等
C.绕火星运行时在捕获轨道上的周期最大
D.绕火星运行时在不同轨道上与火星的连线每秒扫过的面积相等
【答案】 C
【解析】
A.与火箭分离时即脱离地球束缚进入太阳系,应该速度为第二宇宙即速度大于第一宇宙速度,故A错误;
B.由图可知,探测器近心运动,故每次经过P点的速度越来越小,故B错误;
C.由图可得,绕火星运行时在捕获轨道上的轨道半径最大,则由开普勒第三定律知在捕获轨道上的周期最大,故C正确;
D.由开普勒第二定律可知,绕火星运行时在同一轨道上与火星的连线每秒扫过的面积相等,故D错误。
故选C。
2.(2022·上海·上外附中模拟预测)两个大小相同的实心小铁球紧靠在一起,它们之间的万有引力为F。若将两个用同种材料制成的半径是小铁球2倍的实心大铁球紧靠在一起,则两大铁球之间的万有引力为( )
A.2FB.4FC.8FD.16F
【答案】 D
【解析】
两个小铁球之间的万有引力为
F=G=G
实心小铁球的质量为
m=ρV=ρ·πr3
大铁球的半径是小铁球的2倍,则大铁球的质量m′与小铁球的质量m之比为
故两个大铁球间的万有引力为
F′=G=G=16F
故选D。
3.(2022·山东·模拟预测)如图所示,将一半径为R、质量为M的均匀大球,沿直径挖去两个半径分别为大球半径一半的小球,并把其中一个放在球外与大球靠在一起,挖去小球的球心、球外小球的球心、大球的球心都在一条直线上,则大球中剩余部分与球外小球间的万有引力大小约为( )
A.0.01B.0.02
C.0.05D.0.04
【答案】 D
【解析】
由题意可得,挖去的小球的半径为、质量为。挖出小球前,大球对球外小球的万有引力为
F=G
将挖出的小球填回原位置,则填入左侧原位置的小球对球外小球的万有引力为
F1=G
填入右侧原位置的小球对球外小球的万有引力为
F2=G
则大球中剩余部分对球外小球的万有引力为
F3=F-F1-F2≈0.04
故选D。
方法点津
先把挖去的部分“补”上,得到半径为R的完整球体,再根据万有引力公式,分别计算补回的左、右两个半径为的球体和半径为R的完整球体对球外小球的万有引力F1、F2、F,再利用力的合成与分解规律即可求得结果。
1.(2021·上海·上外浦东附中高一期末)在人类对行星运动规律的认识过程,开普勒作出了划时代的贡献。对开普勒行星运动定律的理解,下列说法中正确的是( )
A.此定律不仅适用于行星绕太阳运动,也适用于宇宙中其他卫星绕行星的运动
B.牛顿发现万有引力定律后,开普勒整理牛顿的观测数据,发现了行星运动规律
C.行星绕太阳做椭圆轨道运动时,线速度方向时刻在变,但大小始终不变
D.由开普勒第三定律,月亮绕地球运动的k值与人造卫星绕地球运动的k不同
【答案】A
【解析】A.开普勒行星运动定律不仅适用于行星绕太阳运动,还适用于宇宙中其他卫星绕行星的运动,A正确;
B.在开普勒发现了行星的运行规律后,牛顿才发现万有引力定律,开普勒整理第谷的观测数据后,发现了行星运动的规律,B错误;
C.由开普勒第二定律可知,日星连线相同时间内扫过面积相等,行星绕太阳在椭圆轨道上运动时,线速度大小在变化,越靠近太阳,线速度越大,反之,则越小,C错误;
D.公式中的值由中心天体决定,只要是中心天体一样,k值一样,而月亮和人造卫星都是绕地球运动,则k值相同,D错误。
故选A。
2.(2022·浙江宁波·高一期末)北京冬奥开幕式24节气倒计时惊艳全球,如图是地球沿椭圆轨道绕太阳运行所处不同位置对应的节气,下列说法正确的是( )
A.夏至时地球的运行速度最大
B.从冬至到春分的运行时间为公转周期的
C.若用代表椭圆轨道的半长轴,代表公转周期,则,地球和火星对应的值是不同的
D.太阳既在地球公转轨道的焦点上,也在火星公转轨道的焦点上
【答案】D
【解析】A.根据开普勒第二定律可知,地球与太阳中心连线在相同时间内扫过的面积相等,根据
可知近日点离太阳最近,近日点的运行速度最大,远日点离太阳最远,远日点的运行速度最小,故夏至时地球的运行速度最小,A错误;
B.根据对称性可知,从冬至到夏至的运行时间为公转周期的,由于从冬至到春分地球的运行速度大于从春分到夏至地球的运行速度,可知从冬至到春分的运行时间小于从春分到夏至的运行时间,故从冬至到春分的运行时间小于公转周期的,B错误;
C.根据开普勒第三定律可知,所有绕太阳转动的行星轨道半长轴的三次方与公转周期的二次方成正比,则有
其中与中心天体的质量有关,地球和火星都是绕太阳转动,故地球和火星对应的值相同,C错误;
D.根据开普勒第一定律可知,所有行星绕太阳运动的轨道都是椭圆,太阳处于椭圆的一个焦点上,故太阳既在地球公转轨道的焦点上,也在火星公转轨道的焦点上,D正确。
故选D。
3.(2019·全国卷Ⅱ·14)2019年1月,我国嫦娥四号探测器成功在月球背面软着陆.在探测器“奔向”月球的过程中,用h表示探测器与地球表面的距离,F表示它所受的地球引力,能够描述F随h变化关系的图像是( )
【答案】D
【解析】在嫦娥四号探测器“奔向”月球的过程中,根据万有引力定律F=Geq \f(Mm,R+h2),可知随着h的增大,探测器所受的地球引力逐渐减小,但不是均匀减小的,故能够描述F随h变化关系的图像是D.
4.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1/602
B.月球公转的加速度约为苹果落向地面加速度的1/602
C.自由落体在月球表面的加速度约为地球表面的1/6
D.苹果在月球表面受到的引力约为在地球表面的1/60
【答案】B
【解析】设月球的质量为M月,地球的质量为M,苹果的质量为m,则月球受到的万有引力为F月=eq \f(GMM月,(60r)2),苹果受到的万有引力为F=eq \f(GMm,r2),由于月球质量和苹果质量之间的关系未知,故二者之间万有引力的关系无法确定,故A错误;根据牛顿第二定律eq \f(GMM月,(60r)2)=M月a月,eq \f(GMm,r2)=ma,整理可得a月=eq \f(1,602)a,故B正确;在月球表面处eq \f(GM月m′,req \\al(2,月))=m′g月,由于月球本身的半径大小及其质量与地球的半径、质量关系未知,故无法求出月球表面和地球表面重力加速度的关系,故C错误;苹果在月球表面受到的引力为F′=eq \f(GmM月,req \\al(2,月)),由于月球本身的半径大小及其质量与地球的半径、质量关系未知,故无法求出苹果在月球表面受到的引力与在地球表面受到的引力之间的关系,故D错误.
5.宇航员王亚平在“天宫1号”飞船内进行了我国首次太空授课,演示了一些完全失重状态下的物理现象.若飞船质量为m,距地面高度为h,地球质量为M,半径为R,引力常量为G,则飞船所在处的重力加速度大小为( )
A.0 B.eq \f(GM,(R+h)2) C.eq \f(GMm,(R+h)2) D.eq \f(GM,h2)
【答案】B
【解析】飞船受到的万有引力等于它在该处所受的重力,即Geq \f(Mm,(R+h)2)=mg,得g=eq \f(GM,(R+h)2),选项B正确.
6.当地球位于太阳和木星之间且三者几乎排成一条直线时,称之为“木星冲日”,2016年3月8日出现了一次“木星冲日”.已知木星与地球几乎在同一平面内沿同一方向绕太阳近似做匀速圆周运动,木星到太阳的距离大约是地球到太阳距离的5倍.则下列说法正确的是( )
A.下一次的“木星冲日”时间肯定在2018年
B.下一次的“木星冲日”时间肯定在2017年
C.木星运行的加速度比地球的大
D.木星运行的周期比地球的小
【答案】 B
【解析】次出现“木星冲日”,则有ω1t-ω2t=2π,其中ω1=eq \f(2π,T1),ω2=eq \f(2π,T2),解得t≈1.1年,因此下一次“木星冲日”发生在2017年,故A错误,B正确;设太阳质量为M,行星质量为m,轨道半径为r,周期为T,加速度为a.对行星由牛顿第二定律可得Geq \f(Mm,r2)=ma=meq \f(4π2,T2)r,解得a=eq \f(GM,r2),T=2πeq \r(\f(r3,GM)),由于木星到太阳的距离大约是地球到太阳距离的5倍,因此,木星运行的加速度比地球的小,木星运行的周期比地球的大,故C、D错误.
7.2022年3月30日上午10时29分,我国在酒泉卫星发射中心用长征十一号运载火箭成功将天平二号A、B、C卫星发射升空,卫星顺利进入预定轨道,若已知A、B、C卫星绕地球做近似圆周运动,高地高度分别是、和hc,且,环绕周期分别是、和,地球表面重力加速度为g,则以下说法正确的是( )
A.天平二号A星可能在地表上空沿某一经度线做匀速圆周运动
B.根据开普勒第三定律有
C.根据题中所给信息,可计算地球的质量
D.根据题中所给信息,无法算地球的密度
【答案】C
【解析】
A.由于地球在自转,所以地球卫星不可能地表上空沿某一经度线做匀速圆周运动,故A错误;
B.根据开普勒第三定律有
①
故B错误;
CD.根据
结合
得
由公式①可以用题干中的已知量(其中两个卫星的高度和周期)表示出地球半径,所以可以求出地球的质量和密度,故C正确,D错误。
故选C。
8.2021年2月24日,我国“天向一号”火星探测器成功实施第三次环火制动,进入了环火停泊轨道,并进行为期三个月的深测,在这三个月中,“天向一号”先在高度为、周期为的停泊轨道上做匀速圆周运动,之后又下降到高度为、周期为的轨道上做匀速圆周运动。根据以上信息不需要引力常量就可以求的物理量是( )
A.火星的质量B.火星的半径
C.火星的第一宇宙速度D.火星表面的重力加速度
【答案】BCD
【解析】
根据题意,设火星的质量为,万有引力常量为,火星的半径为,“天向一号”火星探测器的质量为,由万有引力提供向心力有
可得
B.根据题意,由开普勒第三定律有
可知,火星的半径可求,故B正确;
C.第一宇宙速度是物体绕火星表面做匀速圆周运动的运行速度,根据万有引力提供向心力有
联立可得
可知,火星的第一宁宙速度可求,故C正确;
D.根据万有引力等于重力有
联立可得
可知,火星表面的重力加速度可求,故D正确;
A.由上述分析可知
可得
可知,求火星的质量需要万有引力常量,故A错误。
故选BCD。
9.2022年4月16日,在“太空出差”六个月后,王亚平等三名宇航员乘坐神舟十三号飞船撤离空间站返回地球。飞船开始时在圆轨道1上运行,接到指令后在P点启动发动机,进入椭圆轨道2运行。最后在Q点再次点火进入大气层,并在东风着陆场成功着陆。则飞船( )
A.在P点启动发动机是为了增大飞船的速率
B.在轨道1运行的周期大于在轨道2运行的周期
C.在轨道2上运行时,经过P点时的速率大于经过Q点时的速率轨道
D.在轨道2上运行时,经过P点时的加速度大于经过Q点时的加速度
【答案】B
【解析】
A.在P点启动发动机是为了减小飞船的速率,使飞船做近心运动,故A错误;
B.由图可知:轨道1的轨道半径大于轨道2的半长轴,根据开普勒第三定律可知在轨道1运行的周期大于在轨道2运行的周期,故B正确;
C.由开普勒第二定律可知在轨道2上运行时,经过P点时的速率小于经过Q点时的速率轨道,故C错误;
D.根据
可得
可知在轨道2上运行时,经过P点时的加速度小于经过Q点时的加速度,故D错误。
故选B。
10.2021年2月,我国500 m口径射电望远镜(天眼)发现毫秒脉冲星“J0318+0253”,其自转周期T=5.19 ms,假设星体为质量均匀分布的球体,已知万有引力常量为.以周期T稳定自转的星体的密度最小值约为( )
A.B.
C.D.
【答案】C
【解析】在天体中万有引力提供向心力,即 ,天体的密度公式,结合这两个公式求解.
设脉冲星值量为M,密度为
根据天体运动规律知:
代入可得: ,故C正确;
1.“灵楼准拟泛银河,剩摘天星几个”,曾经,古人对天宫充满向往,如今,梦想走进现实,中国空间站被称为“天宫”,中国货运飞船是“天舟”,2022年5月10日01时56分,天舟四号货运飞船被长征七号运载火箭成功送入太空,8时54分,天舟四号成功相会“天宫”(空间站天和核心舱),天和核心舱距离地面约,地球北极的重力加速度为g,地球赤道表面的重力加速度为,地球自转的周期为T,天和核心舱轨道为正圆,地球为球体根据题目的已知条件,下列说法错误的是( )
A.可以求出天舟四号的线速度B.可以求出地球的质量
C.可以求出地球的半径D.可以求出天舟四号的周期
【答案】B
【解析】
ACD.空间站在太空时,由万有引力提供向心力,即
此时的线速度为
当在地球北极时有
在赤道上有
即可以求出地球的半径,上述联立可得
由题意及分析可知,g、h、T、R已知,可以求出天舟四号运行的周期T1,进而求出其线速度v,故ACD正确,不满足题意要求;
B.由于未知G,故无法求出地球的质量,故B错误,满足题意要求。
故选B。
2.(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,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.34B.314C.352D.325
【答案】D
【解析】设火星质量为M火,飞船的轨道半径为r1,周期为T1,地球质量为M,地球同步卫星的轨道半径为r,周期
为T,对飞船有GM火mr12=m4π2T12r1①
对地球同步卫星有GMm2r2=m24π2T2r②
由①②得r1r=3M火M(T1T) 2=325。D正确。
3.(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116。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16172
B.核心舱在轨道上飞行的速度大于7.9 km/s
C.核心舱在轨道上飞行的周期小于24 h
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】本题考查万有引力定律的应用。根据F=Gm地mR2,在地面上时F1=Gm地mR2,进入轨道后,F2=Gm地mR+116R2,则F2F1=R217162R2,即F2=16172F1,选项A正确。根据Gm地mr2=mv2r得,v=Gm地r,因此核心舱在轨道上飞行的速度小于7.9 km/s,选项B错误。根据Gm地mr2=m4π2T2r可得T=2πr3Gm地,核心舱的高度小于地球同步卫星的高度,所以其飞行周期小于24 h,选项C正确。同速加挂,轨道半径不变,选项D错误。
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