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2020屆高考物理二輪復(fù)習(xí) 瘋狂專練7 萬(wàn)有引力與航天(含解析)

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1、萬(wàn)有引力與航天 專練七 萬(wàn)有引力與航天 一、考點(diǎn)內(nèi)容 (1)以萬(wàn)有引力定律為基礎(chǔ)的行星、衛(wèi)星勻速圓周運(yùn)動(dòng)模型及其應(yīng)用;(2)雙星模型、估算天體的質(zhì)量和密度等;(3)以開普勒三定律為基礎(chǔ)的橢圓運(yùn)行軌道及衛(wèi)星的發(fā)射與變軌、能量等相關(guān)內(nèi)容;(4)萬(wàn)有引力定律與地理、數(shù)學(xué)、航天等知識(shí)的綜合應(yīng)用。 二、考點(diǎn)突破 1.2019年5月17日,我國(guó)成功發(fā)射第45顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星,該衛(wèi)星屬于地球靜止軌道衛(wèi)星(同步衛(wèi)星)。該衛(wèi)星(  ) A.入軌后可以位于北京正上方 B.入軌后的速度大于第一宇宙速度 C.發(fā)射速度大于第二宇宙速度 D.若發(fā)射到近地圓軌道所需能量較少 2.20

2、19年1月,我國(guó)嫦娥四號(hào)探測(cè)器成功在月球背面軟著陸,在探測(cè)器“奔向”月球的過程中,用h表示探測(cè)器與地球表面的距離,F(xiàn)表示它所受的地球引力,能夠描述F隨h變化關(guān)系的圖象是(  ) 3.2018年2月,我國(guó)500 m口徑射電望遠(yuǎn)鏡(天眼)發(fā)現(xiàn)毫秒脈沖星“J0318+0253”,其自轉(zhuǎn)周期T=5.19 ms,假設(shè)星體為質(zhì)量均勻分布的球體,已知萬(wàn)有引力常量為6.67×10-11 N·m2/kg2。以周期T穩(wěn)定自轉(zhuǎn)的星體的密度最小值約為(  ) A.5×109 kg/m3 B.5×1012 kg/m3 C.5×1015 kg/m3 D.5×1018 kg/m3 4.金星、地球和火星繞太陽(yáng)的公

3、轉(zhuǎn)均可視為勻速圓周運(yùn)動(dòng),它們的向心加速度大小分別為a金、a地、a火,它們沿軌道運(yùn)行的速率分別為v金、v地、v火。已知它們的軌道半徑R金<R地<R火,由此可以判定(  ) A.a(chǎn)金>a地>a火     B.a(chǎn)火>a地>a金 C.v地>v火>v金 D.v火>v地>v金 5.如圖所示,設(shè)行星繞太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)是勻速圓周運(yùn)動(dòng),金星自身的半徑是火星的n倍,質(zhì)量為火星的k倍。不考慮行星自轉(zhuǎn)的影響,則(  ) A.金星表面的重力加速度是火星的倍 B.金星的“第一宇宙速度”是火星的倍 C.金星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的加速度比火星小 D.金星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的周期比火星大 6.如圖所示,將一個(gè)半徑為R、質(zhì)量為M的均

4、勻大球,沿直徑挖去兩個(gè)半徑分別為大球一半的小球,并把其中一個(gè)放在球外與大球靠在一起,挖去小球的球心、球外小球球心、大球球心在一條直線上,則大球中剩余部分與球外小球的萬(wàn)有引力大小約為(已知引力常量為G)(  ) A.0.01 B.0.02 C.0.05 D.0.04 7.兩顆互不影響的行星P1、P2,各有一顆近地衛(wèi)星S1、S2繞其做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。圖中縱軸表示行星周圍空間某位置的引力加速度a,橫軸表示某位置到行星中心距離r平方的倒數(shù),a-關(guān)系如圖所示,衛(wèi)星S1、S2的引力加速度大小均為a0。則(  ) A.S1的質(zhì)量比

5、S2的大 B.P1的質(zhì)量比P2的大 C.P1的第一宇宙速度比P2的小 D.P1的平均密度比P2的大 8.引力波的發(fā)現(xiàn)證實(shí)了愛因斯坦100年前所做的預(yù)測(cè)。1974年發(fā)現(xiàn)了脈沖雙星間的距離在減小就已間接地證明了引力波的存在。如果將該雙星系統(tǒng)簡(jiǎn)化為理想的圓周運(yùn)動(dòng)模型,如圖所示,兩星球在相互的萬(wàn)有引力作用下,繞O點(diǎn)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。由于雙星間的距離減小,則(  ) A.兩星的運(yùn)動(dòng)周期均逐漸減小 B.兩星的運(yùn)動(dòng)角速度均逐漸減小 C.兩星的向心加速度均逐漸減小 D.兩星的運(yùn)動(dòng)線速度均逐漸減小 9.(多選)宇航員在某星球表面以初速度2.0 m/s水平拋出一物體,并記錄下物體的運(yùn)動(dòng)軌跡,如圖所

6、示,O為拋出點(diǎn),若該星球半徑為4000 km,引力常量G=6.67×10-11 N·m2·kg-2,則下列說法正確的是(  ) A.該星球表面的重力加速度為4.0 m/s2 B.該星球的質(zhì)量為2.4×1023 kg C.該星球的第一宇宙速度為4.0 km/s D.若發(fā)射一顆該星球的同步衛(wèi)星,則同步衛(wèi)星的繞行速度一定大于4.0 km/s 10.(多選) 2017年,人類第一次直接探測(cè)到來自雙中子星合并的引力波。根據(jù)科學(xué)家們復(fù)原的過程,在兩顆中子星合并前約100 s時(shí),它們相距約400 km,繞二者連線上的某點(diǎn)每秒轉(zhuǎn)動(dòng)12圈。將兩顆中子星都看作是質(zhì)量均勻分布的球體,由這些數(shù)據(jù)、萬(wàn)有引

7、力常量并利用牛頓力學(xué)知識(shí),可以估算出這一時(shí)刻兩顆中子星(  ) A.質(zhì)量之積      B.質(zhì)量之和 C.速率之和 D.各自的自轉(zhuǎn)角速 11.2016年10月17日發(fā)射的“神舟十一號(hào)”飛船于10月19日與“天宮二號(hào)”順利實(shí)現(xiàn)了對(duì)接。在對(duì)接過程中,“神舟十一號(hào)”與“天宮二號(hào)”的相對(duì)速度非常小,可以認(rèn)為具有相同速率。它們的運(yùn)動(dòng)可以看作是繞地球的勻速圓周運(yùn)動(dòng),設(shè)“神舟十一號(hào)”的質(zhì)量為m,對(duì)接處距離地球表面高度為h,地球的半徑為r,地球表面處的重力加速度為g,不考慮地球自轉(zhuǎn)的影響,“神舟十一號(hào)”在對(duì)接時(shí),下列結(jié)果正確的是(  ) A.

8、對(duì)地球的引力大小為mg B.向心加速度為g C.周期為 D.動(dòng)能為 12.我國(guó)首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星于2016年8月16日1點(diǎn)40分成功發(fā)射。量子衛(wèi)星成功運(yùn)行后,我國(guó)將在世界上首次實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間的量子通信,構(gòu)建天地一體化的量子保密通信與科學(xué)實(shí)驗(yàn)體系。假設(shè)量子衛(wèi)星軌道在赤道平面,如圖所示。已知量子衛(wèi)星的軌道半徑是地球半徑的m倍,同步衛(wèi)星的軌道半徑是地球半徑的n倍,圖中P點(diǎn)是地球赤道上一點(diǎn),由此可知(  ) A.同步衛(wèi)星與量子衛(wèi)星的運(yùn)行周期之比為 B.同步衛(wèi)星與P點(diǎn)的速度之比為 C.量子衛(wèi)星與同步衛(wèi)星的速度之比為 D.量子衛(wèi)星與P點(diǎn)的速度之比為 13.開普勒第三定律

9、指出:所有行星的軌道的半長(zhǎng)軸的三次方跟它的公轉(zhuǎn)周期的二次方的比值都相等。該定律對(duì)一切具有中心天體的引力系統(tǒng)都成立。如圖,嫦娥三號(hào)探月衛(wèi)星在半徑為r的圓形軌道Ⅰ上繞月球運(yùn)行,周期為T。月球的半徑為R,引力常量為G。某時(shí)刻嫦娥三號(hào)衛(wèi)星在A點(diǎn)變軌進(jìn)入橢圓軌道Ⅱ,在月球表面的B點(diǎn)著陸。A、O、B三點(diǎn)在一條直線上。求: (1)月球的密度; (2)在軌道Ⅱ上運(yùn)行的時(shí)間。 答案 二、考點(diǎn)突破 1.【答案】D 【解析】同步衛(wèi)星只能位于赤道正上方,A項(xiàng)錯(cuò)誤;由=知,衛(wèi)星的軌道半徑越大,衛(wèi)星做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的線速度越小,

10、因此入軌后的速度小于第一宇宙速度(近地衛(wèi)星的速度),B項(xiàng)錯(cuò)誤;同步衛(wèi)星的發(fā)射速度大于第一宇宙速度,小于第二宇宙速度,C項(xiàng)錯(cuò)誤;若發(fā)射到近地圓軌道,所需發(fā)射速度較小,所需能量較小,D項(xiàng)正確。 2.【答案】D 【解析】在嫦娥四號(hào)探測(cè)器“奔向”月球的過程中,根據(jù)萬(wàn)有引力定律,可知隨著h的增大,探測(cè)器所受的地球引力逐漸減小但并不是均勻減小的,故能夠描述F隨h變化關(guān)系的圖象是D。 3.【答案】C 【解析】毫秒脈沖星穩(wěn)定自轉(zhuǎn)時(shí)由萬(wàn)有引力提供其表面物體做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力,根據(jù)G=m,M=ρ·πR3,得ρ=,代入數(shù)據(jù)解得ρ≈5×1015 kg/m3,C正確。 4.【答案】A 【解析】金星、地球和火

11、星繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)時(shí)萬(wàn)有引力提供向心力,則有G=ma,解得a=G,結(jié)合題中R金<R地<R火,可得a金>a地>a火,選項(xiàng)A正確,B錯(cuò)誤;同理,有G=m,解得v=,再結(jié)合題中R金<R地<R火,可得v金>v地>v火,選項(xiàng)C、D錯(cuò)誤。 5.【答案】B 【解析】由G=mg得g=,可知=,選項(xiàng)A錯(cuò);由G=m得v=,可知=,選項(xiàng)B對(duì);由G=ma得a=,可知距離越遠(yuǎn),加速度越小,而=c,可知越遠(yuǎn)周期越大,所以選項(xiàng)C、D均錯(cuò)。 6.【答案】D 【解析】由題意知,所挖出小球的半徑為,質(zhì)量為,則未挖出小球前大球?qū)η蛲庑∏虻娜f(wàn)有引力大小為F=G=,將所挖出的其中一個(gè)小球填在原位置,則填入左側(cè)原位置小球?qū)η蛲庑∏虻娜f(wàn)

12、有引力為F1=G=,填入右側(cè)原位置小球?qū)η蛲庑∏虻娜f(wàn)有引力為F2=G=,大球中剩余部分對(duì)球外小球的萬(wàn)有引力大小為F3=F-F1-F2≈0.04,D選項(xiàng)正確。 7.【答案】B 【解析】萬(wàn)有引力充當(dāng)向心力,故有G=ma,解得a=GM,故圖像的斜率k=GM,因?yàn)镚是恒量,M表示行星的質(zhì)量,所以斜率越大,行星的質(zhì)量越大,故P1的質(zhì)量比P2的大,由于計(jì)算過程中,衛(wèi)星的質(zhì)量可以約去,所以無法判斷衛(wèi)星質(zhì)量關(guān)系,A錯(cuò)誤,B正確;因?yàn)閮蓚€(gè)衛(wèi)星是近地衛(wèi)星,所以其運(yùn)行軌道半徑可認(rèn)為等于行星半徑,根據(jù)第一宇宙速度公式v=可得v=,從題圖中可以看出,當(dāng)兩者加速度都為a0時(shí),P2半徑要比P1小,故P1的第一宇宙速度比

13、P2的大,C錯(cuò)誤;星球的密度ρ====,故星球的半徑越大,密度越小,所以P1的平均密度比P2的小,D錯(cuò)誤。 8.【答案】A 【解析】雙星做勻速圓周運(yùn)動(dòng)具有相同的角速度,靠相互間的萬(wàn)有引力提供向心力。根據(jù)G=m1r1ω2=m2r2ω2,知m1r1=m2r2,知軌道半徑比等于質(zhì)量之反比,雙星間的距離減小,則雙星的軌道半徑都變小,根據(jù)萬(wàn)有引力提供向心力,知角速度變大,周期變小,故A正確,B錯(cuò)誤;根據(jù)G=m1a1=m2a2知,L變小,則兩星的向心加速度均增大,故C錯(cuò)誤;根據(jù)G=m1,解得v1=,由于L平方的減小比r1的減小量大,則線速度增大,故D錯(cuò)誤。 9.【答案】AC 【解析】根據(jù)平拋運(yùn)動(dòng)的

14、規(guī)律:h=gt2,x=v0t,解得g=4.0 m/s2,A正確;在星球表面,重力近似等于萬(wàn)有引力,得M=≈9.6×1023 kg,B錯(cuò)誤;由=mg得第一宇宙速度為v==4.0 km/s,C正確;第一宇宙速度為最大的環(huán)繞速度,D錯(cuò)誤。 10.【答案】BC 【解析】由題意可知,合并前兩中子星繞連線上某點(diǎn)每秒轉(zhuǎn)動(dòng)12圈,則兩中子星的周期相等,且均為T= s,兩中子星的角速度均為ω=,兩中子星構(gòu)成了雙星模型,假設(shè)兩中子星的質(zhì)量分別為m1,m2,軌道半徑分別為r1、r2,速率分別為v1、v2,則有:G=m1ω2r1、=m2ω2r2,又r1+r2=L=400 km,解得m1+m2=,A錯(cuò)誤,B正確;又

15、由v1=ωr1、v2=ωr2,則v1+v2=ω(r1+r2)=ωL,C正確;由題中的條件不能求解兩中子星自轉(zhuǎn)的角速度,D錯(cuò)誤。 11.【答案】C 【解析】“神舟十一號(hào)”在對(duì)接處的重力加速度小于地球表面的重力加速度,對(duì)地球的引力小于mg,故A錯(cuò)誤;在地球表面重力等于萬(wàn)有引力,有G=mg,解得:GM=gr2, 對(duì)接時(shí),萬(wàn)有引力提供向心力,有G=ma,聯(lián)立得:a=g,故B錯(cuò)誤;根據(jù)萬(wàn)有引力提供向心力,有G=m(r+h),聯(lián)立得T=,故C正確;根據(jù)萬(wàn)有引力提供向心力,G=m,動(dòng)能Ek=mv2==,故D錯(cuò)誤。 12.【答案】D 【解析】由開普勒第三定律得=,又由題意知r量=mR,r同=nR,所以===,故A錯(cuò)誤;P為地球赤道上一點(diǎn),P點(diǎn)角速度等于同步衛(wèi)星的角速度,根據(jù)v=ωr,所以有===,故B錯(cuò)誤;根據(jù)G=m,得v=,所以===,故C錯(cuò)誤;綜合B、C,有v同=nvP,=,得=,故D正確。 13.【解析】(1)由萬(wàn)有引力充當(dāng)向心力:=m2r 解得M= 月球的密度:ρ=,解得ρ=。 (2)橢圓軌道的半長(zhǎng)軸:a= 設(shè)橢圓軌道上運(yùn)行周期為T1,由開普勒第三定律有:= 在軌道Ⅱ上運(yùn)行的時(shí)間為t= 解得t=。 7

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