2019版一轮物理教科版课件：第四章 第4讲 万有引力定律及其应用 精品

［课时作业］单独成册方便使用A. 1-dB.1+R、单项选择题［基础题组］ 1.对于环绕地球做圆周运动的卫星来说，它们绕地球做圆周运 动的周期会随着轨道半径的变化而变化，某同学根据测得的 不同卫星做圆周运动的半径r 与周期T 的关系作出如图所示图象，则可求得地球质量为（已知引力常量为G ）（） 2 2 "4 na 4 nb A.~Gb B.~GaGb D.^na2 3解析：由9罟—m4n^可得令一罗学，结合题图图线可得, a b — 4 n ，故M -嚳, A 正确. 答案：A 2.长期以来“卡戎星（Charon ）”被认为是冥王星唯一的卫星，它的公转轨道半 19 600 km,公转周期T i = 6.39天.2006年3月，天文学家新发现两颗冥王星的小 卫星，其中一颗的公转轨道半径 「2= 48 000 km ，则它的公转周期T 2最接近于 A. 15 天 B. 25 天 D. 45 天 3 3解析：由开普勒第三定律T 2xr 3有井—卷2,代入数据解得T 2最接近于25天，本 C. 35天 题只有选项B 正确. 答案：B 3.假设地球是一半径为 R 、质量分布均匀的球体.一矿井深度为 d.已知质量分布均匀的球壳对壳内物体的引力为零.矿井底部和地面处的重力加速度大小之比R— d2 C. (~~^)R 2 D. (R—d)解析：设位于矿井底部的小物体的质量为 m,则地球对它的引力为半径为（R— d）的部分“地球”对它的引力，地球的其他部分对它的引力为零，有普；对位于地球表面的物体m有m g=譽，根据质量分布均匀的物体的质量和体积成正比可得晋=~^—丄，由以上三式可得g厂1—R,选项A正确.答案：A4•有一星球的密度跟地球密度相同，但它表面处的重力加速度是地球表面处重力加速度的4倍，则该星球的质量将是地球质量的（忽略其自转影响）（）A.4B. 4倍C. 16 倍9g3解析：天体表面的重力加速度 g= GM"，又知尸MV=4^3，所以 M = 16 n P G3,答案：D5. （2018山东高密模拟）据报道，科学家们在距离地球20万光年外发现了首颗系外“宜居”行星•假设该行星质量约为地球质量的6.4倍，半径约为地球半径的2倍•那么，一个在地球表面能举起 64 kg物体的人在这个行星表面能举起的物体的质量约为多少（地球表面重力加速度g= 10 m/s2）（）A. 40 kgB. 50 kgC. 60 kgD. 30 kg解析：根据万有引力等于重力G MR T = mg得g=罟，因为行星质量约为地球质量的6.4倍，其半径是地球半径的2倍，则行星表面重力加速度是地球表面重力加速度的1.6倍，而人的举力认为是不变的，则人在行星表面所举起的重物质量、「m0 64 ―为 m= 16= 16 kg = 40 kg，故 A 正确.答案：A 二、多项选择题 6. （2016高考海南卷）通过观测冥王星的卫星，可以推算出冥王星的质量.假设卫星绕冥王星做匀速圆周运动，除了引力常量外，至少还需要两个物理量才能计算出冥王星的质量.这两个物理量可以是（）A.卫星的速度和角速度B.卫星的质量和轨道半径C.卫星的质量和角速度D.卫星的运行周期和轨道半径解析：根据线速度和角速度可以求出半径 r = Y，根据万有引力提供向心力，则3Mm v2v3有G^r^ = m—，整理可得M = G3，故选项A正确；由于卫星的质量 m可约掉,故选项B、C错误；若知道卫星的运行周期和轨道半径，则G^Mm = 口（帑2「，整理得M =攀，故选项D正确.答案：AD 7•宇航员在地球表面以一定初速度竖直上抛一小球，经过时间t小球落回原地.若他在某星球表面以相同的初速度竖直上抛同一小球，需经过时间5t小球落回原处.已知该星球的半径与地球半径之比为 R星：R地=1 : 4,地球表面重力加速度为g,设该星球表面附近的重力加速度为g'，空气阻力不计.则（）A.g'： g= 1 : 5B.g’： g = 5 : 2C.M 星：M 地=1 : 20D.M 星：M 地=1 : 80解析：由速度对称性知竖直上抛的小球在空中运动时间 t=警，因此得5g g 5t1 M m g R2M星g' R ii 1 1 c 15, A正确，B错误；由二mg得M二g R，因而仏二-g R^二尹（4）= 8），C错误，D正确.答案：AD8.如图所示，两星球相距为I ，质量之比为m A : m B = 1 : 9，两星 片 球半径远小于I .沿A 、B 连线从星球A 向B 以某一初速度发射一 探测器，只考虑星球A 、B 对探测器的作用.下列说法正确的是（ ）A .探测器的速度一直减小B. 探测器在距星球A 为4处加速度为零C.若探测器能到达星球B,其速度可能恰好为零D.若探测器能到达星球B,其速度一定大于发射时的初速度 解析：设探测器距星球A 的距离为x 时，两星球对探测器的引力相等，即 =G 卫笔，解得x=4I ，根据牛顿第二定律可得，此时探测器的加速度为零，选I — x 4项B 正确；探测器从A 向B 运动，所受的万有引力合力先向左再向右，则探测 器先减速后加速，故选项 A 错误；探测器到达星球 B 的过程中，因为A 的质量 小于B 的质量，从A 到B 万有引力的合力做正功，贝劇能增加，所以探测器到 达星球B 的速度一定大于发射时的初速度，故选项 C 错误，选项D 正确. 答案：BD［能力题组］、选择题 9.如图所示，“嫦娥三号”的环月轨道可近似看成是圆轨 道，观察“嫦娥三号”在环月轨道上的运动， 发现每经过 时间t 通过的弧长为I ，该弧长对应的圆心角为0弧度.已知万有引力常量为G,则月球的质量是（ ） I 2 0 A.Gft B .GI 2t 严I 3 丄 CGB 2D©3ftO_m A m Gm?"t 通过的弧长为I ，故卫星的线速度为V =角速度为3R=3 = n 则根据万有引力定律及牛顿第二定律得：答案：C10.若在某行星和地球上相对于各自的水平地面附近相同的高度处， 以相同的速 率平抛一物体，它们在水平方向运动的距离之比为 2 : {7.已知该行星质量约为 地球的7倍，地球的半径为R.由此可知，该行星的半径约为（ ）B.7RD粤R解析：平抛运动在水平方向上做匀速直线运动，即 x = v o t ，在竖直方向上做自由 落体运动，即h= ^gt 2，所以 X i/ ，两种情况下，抛出的速度相同，高度M 行g 行7MmGM g 行 R 行 i相同，所以—=7，根据公式GMRm = mg 可得g = G M"，故—= =7，解得R 行g 地 4 R Rg 地 M 地 4R 地=2R,故C 正确.答案：C 11.为了测量某行星的质量和半径，宇航员记录了登陆舱在该行星表面做圆周运动的周期T;登陆舱在行星表面着陆后，宇航员又用弹簧测力计称量一质量为 m的砝码，读数为F.已知引力常量为G.则下列选项错误的是（ ）F^44nFT 2m解析：因为每经过时间n f ，卫星的运行半径为 mF ，则月球的质量 M =兽=，选项C 正确. A.2R C. 2RA .该行星的质量为 B.该行星的半径为C.该行星的密度为 3 nGT 2D.该行星的第一宇宙速度为222 nm4 2FT 2M m 4 T t解析：据 F = mg o = m 斤^R,得 R= 4 <m , B 选项符合题意；由 G R ^ = my z R,4 2R 3 FT ? 卩3丁4 M 3 得M 二"GT 厂，又R 二话，则M 二16岔m 3, A 不符合题意；密度 尸M 二G 寺, C 不符合题意；第一宇宙速度v={g 0R=^nm ，D 不符合题意•故选B.答案：B 12.（多选）某物理兴趣小组通过查资料得到以下量的具体数据 （用字母表示）：地 球半径R ，地球质量m,日地中心距离r,地球的近地卫星绕地球运行的周期 T i ,地球的同步卫星绕地球运行的周期 T o ,地球绕太阳运行的周期「由此可知（ ）r 3T 12mA •太阳质量为r RT mR 3T 2mB.太阳质量为C.地球同步卫星离地面的高度为 （普2—i ）RD. 地球同步卫星离地面的高度为（華1）Rmm， 4 2 3丁2R 3G R 2 = m’ T /R,得M = ；3；丁, A 正确，B 错误；由开普勒第三定律有 讦二T O2 ,可得地球同步卫星离地面的高度为 h=（ —1）R, C 正确，D 错误.答案：AC 、非选择题13. 一宇航员到达半径为R 、密度均匀的某星球表面，做如下实验：用不可伸长 的轻绳拴一质量为m 的小球，上端固定在 0点，如图甲所示，在最低点给小球某一初速度，使其绕0点在竖直面内做圆周运动，测得绳的拉力大小F 随时间t 的变化规律如图乙所示.F i 、F 2已知，引力常量为G,忽略各种阻力•求:解析：设太阳质量为M ,由万有引力提供向心力有24 n 亠…4+十亠 = m斤2r,在地球表面有Qn(1)星球表面的重力加速度；⑵星球的密度.解析：(1)最高点绳对小球的拉力小于最低点绳对小球的拉力，从乙图可得最低点绳的拉力为F1,最高点绳的拉力为F2.设小球在最低点的速度为V1，最高点的速度为V2,绳长为L.根据牛顿第二定律和向心力公式得曰血上 L mv11 2最低点：F1 — mg=~L~亠_ mv孑最咼点：F2+ mg=—厂从最低点到最高点，只有重力对小球做功，根据机械能守恒定律得 2mgL= 2mv i2—F1 — F2由以上三式得g= 6m .(2)在星球表面处有 mg= ¥弊，则M = 譽.密度尸号，而V= 垮，所以密度p3g F1— F2=4G7R将⑴中g代入得=8 7GRm- 答案：⑴晋⑵8nRm14.(2018 山西省实验中学月考)土星拥有许多卫星，至目前为止所发现的卫星数已经有30多个•土卫一是土星8个大的、形状规则的卫星中最小且最靠近土星的一个，直径为392千米，与土星平均距离约1.8X105千米，公转周期为23小时，正好是土卫三公转周期的一半，这两个卫星的轨道近似于圆形•已知引力常量为G = 6.67X 10—11 N m2/kg2，求：1 土卫三的轨道半径(已知却2= 1.26,结果保留两位有效数字);2 土星的质量(结果保留一位有效数字).答案：(1)2.9X 105km (2)5X 1026kgR 3解析：（1）根据开普勒第三定律 亍=k,可知土卫一的轨道半径r i 、周期T i 与土卫三的轨道半径「2、周期T 2满足寻=牟，所以R 2^^T 2R 1 =（32）2X 1.8X 105km=2.9X 105km.Mm 4 n4 nR 3GpF = mR 1Td ，可得土星质量 M = GT 12266.67X 10- 11X 23X 3 600 2旳一5X 10如（2）根据土卫一绕土星运动有 4X 3.142X 1.8X 108 3。

第4讲 万有引力定律及应用一、开普勒三定律的内容、公式自测1 (2016·全国卷Ⅲ·14)关于行星运动的规律，下列说法符合史实的是( ) A.开普勒在牛顿定律的基础上，导出了行星运动的规律 B.开普勒在天文观测数据的基础上，总结出了行星运动的规律C.开普勒总结出了行星运动的规律，找出了行星按照这些规律运动的原因D.开普勒总结出了行星运动的规律，发现了万有引力定律 答案 B解析 开普勒在天文观测数据的基础上总结出了行星运动的规律，但没有找出行星运动按照这些规律运动的原因，而牛顿发现了万有引力定律. 二、万有引力定律 1.内容自然界中任何两个物体都相互吸引，引力的方向在它们的连线上，引力的大小与物体的质量m 1和m 2的乘积成正比，与它们之间距离r 的二次方成反比. 2.表达式F ＝G m 1m 2r 2，G 为引力常量，G ＝6.67×10－11N·m 2/kg 2.3.适用条件(1)公式适用于质点间的相互作用，当两个物体间的距离远大于物体本身的大小时，物体可视为质点.(2)质量分布均匀的球体可视为质点，r 是两球心间的距离.4.天体运动问题分析(1)将天体或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)基本公式：G Mm r2＝ma ＝⎩⎪⎨⎪⎧m v 2r→v mrω2→ωmr ⎝⎛⎭⎫2πT 2→T m v ω自测2 我国发射的“天宫一号”和“神舟八号”在对接前，“天宫一号”的运行轨道高度为350 km ，“神舟八号”的运行轨道高度为343 km.它们的运行轨道均视为圆周，则( ) A.“天宫一号”比“神舟八号”速度大 B.“天宫一号”比“神舟八号”周期长 C.“天宫一号”比“神舟八号”角速度大 D.“天宫一号”比“神舟八号”加速度大 答案 B解析 航天器在围绕地球做匀速圆周运动的过程中由万有引力提供向心力，根据万有引力定律和匀速圆周运动知识得G Mmr 2＝m v 2r＝mrω2＝mr ⎝⎛⎭⎫2πT 2＝ma ，解得v ＝GMr，T ＝4π2r 3GM，ω＝GM r 3，a ＝GMr 2，而“天宫一号”的轨道半径比“神舟八号”的轨道半径大，可知选项B 正确. 三、宇宙速度 1.第一宇宙速度(1)第一宇宙速度又叫环绕速度，其数值为7.9 km/s.(2)第一宇宙速度是人造卫星在地面附近环绕地球做匀速圆周运动时具有的速度. (3)第一宇宙速度是人造卫星的最小发射速度，也是人造卫星的最大环绕速度. (4)第一宇宙速度的计算方法. 由G MmR 2＝m v 2R 得v 由mg ＝m v 2R 得v 2.第二宇宙速度使物体挣脱地球引力束缚的最小发射速度，其数值为11.2 km/s. 3.第三宇宙速度使物体挣脱太阳引力束缚的最小发射速度，其数值为16.7 km/s.自测3 教材P48第3题 金星的半径是地球的0.95倍，质量为地球的0.82倍，金星表面的自由落体加速度是多大？金星的“第一宇宙速度”是多大？ 答案 8.9 m/s 2 7.3 km/s解析 根据星体表面忽略自转影响，重力等于万有引力知mg ＝GMmR 2故g 金g 地＝M 金M 地·(R 地R 金)2金星表面的自由落体加速度g 金＝g 地×0.82×(10.95)2m/s 2≈8.9 m/s 2由万有引力充当向心力知GMm R 2＝m v2R 得v ＝GMR所以v 金v 地＝M 金M 地·R 地R 金＝0.82×10.95≈0.93v 金＝0.93×7.9 km/s ≈7.3 km/s.命题点一 开普勒三定律的理解和应用1.行星绕太阳的运动通常按圆轨道处理.2.开普勒行星运动定律也适用于其他天体，例如月球、卫星绕地球的运动.3.开普勒第三定律a 3T 2＝k 中，k 值只与中心天体的质量有关，不同的中心天体k 值不同.但该定律只能用在同一中心天体的两星体之间.例1 (多选)(2017·全国卷Ⅱ·19)如图1，海王星绕太阳沿椭圆轨道运动，P 为近日点，Q 为远日点，M 、N 为轨道短轴的两个端点，运行的周期为T 0，若只考虑海王星和太阳之间的相互作用，则海王星在从P 经过M 、Q 到N 的运动过程中( )图1A.从P 到M 所用的时间等于T 04B.从Q 到N 阶段，机械能逐渐变大C.从P 到Q 阶段，速率逐渐变小D.从M 到N 阶段，万有引力对它先做负功后做正功 答案 CD解析 由行星运动的对称性可知，从P 经M 到Q 点的时间为12T 0，根据开普勒第二定律可知，从P 到M 运动的速率大于从M 到Q 运动的速率，可知从P 到M 所用的时间小于14T 0，选项A 错误；海王星在运动过程中只受太阳的引力作用，故机械能守恒，选项B 错误；根据开普勒第二定律可知，从P 到Q 阶段，速率逐渐变小，选项C 正确；海王星受到的万有引力指向太阳，从M 到N 阶段，万有引力对它先做负功后做正功，选项D 正确.变式1 火星和木星沿各自的椭圆轨道绕太阳运行，根据开普勒行星运动定律可知( ) A.太阳位于木星运行轨道的中心B.火星和木星绕太阳运行速度的大小始终相等C.火星与木星公转周期之比的平方等于它们轨道半长轴之比的立方D.相同时间内，火星与太阳连线扫过的面积等于木星与太阳连线扫过的面积 答案 C解析 由开普勒第一定律(轨道定律)可知，太阳位于木星运行轨道的一个焦点上，A 错误.火星和木星绕太阳运行的轨道不同，运行速度的大小不可能始终相等，B 错误.根据开普勒第三定律(周期定律)知所有行星轨道的半长轴的三次方与它的公转周期的平方的比值是一个常数，C 正确.对于某一个行星来说，其与太阳连线在相同的时间内扫过的面积相等，不同行星在相同时间内扫过的面积不相等，D 错误.变式2 (多选)如图2所示，近地人造卫星和月球绕地球的运行轨道可视为圆.设卫星、月球绕地球运行周期分别为T 卫、T 月，地球自转周期为T 地，则( )图2A.T 卫<T 月B.T 卫>T 月C.T 卫<T 地D.T 卫＝T 地 答案 AC解析 设近地卫星、地球同步轨道卫星和月球绕地球运行的轨道分别为r 卫、r 同和r 月，因r 月>r 同>r 卫，由开普勒第三定律r 3T 2＝k ，可知，T 月>T 同>T 卫，又同步卫星的周期T 同＝T 地，故有T 月>T 地>T 卫，选项A 、C 正确.变式3 如图3所示，一颗卫星绕地球沿椭圆轨道运动，A 、B 是卫星运动的远地点和近地点.下列说法中正确的是( )图3A.卫星在A 点的角速度大于B 点的角速度B.卫星在A 点的加速度小于B 点的加速度C.卫星由A 运动到B 过程中动能减小，势能增加D.卫星由A 运动到B 过程中引力做正功，机械能增大 答案 B解析 由开普勒第二定律知，卫星与地球的连线在相等的时间内扫过的面积相等，故卫星在远地点转过的角度较小，由ω＝θt 知，卫星在A 点的角速度小于B 点的角速度，选项A 错误；设卫星的质量为m ，地球的质量为M ，卫星的轨道半径为r ，由万有引力定律得G mMr 2＝ma ，解得a ＝GMr 2，由此可知，r 越大，加速度越小，故卫星在A 点的加速度小于B 点的加速度，选项B 正确；卫星由A 运动到B 的过程中，引力做正功，动能增加，势能减小，选项C 错误；卫星由A 运动到B 的过程中，只有引力做功，机械能守恒，选项D 错误. 命题点二 万有引力定律的理解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.(1)在赤道上：G MmR 2＝mg 1＋mω2R .(2)在两极上：G MmR2＝mg 0.(3)在一般位置：万有引力G MmR2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，常认为万有引力近似等于重力，即GMmR 2＝mg .2.星球上空的重力加速度g ′星球上空距离星体中心r ＝R ＋h 处的重力加速度为g ′，mg ′＝GmM (R ＋h )2，得g ′＝GM(R ＋h )2.所以g g ′＝(R ＋h )2R 2.3.万有引力的“两点理解”和“两个推论” (1)两点理解①两物体相互作用的万有引力是一对作用力和反作用力. ②地球上的物体受到的重力只是万有引力的一个分力.(2)两个推论①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＝0.②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 ＝G M ′mr2.例2 如图4所示，有人设想通过“打穿地球”从中国建立一条过地心的光滑隧道直达阿根廷.如只考虑物体间的万有引力，则从隧道口抛下一物体，物体的加速度( )图4A.一直增大B.一直减小C.先增大后减小D.先减小后增大 答案 D解析 设地球的平均密度为ρ，物体在隧道内部离地心的距离为r ，则物体m 所受的万有引力F ＝G ·ρ·43πr 3·m r 2＝43πGρmr ，此处的重力加速度a ＝F m ＝43πGρr ，故选项D 正确.例3 由中国科学院、中国工程院两院院士评出的2012年中国十大科技进展新闻，于2013年1月19日揭晓，“神九”载人飞船与“天宫一号”成功对接和“蛟龙”号下潜突破7 000米分别排在第一、第二.若地球半径为R ，把地球看做质量分布均匀的球体.“蛟龙”下潜深度为d ，“天宫一号”轨道距离地面高度为h ，“蛟龙”号所在处与“天宫一号”所在处的加速度之比为( )A.R －d R ＋hB.(R －d )2(R ＋h )2C.(R －d )(R ＋h )2R 3D.(R －d )(R ＋h )R 2 答案 C解析 令地球的密度为ρ，则在地球表面，重力和地球的万有引力大小相等，有：g ＝G M R 2.由于地球的质量为：M ＝ρ·43πR 3，所以重力加速度的表达式可写成：g ＝GM R 2＝G ·ρ43πR 3R 2＝43πGρR .根据题意有，质量分布均匀的球壳对壳内物体的引力为零，故在深度为d 的地球内部，受到地球的万有引力即为半径等于(R －d )的球体在其表面产生的万有引力，故“蛟龙”号的重力加速度g ′＝43πGρ(R －d )，所以有g ′g ＝R －d R .根据万有引力提供向心力G Mm(R ＋h )2＝ma ，“天宫一号”的加速度为a ＝GM (R ＋h )2，所以a g ＝R 2(R ＋h )2，g ′a ＝(R －d )(R ＋h )2R 3，故C 正确，A 、B 、D 错误.变式4 “神舟十一号”飞船于2016年10月17日发射，对接“天宫二号”.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.0B.GM (R ＋h )2C.GMm (R ＋h )2D.GMh 2 答案 B命题点三 天体质量和密度的估算天体质量和密度常用的估算方法例4 假设地球可视为质量均匀分布的球体.已知地球表面重力加速度在两极的大小为g 0，在赤道的大小为g ，地球自转的周期为T ，引力常量为G .地球的密度为( ) A.3π(g 0－g )GT 2g 0 B.3πg 0GT 2(g 0－g )C.3πGT 2D.3πg 0GT 2g答案 B解析 物体在地球的两极时，mg 0＝GMm R 2，物体在赤道上时，mg ＋m (2πT )2R ＝G MmR2，又M ＝43πR 3，联立以上三式解得地球的密度ρ＝3πg 0GT 2(g 0－g )，故选项B 正确，选项A 、C 、D 错误. 变式5 观察“嫦娥三号”在环月轨道上的运动，发现每经过时间t 通过的弧长为l ，该弧长对应的圆心角为θ(弧度)，如图5所示.已知引力常量为G ，“嫦娥三号”的环月轨道可近似看成是圆轨道，由此可推导月球的质量为( )图5A.2πl 3Gθt 2 B.l 3Gθt 2 C.l 3θGt 2 D.lGθt 2答案 B解析 “嫦娥三号”在环月轨道上运动的线速度为：v ＝l t ，角速度为ω＝θt ；根据线速度和角速度的关系式：v ＝ωr ，可得其轨道半径r ＝v ω＝lθ；“嫦娥三号”做匀速圆周运动，万有引力提供向心力，GMm r 2＝mωv ，解得M ＝l 3Gθt2，故选B.变式6 据报道，天文学家新发现了太阳系外的一颗行星.这颗行星的体积是地球的a 倍，质量是地球的b 倍.已知近地卫星绕地球运行的周期约为T ，引力常量为G .则该行星的平均密度为( )A.3πGT 2B.π3T 2C.3πb aGT 2D.3πabGT 2 答案 C解析 万有引力提供近地卫星绕地球运行的向心力：G M 地m R 2＝m 4π2RT 2，且ρ地＝3M 地4πR 3，联立得ρ地＝3πGT 2.而ρ星ρ地＝M 星V 地V 星M 地＝b a ，因而ρ星＝3πbaGT 2.命题点四 卫星运行参量的分析例5 (多选)“天舟一号”货运飞船于2017年4月20日在文昌航天发射中心成功发射升空.与“天宫二号”空间实验室对接前，“天舟一号”在距地面约380 km 的圆轨道上飞行，则其( )A.角速度小于地球自转角速度B.线速度小于第一宇宙速度C.周期小于地球自转周期D.向心加速度小于地面的重力加速度答案 BCD解析 根据万有引力提供向心力得，G Mm (R ＋h )2＝m (R ＋h )ω2＝m v 2R ＋h ＝m (R ＋h )4π2T 2＝ma ，解得，v ＝GMR ＋h，ω＝GM(R ＋h )3，T ＝4π2(R ＋h )3GM ，a ＝GM(R ＋h )2，由题意可知，“天舟一号”的离地高度小于同步卫星的离地高度，则“天舟一号”的角速度大于同步卫星的角速度，也大于地球的自转角速度，“天舟一号”的周期小于地球的自转周期，选项A 错误，C 正确；由第一宇宙速度为GMR可知，“天舟一号”的线速度小于第一宇宙速度，选项B 正确；由地面的重力加速度g ＝GMR 2可知，“天舟一号”的向心加速度小于地面的重力加速度，选项D 正确.变式7 (2017·全国卷Ⅲ·14)2017年4月，我国成功发射的天舟一号货运飞船与天宫二号空间实验室完成了首次交会对接，对接形成的组合体仍沿天宫二号原来的轨道(可视为圆轨道)运行.与天宫二号单独运行时相比，组合体运行的( ) A.周期变大 B.速率变大 C.动能变大 D.向心加速度变大答案 C变式8 (2017·河北石家庄二模)2016年10月19日凌晨，神舟十一号飞船与天宫二号对接成功，如图6.两者对接后一起绕地球运行的轨道可视为圆轨道，运行周期为T ，已知地球半径为R ，对接体距地面的高度为kR ，地球表面的重力加速度为g ，引力常量为G ，下列说法正确的是( )图6A.对接后，飞船的线速度大小为2πkRTB.对接后，飞船的加速度大小为g(1＋k )2C.地球的密度为3π(1＋k )2GT 2D.对接前，飞船通过自身减速使轨道半径变大靠近天宫二号实现对接 答案 B解析 对接前，飞船通过自身加速使轨道半径变大从而靠近天宫二号实现对接，D 错误.对接后，飞船的轨道半径为kR ＋R ，线速度大小v ＝2π(k ＋1)R T ，A 错误.由GMm(k ＋1)2R 2＝ma 及GM ＝gR 2得a ＝g (1＋k )2，B 正确.由GMm (k ＋1)2R 2＝m ⎝⎛⎭⎫2πT 2(k ＋1)R 及M ＝ρ·43πR 3得地球的密度ρ＝3π(1＋k )3GT 2，C 错误.1.关于行星运动定律和万有引力定律的建立过程，下列说法正确的是( ) A.第谷通过整理大量的天文观测数据得到行星运动规律 B.开普勒指出，地球绕太阳运动是因为受到来自太阳的引力C.牛顿通过比较月球公转的向心加速度和地球赤道上物体随地球自转的向心加速度，对万有引力定律进行了“月地检验”D.卡文迪许在实验室里通过几个铅球之间万有引力的测量，得出了引力常量的数值 答案 D2.关于环绕地球运行的卫星，下列说法正确的是( )A.分别沿圆轨道和椭圆轨道运行的两颗卫星，不可能具有相同的周期B.沿椭圆轨道运行的一颗卫星，在轨道不同位置可能具有相同的速率C.在赤道上空运行的两颗地球同步卫星，它们的轨道半径有可能不同D.沿不同轨道经过北京上空的两颗卫星，它们的轨道平面一定会重合 答案 B解析 分别沿圆轨道和椭圆轨道运行的两颗卫星，可能具有相同的周期，故A 错误；沿椭圆轨道运行的一颗卫星，在轨道对称的不同位置具有相同的速率，B 正确；根据万有引力提供向心力，列出等式GMm (R ＋h )2＝m 4π2T 2(R ＋h )，其中R 为地球半径，h 为同步卫星离地面的高度，由于同步卫星的周期必须与地球自转周期相同，所以T 为一定值，根据上面等式得出：同步卫星离地面的高度h 也为一定值，故C 错误；沿不同轨道经过北京上空的两颗卫星，它们的轨道平面不一定重合，故D 错误.3.组成星球的物质靠引力吸引在一起随星球自转.如果某质量分布均匀的星球自转周期为T ，万有引力常量为G ，为使该星球不至于瓦解，该星球的密度至少是( ) A.4πGT 2 B.3πGT 2 C.2πGT 2 D.πGT 2 答案 B解析 根据万有引力提供向心力有：G Mm R 2＝m 4π2T 2R ，根据密度公式有：ρ＝M 43πR 3，联立可得密度为3πGT2，B 正确.4.(2018·河南洛阳模拟)北斗卫星导航系统(BDS)是中国自行研制的全球卫星导航系统，该系统由35颗卫星组成，卫星的轨道有三种：地球同步轨道、中轨道和倾斜轨道.其中，同步轨道半径大约是中轨道半径的1.5倍，那么同步卫星与中轨道卫星的周期之比约为( ) A.1232⎛⎫⎪⎝⎭ B.2332⎛⎫ ⎪⎝⎭ C.3232⎛⎫ ⎪⎝⎭D.⎝⎛⎭⎫322 答案 C解析 开普勒第三定律同样适用于卫星与行星间的运动关系，当轨道为圆轨道时，公式中的a 为半径r ，则有r 同3T 同2＝r 中3T 中2，得T 同T 中＝3232⎛⎫⎪⎝⎭.5.(多选)2011年中俄联合实施探测火星计划，由中国负责研制的“萤火一号”火星探测器与俄罗斯研制的“福布斯—土壤”火星探测器一起由俄罗斯“天顶”运载火箭发射前往火星.已知火星的质量约为地球质量的19，火星的半径约为地球半径的12.下列关于火星探测器的说法中正确的是( )A.发射速度只要大于第一宇宙速度即可B.发射速度只有达到第三宇宙速度才可以C.发射速度应大于第二宇宙速度而小于第三宇宙速度D.火星探测器环绕火星运行的最大速度为地球第一宇宙速度的23答案 CD解析 根据三个宇宙速度的意义，可知选项A 、B 错误，选项C 正确；已知M 火＝M 地9，R 火＝R 地2，则v 火v 地＝GM 火R 火∶GM 地R 地＝23，选项D 正确.6.过去几千年来，人类对行星的认识与研究仅限于太阳系内，行星“51 peg b ”的发现拉开了研究太阳系外行星的序幕.“51 peg b ”绕其中心恒星做匀速圆周运动，周期约为4天，轨道半径约为地球绕太阳运动半径的120，该中心恒星与太阳的质量比约为( )A.110 B.1 C.5 D.10 答案 B解析 根据万有引力提供向心力，有G Mm r 2＝m 4π2T 2r ，可得M ＝4π2r 3GT 2，所以恒星质量与太阳质量之比为M 恒M 太＝r 行3T 地2 r 地3T 行2＝(120)3×(3654)2≈1，故选项B 正确.7.(2018·广东中山质检)长期以来“卡戎星(Charon)”被认为是冥王星唯一的卫星，它的公转轨道半径r 1＝19 600 km ，公转周期T 1＝6.39天.2006年3月，天文学家新发现两颗冥王星的小卫星，其中一颗的公转轨道半径r 2＝48 000 km ，则它的公转周期T 2最接近于( ) A.15天 B.25天 C.35天 D.45天 答案 B解析 根据开普勒第三定律得r 31T 21＝r 32T 22，所以T 2＝r 32r 31T 1≈25天，选项B 正确，选项A 、C 、D 错误.8.卫星绕地球做匀速圆周运动，其轨道半径为r ，运动周期为T ，地球半径为R ，引力常量为G ，下列说法中正确的是( ) A.卫星的线速度大小为v ＝2πRTB.地球的质量为M ＝4π2R 3GT 2C.地球的平均密度为ρ＝3πGT 2D.地球表面重力加速度大小为g ＝4π2r 3T 2R2答案 D9.地球的公转轨道接近圆，但彗星的运行轨道则是一个非常扁的椭圆，如图1.天文学家哈雷曾经在1682年跟踪过一颗彗星，他算出这颗彗星轨道的半长轴等于地球公转轨道半径的18倍，并预言这颗彗星将每隔一定时间就会出现.哈雷的预言得到证实，该彗星被命名为哈雷彗星.哈雷彗星最近出现的时间是1986年，它下次将在哪一年飞近地球( )图1A.2042年B.2052年C.2062年D.2072年答案 C解析 根据开普勒第三定律a 3T 2＝k ，可得r 彗3T 彗2＝r 地3T 地2，且r 彗＝18r 地，得T 彗＝542T 地，又T地＝1年，所以T 彗＝54 2 年≈76年，故选C.10.(2017·北京理综·17)利用引力常量G 和下列某一组数据，不能计算出地球质量的是( ) A.地球的半径及重力加速度(不考虑地球自转)B.人造卫星在地面附近绕地球做圆周运动的速度及周期C.月球绕地球做圆周运动的周期及月球与地球间的距离D.地球绕太阳做圆周运动的周期及地球与太阳间的距离 答案 D解析 不考虑地球的自转，地球表面物体受到的万有引力等于重力，即GM 地mR 2＝mg ，得M地＝gR 2G ，所以根据A 中给出的条件可求出地球的质量；根据GM 地m 卫R 2＝m 卫v 2R 和T ＝2πRv ，得M 地＝v 3T 2πG ，所以根据B 中给出的条件可求出地球的质量；根据GM 地m 月r 2＝m 月4π2T 2r ，得M 地＝4π2r 3GT 2，所以根据C 中给出的条件可求出地球的质量；根据GM 太m 地r 2＝m 地4π2T 2r ，得M 太＝4π2r 3GT 2，所以据D 中给出的条件可求出太阳的质量，但不能求出地球质量，故选D.11.理论上已经证明：质量分布均匀的球壳对壳内物体的万有引力为零.现假设地球是一半径为R 、质量分布均匀的实心球体，O 为球心，以O 为原点建立坐标轴Ox ，如图2所示.一个质量一定的小物体(假设它能够在地球内部移动)在x 轴上各位置受到的引力大小用F 表示，则选项所示的四个F 随x 变化的关系图中正确的是( )图2答案 A解析 因为质量分布均匀的球壳对壳内物体的万有引力为零，则在距离球心x 处(x ≤R )物体所受的引力为F ＝GM 1m x 2＝G ·43πx 3ρ·m x 2＝43G πρmx ∝x ，故F －x 图线是过原点的直线；当x >R 时，F ＝GMm x 2＝G ·43πR 3ρ·m x 2＝4G πρmR 33x 2∝1x2，故选项A 正确.12.理论上可以证明，质量均匀分布的球壳对壳内物体的引力为零.假定地球的密度均匀，半径为R .若矿井底部和地面处的重力加速度大小之比为k ，则矿井的深度为( ) A.(1－k )R B.kR C.⎝⎛⎭⎫1－1k R D.kR 答案 A解析 设地球的平均密度为ρ，地表处的重力加速度为g ＝GM R 2＝Gρ43πR 3R 2＝43πGρR ；设矿井深h ，则矿井底部的重力加速度g ′＝43πGρ(R －h )，g ′∶g ＝k ，联立得h ＝(1－k )R ，选项A 正确.13.我国月球探测计划“嫦娥工程”已经启动，科学家对月球的探索会越来越深入.(1)若已知地球半径为R ，地球表面的重力加速度为g ，月球绕地球运动的周期为T ，月球绕地球的运动近似看做匀速圆周运动，试求出月球绕地球运动的轨道半径.(2)若宇航员随登月飞船登陆月球后，在月球表面高度为h 的某处以速度v 0水平抛出一个小球，小球飞出的水平距离为x .已知月球半径为R 月，引力常量为G ，试求出月球的质量M 月. 答案 (1)3gR 2T 24π2 (2)2h v 02R 月2Gx 2解析 (1)设地球质量为M ，根据万有引力定律及向心力公式得G MM 月r 2＝M 月(2πT )2r ，G MmR 2＝mg联立解得r ＝3gR 2T 24π2(2)设月球表面处的重力加速度为g 月，小球飞行时间为t ，根据题意得x ＝v 0t ，h ＝12g 月t 2G M 月m ′R 月2＝m ′g 月 联立解得M 月＝2h v 02R 月2Gx 2.。