高考物理一轮复习单元综合训练专题28 开普勒行星运动定律、天体质量密度估算和不同位置重力加速度（2份，原卷版+解析版）

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开普勒行星运动定律
注意：
①行星绕太阳的运动通常按圆轨道处理；
②面积定律是对同一个行星而言的,不同的行星相等时间内扫过的面积不等；
③该比值只与中心天体的质量有关,不同的中心天体值不同。
【例1】2023年5月30日搭载景海鹏、朱杨柱、桂海潮三名航天员的神舟十六号飞船在酒泉卫星发射中心成功发射。飞船入轨后先在近地停泊轨道1上进行数据确认，后经椭圆转移轨道2与在轨道3做匀速圆周运动的空间站组合体完成自主快速交会对接，其变轨过程可简化如图所示，已知停泊轨道半径近似为地球半径R，中国空间站轨道距地面的平均高度为h，飞船在停泊轨道上的周期为，则（ ）

A．飞船在停泊轨道上的速度大于第一宇宙速度
B．飞船在转移轨道上P、Q两点的速率之比约为
C．若飞船在Ⅰ轨道的点P点火加速，至少经过时间，才能在Ⅱ轨道的Q点与空间站完成交会对接
D．空间站的物品或宇航员可以漂浮，说明此时它们或他们不受地球引力作用
天体质量密度估算
1.“自力更生”法(g－R)：利用天体表面的重力加速度g和天体半径R。
(1)由Geq \f(Mm,R2)＝mg得天体质量M＝eq \f(gR2,G)。
(2)天体密度ρ＝eq \f(M,V)＝eq \f(M,\f(4,3)πR3)＝eq \f(3g,4πGR)。
(3)GM＝gR2称为黄金代换公式。
2.“借助外援”法(T－r)：测出卫星绕天体做匀速圆周运动的周期T和半径r。
(1)由Geq \f(Mm,r2)＝meq \f(4π2,T2)r得天体的质量M＝eq \f(4π2r3,GT2)。
(2)若已知天体的半径R，则天体的密度ρ＝eq \f(M,V)＝eq \f(M,\f(4,3)πR3)＝eq \f(3πr3,GT2R3)。
(3)若卫星绕天体表面运行时，可认为轨道半径r等于天体半径R，则天体密度ρ＝eq \f(3π,GT 2)，可见，只要测出卫星环绕天体表面运动的周期T，就可估算出中心天体的密度。
【例2】宇航员在月球表面将一片羽毛和一个铁锤从同一高度由静止同时释放，二者几乎同时落地。若羽毛和铁锤是从高度为h处下落，经时间t落到月球表面。已知引力常量为G，月球的半径为R。不考虑月球自转的影响，则下列表述正确的是（ ）
A．月球表面的自由落体加速度g月＝
B．月球的质量M＝
C．月球的密度ρ＝
D．月球的密度ρ＝
【例3】2023年5月21日，我国在酒泉卫星发射中心用“长征二号”丙运载火箭，成功发射首颗内地与澳门合作研制的空间科学卫星“澳门科学一号”。若“澳门科学一号”入轨后，在到地心距离为（其中k为大于1的常数，为地球的半径）的轨道上做匀速圆周运动，地球表面的重力加速度大小为g，引力常量为G，球的体积（r为球的半径），则下列说法正确的是（ ）
A．“澳门科学一号”的线速度大小为B．“澳门科学一号”的线速度大小为
C．地球的平均密度为D．地球的平均密度为
不同位置重力加速度
1．万有引力与重力的关系
地球对物体的万有引力F表现为两个效果：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：Geq \f(Mm,R2)＝mg1＋mω2R。
(2)在两极上：Geq \f(Mm,R2)＝mg2。
2．星体表面上的重力加速度
(1)在地球表面附近的重力加速度g(不考虑地球自转)：mg＝Geq \f(Mm,R2)，得g＝eq \f(GM,R2)。
(2)在地球上空距离地心r＝R＋h处的重力加速度为g′，由，得
所以。
3．万有引力的“两个推论”
推论1:在匀质球壳的空腔内任意位置处,质点受到球壳的万有引力的合力为零,即F引=0。
推论2:在匀质球体内部距离球心r处的质点(m)受到的万有引力等于球体内半径为r的同心球体(M')对其的万有引力,即F=GM'mr2。
【例4】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
D．地球的密度为
【例5】近几年来，我国生产的“蛟龙号”下潜突破7000m大关，我国的北斗导航系统也进入紧密的组网阶段。已知质量分布均匀的球壳对壳内任一质点的万有引力为零，将地球看成半径为R、质量分布均匀的球体，北斗导航系统中的一颗卫星的轨道距离地面的高度为h，“蛟龙号”下潜的深度为d，则该卫星所在处的重力加速度与“蛟龙号”所在处的重力加速度的大小之比为（ ）
A．B．
C．D．
【综合提升专练】
1．2020年6月23日9时43分，长征三号乙运载火箭成功发射第55颗北斗导航卫星，并顺利进入地球静止轨道，实现了全球卫星导航系统组网成功。已知该卫星在地球静止轨道距离地面的高度为地球半径的N倍，其运行周期约为T，地球的半径为R，引力常量为G。则下列说法正确的是（ ）
A．地球的质量为
B．该卫星的质量为
C．地球的密度为
D．地球表面的重力加速度g=
2．2022年6月5日，神舟十四号飞船成功发射，神舟十四号飞船与空间站组合体成功实现自主快速交会对接。已知空间站做圆周运动的轨道高度约为400km，地球半径为，空间站的向心加速度大小为，引力常量为。下列说法正确的是（ ）
A．空间站的运行周期小于
B．飞船需要与空间站在同一个轨道上点火加速完成对接
C．地球的质量
D．地球表面的重力加速度大小
3．行星各自卫星的轨道可以看作是圆形的。某同学根据a行星和b行星的不同卫星做圆周运动的半径r与周期T的观测数据，作出如图所示的图像，其中图线A是根据a行星的不同卫星的数据作出的，图线B是根据b行星的不同卫星的数据作出的。已知图线A的斜率为，图线B的斜率为，a行星半径为b行星半径的n倍，则（ ）

A．a行星与b行星的质量之比为B．a行星与b行星表面的重力加速度之比为
C．a行星与b行星的第一宇宙速度之比为D．a行星与b行星的平均密度之比为
4．近期，多个国家和组织相继发布了一系列探月规划，其中不乏新颖的亮点，比如建设月球通信导航星座，利用低轨探测器、跳跃探测器等手段寻找水冰资源。人造航天器在月球表面绕月球做匀速圆周运动时，航天器与月球中心连线在单位时间内扫过的面积为，已知月球的半径为R，引力常量为G，则（ ）
A．航天器的环绕周期为
B．月球的质量为
C．航天器的加速度大小为
D．月球的密度为
5．假设地球的半径为R且质量分布均匀。已知地球表面重力加速度在两极的大小为g0，在赤道的大小为σg0（σ