(完整版)33、万有引力(1)天体的质量、密度和重力加速度计算高中物理高考考点知识点微专题天天练【含

第四节万有引力与天体运动一．万有引力定律1、内容：自然界中任何两个物体都是相互吸引的，引力的方向沿两物体的连线，引力的大小F与这两个物体质量的乘积m1m2成正比，与这两个物体间距离r的平方成反比．2、公式：其中G＝6.67×10－11 N·m2/kg2，称为引力常量．3、适用条件：严格地说公式只适用于质点间的相互作用，当两个物体间的距离远远大于物体本身的大小时，公式也可近似使用，但此时r应为两物体重心间的距离．对于均匀的球体，r是两球心间的距离．二．万有引力定律的应用1、行星表面物体的重力：重力近似等于万有引力．⑴表面重力加速度：因则⑵轨道上的重力加速度：因则2、人造卫星⑴万有引力提供向心力：人造卫星绕地球的运动可看成是匀速圆周运动，所需的向心力是地球对它的万有引力提供的，因此解决卫星问题最基本的关系是：⑵同步卫星：地球同步卫星，是相对地面静止的，与地球自转具有相同的周期①周期一定：同步卫星绕地球的运动与地球自转同步，它的运动周期就等于地球自转的周期，T＝24 h.②角速度一定：同步卫星绕地球运动的角速度等于地球自转的角速度．③轨道一定：所有同步卫星的轨道必在赤道平面内．④高度一定：所有同步卫星必须位于赤道正上方，且距离地面的高度是一定的（轨道半径都相同，即在同一轨道上运动），其确定的高度约为h=3.6×104 km.⑤环绕速度大小一定：所有同步卫星绕地球运动的线速度的大小是一定的，都是3.08 km/s，环绕方向与地球自转方向相同．3、三种宇宙速度⑴第一宇宙速度:要想发射人造卫星，必须具有足够的速度，发射人造卫星最小的发射速度称为第一宇宙速度，v1=7.9 km/s。

但却是绕地球做匀速圆周运动的各种卫星中的最大环绕速度。

当人造卫星进入地面附近的轨道速度大于7.9 km/s时，它绕地球运行的轨迹就不再是圆形，而是椭圆形.⑵第二宇宙速度:当卫星的速度等于或大于11.2 km/s 时，卫星就会脱离地球的引力不再绕地球运行，成为绕太阳运行的人造行星或飞到其他行星上去，我们把v2=11.2 km/s 称为第二宇宙速度,也称脱离速度。

高中物理万有引力天体密度与质量的求解(1)利用天体表面的重力加速度g 和天体半径R .由于G Mm R 2＝mg ，故天体质量M ＝gR 2G ，天体密度ρ＝M V ＝M 43πR 3＝3g4πGR .(2)通过观察卫星绕天体做匀速圆周运动的周期T 和轨道半径r .①由万有引力等于向心力，即G Mm r 2＝m 4π2T 2r ，得出中心天体质量M ＝4π2r 3GT 2；②若已知天体半径R ，则天体的平均密度ρ＝M V ＝M 43πR 3＝3πr 3GT 2R3.例题：1、2013年12月14日21时许，嫦娥三号携带“玉兔”探测器在月球虹湾成功软着陆，在实施软着陆过程中，嫦娥三号离月球表面4m 高时最后一次悬停，确认着陆点。

若总质量为M 的嫦娥三号在最后一次悬停时，反推力发动机对其提供的反推力为F ，已知引力常量为G ，月球半径为R ，则月球的质量为()A.FR 2MGB.FR MGC.MG FRD.MG FR 2【解析】在月球表面附近：Mg ＝G M 月MR2，嫦娥三号悬停时，F ＝Mg ，由以上两式解得：M 月＝FR 2MG ，选项A 对。

【答案】A2、嫦娥五号探测器由轨道器、返回器、着陆器等多个部分组成。

探测器预计在2017年由长征五号运载火箭在中国文昌卫星发射中心发射升空，自动完成月面样品采集，并从月球起飞，返回地球，带回约2kg 月球样品。

某同学从网上得到一些信息，如表格中的数据所示，请根据题意，判断地球和月球的密度之比为()月球半径R 0月球表面处的重力加速度g 0地球和月球的半径之比RR 0＝4地球表面和月球表面的重力加速度之比g g 0＝6A.23B.32C ．4D ．6【解析】利用题给信息，对地球，有G Mm R 2＝mg ，得M ＝gR 2G ，又V ＝43πR 3，得地球的密度ρ＝M V ＝3g 4G πR ；对月球，有G M 0m R 20＝mg 0，得M 0＝g 0R 20G ，又V 0＝43πR 30，得月球的密度ρ0＝M 0V 0＝3g 04G πR 0，则地球的密度与月球的密度之比ρρ0＝32，故B 正确。

高考物理天体运动公式归纳高考物理天体运动公式1.开普勒第三定律：T2/R3=K(=4π2/GM){R:轨道半径，T:周期，K:常量(与行星质量无关，取决于中心天体的质量)｝2.万有引力定律：F=Gm1m2/r2 (G=6.67×10-11Nm2/kg2，方向在它们的连线上)3.天体上的重力和重力加速度：GMm/R2=mg；g=GM/R2 {R:天体半径(m)，M：天体质量(kg)｝4.卫星绕行速度、角速度、周期：V=(GM/r)1/2；ω=(GM/r3)1/2；T=2π(r3/GM)1/2{M：中心天体质量｝5.第一(二、三)宇宙速度V1=(g地r地)1/2=(GM/r地)1/2=7.9km/s；V2=11.2km/s；V3=16.7km/s6.地球同步卫星GMm/(r地+h)2=m4π2(r地+h)/T2{h&asymp；36000km，h:距地球表面的高度，r地:地球的半径｝强调:(1)天体运动所需的向心力由万有引力提供，F向=F 万；(2)应用万有引力定律可估算天体的质量密度等；(3)地球同步卫星只能运行于赤道上空，运行周期和地球自转周期相同；(4)卫星轨道半径变小时，势能变小、动能变大、速度变大、周期变小；(5)地球卫星的最大环绕速度和最小发射速度均为7.9km/s。

高考物理分子动理论、能量守恒定律公式1.阿伏加德罗常数NA=6.02×1023/mol；分子直径数量级10-10米2.油膜法测分子直径d=V/s{V：单分子油膜的体积(m3)，S：油膜表面积(m)2｝3.分子动理论内容：物质是由大量分子组成的；大量分子做无规则的热运动；分子间存在相互作用力。

4.分子间的引力和斥力(1)r(2)r=r0，f引=f斥，F分子力=0，E分子势能=Emin(最小值)(3)r>r0，f引>f斥，F分子力表现为引力(4)r>10r0，f引=f斥&asymp；0，F分子力&asymp；0，E分子势能&asymp；05.热力学第一定律W+Q=ΔU{(做功和热传递，这两种改变物体内能的方式，在效果上是等效的)，W：外界对物体做的正功(J)，Q：物体吸收的热量(J)，ΔU：增加的内能(J)，涉及到第一类永动机不可造出〔见第二册P40〕｝6.热力学第二定律克氏表述：不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其它变化(热传导的方向性)；开氏表述：不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其它变化(机械能与内能转化的方向性){涉及到第二类永动机不可造出〔见第二册P44〕｝7.热力学第三定律：热力学零度不可达到{宇宙温度下限：-273.15摄氏度(热力学零度)｝注：(1)布朗粒子不是分子，布朗颗粒越小，布朗运动越明显，温度越高越剧烈；(2)温度是分子平均动能的标志；3)分子间的引力和斥力同时存在，随分子间距离的增大而减小，但斥力减小得比引力快；(4)分子力做正功，分子势能减小，在r0处F引=F斥且分子势能最小；(5)气体膨胀，外界对气体做负功W<0；温度升高，内能增大ΔU>0；吸收热量，Q>0(6)物体的内能是指物体所有的分子动能和分子势能的总和，对于理想气体分子间作用力为零，分子势能为零；(7)r0为分子处于平衡状态时，分子间的距离；(8)其它相关内容：能的转化和定恒定律/能源的开发与利用、环保/物体的内能、分子的动能、分子势能。

1. 万有引力定律及天体质量和密度的求解一、基础知识回顾1．利用天体表面的重力加速度g 和天体半径R .由于G Mm R 2＝mg ，故天体质量M ＝gR 2G ，天体密度ρ＝M V ＝M 43πR3＝3g 4πGR.2．通过观察卫星绕天体做匀速圆周运动的周期T 和轨道半径r .(1)由万有引力等于向心力，即G Mm r 2＝m 4π2T 2r ，得出中心天体质量M ＝4π2r3GT 2；(2)若已知天体半径R ，则天体的平均密度ρ＝M V ＝M 43πR3＝3πr3GT 2R 3；(3)若天体的卫星在天体表面附近环绕天体运动，可认为其轨道半径r 等于天体半径R ，则天体密度ρ＝3πGT2.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．二、知识网络三、典型例题例题1．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 ，如图所示．在x 轴上各位置的重力加速度用g 表示，则下图中能描述g 随x 的变化关系图正确的是( )解析：选A.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 ＝GM R2由于地球的质量为M ＝43πR 3·ρ，所以重力加速度的表达式可写成：g ＝4πGR ρ3.根据题意有，质量分布均匀的球壳对壳内物体的引力为零，固在深度为h ＝R －r 的井底，受到地球的万有引力即为半径等于r 的球体在其表面产生的万有引力，g ′＝4πGR ρ3，当r ＜R 时，g 与r 成正比，当r ＞R 后，g 与r 平方成反比．故选A.例题2．一卫星绕某一行星表面附近做匀速圆周运动，其角速度大小为ω.假设宇航员登上该行星后，在该行星表面上用弹簧测力计测量一质量为m 的物体的重力，物体静止时，弹簧测力计的示数为F 0.已知引力常量为G ，则这颗行星的质量为( )A.F 30Gm ω B.F 30Gm ωC.F 20Gm 2ω3D.F 20Gm 2ω2 解析：选A.设行星、卫星的质量分别为M 、m 卫，行星半径为R ，对卫星有GMm 卫R 2＝m 卫ω2R ，对质量为m 的物体有F 0＝G Mm R 2，解以上两式得M ＝F 30Gm 3ω4，A 正确．例题3．据美国宇航局消息，在距离地球40光年的地方发现了三颗可能适合人类居住的类地行星，假设某天我们可以穿越空间到达某一类地行星，测量以初速度10 m/s 竖直上抛一个小球可到达的最大高度只有1 m ，而其球体半径只有地球的一半，则其平均密度和地球的平均密度之比为(g ＝10 m/s 2)( )A ．5∶2B ．2∶5C ．1∶10D ．10∶1解析：选D.根据h＝v202g 和g＝GMR2可得，M＝R2v202Gh即ρ43πR3＝R2v202Gh，行星平均密度ρ＝3v208πGRh∝1Rh .在地球表面以初速度10 m/s竖直上抛一个小球可到达的最大高度h地＝v202g地＝5 m．据此可得，该类地行星和地球的平均密度之比为10∶1，选项D正确．。

求天体的加速度、质量、密度一．知识聚焦 1.加速度：表面上 mg Mm G =2R得2g RGM =非表面 ()ma R MmG=+2h 得)(2R a h GM+=2.中心天体质量M （或密度ρ）的估算 法一：利用表面物体mg Mm G=2R，得到M=法二：设行星m 绕天体M 做半径r 、周期T 的匀速圆周运动。

则G2rMm = m r224Tπ，所以M=2324GTr π对“近地”行星，r=R (R 表示天体的半径） M=ρ（4πR 3/3）所以ρ=23GTπ法三：22ωmr rMm G =法四：r vmrMm G22=总结：只要知道环绕天体的，线速度V ，角速度w,轨道半径r ，公转周期T ，任意两个，就可以求得中心天体质量，但是知道w 和T 除外。

例题1、下列几组数据中能算出地球质量的是（万有引力常量G 是已知的）（ CD ）A.地球绕太阳运行的周期T 和地球中心离太阳中心的距离rB.月球绕地球运行的周期T 和地球的半径rC.月球绕地球运动的角速度和月球中心离地球中心的距离rD.月球绕地球运动的周期T 和轨道半径r 例题2、如图21所示，a 、b 、c 是在地球大气层外圆形轨道上运动的3颗卫星，下列说法正确的是(D)A ．b 、c 的线速度大小相等，且大于a 的线速度；B ．b 、c 的向心加速度大小相等，且大于a 的向心加速度；C ．c 加速可追上同一轨道上的b ，b 减速可等候同一轨道上的c ；D ．a 卫星由于某原因，轨道半径缓慢减小，其线速度将增大。

例题3、某一物体在地球表面时，由弹簧测力计测得重160N ，把此物体放在航天器中，若航天器以加速度2ga =（g 为地球表面的重力加速度）垂直地面上升，这时再用同一弹簧测力计测得物体的重力为90N ，忽略地球自转的影响，已知地球半径R ，求此航天器距地面的高度。

解析：物体在地球表面时，重力为=mg 160N ①根据万有引力定律，在地面附近有2RGMm mg =②在距地面某一高度h 时，由牛顿定律得ma g m F N ='- ③根据万有引力定律，得2)(h R GMm g m +=' ④①②③④式并代入数据解得R h 3=。

高中物理——万有引力与航天知识点总结一、开普勒行星运动定律（1）全部的行星环绕太阳运动的轨道都是椭圆，太阳处在全部椭圆的一个焦点上。

（2）关于每一颗行星，太阳和行星的联线在相等的时间内扫过相等的面积。

（3）全部行星的轨道的半长轴的三次方跟公转周期的二次方的比值都相等。

二、万有引力定律1．内容：宇宙间的全部物体都是相互吸引的，两个物体间的引力大小，跟它们的质量的乘积成正比，跟它们的距离的平方成反比．2．公式：＝，此中＝6.67 ×10 －11F Gm1m2/r^2GN ·m 2 /kg 2，称为万有引力常量。

3．合用条件：严格地说公式只合用于质点间的相互作用，当两个物体间的距离远远大于物体自己的大小时，公式也可近似使用，但此时 r 应为两物体重心间的距离。

关于平均的球体，r 是两球心间的距离。

三、万有引力定律的应用1．解决天体 (卫星 )运动问题的基本思路(1)把天体 (或人造卫星 )的运动当作是匀速圆周运动，其所需向心力由万有引力供给，关系式：F＝Gm1m2/r^2＝mv^2/r＝mω2r＝m(2π/T)2r(2)在地球表面或地面邻近的物体所受的重力等于地球对物体的万有引力，即mg ＝ Gm1m2/r^2，gR2＝GM.2．天体质量和密度的估量经过察看卫星绕天体做匀速圆周运动的周期T，轨道半径r，由万有引力等于向心力，即G r2(Mm)＝m T2(4π2)r，得出天体质量 M ＝GT2(4π2r3).(1)若已知天体的半径 R，则天体的密度ρ＝V(M)＝πR3(4)＝GT2R3(3πr3)(2) 若天体的卫星环绕天体表面运动，其轨道半径r 等于天体半径 R，则天体密度ρ＝GT2(3π)可见，只需测出卫星环绕天体表面运动的周期，便可求得天体的密度．3．人造卫星(1)研究人造卫星的基本方法当作匀速圆周运动，其所需的向心力由万有引力提2供． G r2(Mm)＝ m r(v2)＝ mr ω2＝ m 4T2 r^2 ＝ ma 向．(2)卫星的线速度、角速度、周期与半径的关系①由 GMm/r^2＝ mv^2/r 得 v＝GM/r ，故 r 越大， v 越小②由 GMm/r^2＝ mr ω2得ω＝ GMm/r^3，故 r 越大，ω越小③由 GMm/r^2＝ m(4 π^2/T^2 )r 得 T＝42 r3GM，故r 越大，T越大(3)人造卫星的超重与失重①人造卫星在发射升空时，有一段加快运动；在返回地面时，有一段减速运动，这两个过程加快度方向均向上，因此都是超重状态。

微专题33 天体质量、密度和重力加速度[方法点拨] (1)考虑星球自转时星球表面上的物体所受重力为万有引力的分力；忽略自转时重力等于万有引力．(2)一定要区分研究对象是做环绕运动的天体，还是在星球表面上随星球一块自转的物体．做环绕运动的天体受到的万有引力全部提供向心力，星球表面上的物体受到的万有引力只有很少一部分用来提供向心力．1．(多选)(2017·河南安阳二模)“雪龙号”南极考察船在由我国驶向南极的过程中，经过赤道时测得某物体的重力是G 1；在南极附近测得该物体的重力为G 2；已知地球自转的周期为T ，引力常量为G ，假设地球可视为质量分布均匀的球体，由此可知( ) A ．地球的密度为3πG 1GT 2G 2－G 1B ．地球的密度为3πG 2GT 2G 2－G 1C ．当地球的自转周期为G 2－G 1G 2T 时，放在地球赤道地面上的物体不再对地面有压力 D ．当地球的自转周期为G 2－G 1G 1T 时，放在地球赤道地面上的物体不再对地面有压力 2．(多选)(2017·黑龙江哈尔滨模拟)假设地球可视为质量分布均匀的球体．已知地球表面重力加速度的大小在两极为g 0，在赤道为g ，地球的自转周期为T ，引力常量为G ，则( ) A ．地球的半径R ＝g 0－g T 24π2B ．地球的半径R ＝g 0T 24π2C ．假如地球自转周期T 增大，那么两极处重力加速度g 0值不变D ．假如地球自转周期T 增大，那么赤道处重力加速度g 值减小图13．(多选)(2017·山东潍坊一模)一探测器探测某星球表面时做了两次测量．探测器先在近星轨道上做圆周运动测出运行周期为T ；着陆后，探测器将一小球以不同的速度竖直向上抛出，测出了小球上升的最大高度h 与抛出速度v 的二次方的关系，如图1所示，图中a 、b 已知，引力常量为G ，忽略空气阻力的影响，根据以上信息可求得( ) A ．该星球表面的重力加速度为2b aB ．该星球的半径为bT 28a π2C ．该星球的密度为3πGT2D ．该星球的第一宇宙速度为4aT πb4．(2017·陕西西安二检)美国国家航天局(NASA)曾宣布在太阳系外发现“类地”行星Kepler －186f.假设宇航员乘坐宇宙飞船到达该行星，进行科学观测，该行星自转周期为T ；宇航员在该行星“北极”距该行星地面附近h 处自由释放一个小球(引力视为恒力)，落地时间为t .已知该行星半径为R ，万有引力常量为G ，则下列说法正确的是( ) A ．该行星的第一宇宙速度为πR TB ．该行星的平均密度为3h2πRGt2C ．宇宙飞船绕该星球做圆周运动的周期不大于πt2R hD ．如果该行星存在一颗同步卫星，其距行星表面高度为3hT 2R 22π2t25．(多选)(2017·安徽省十校联考)科学家们通过研究发现，地球的自转周期在逐渐增大，假设若干年后，地球自转的周期为现在的k 倍(k >1)，地球的质量、半径均不变，则下列说法正确的是( )A ．相同质量的物体，在地球赤道上受到的重力比现在的大B ．相同质量的物体，在地球赤道上受到的重力比现在的小C ．地球同步卫星的轨道半径为现在的k 23倍D ．地球同步卫星的轨道半径为现在的k 12倍6．(2017·广东惠州第三次调研)宇航员登上某一星球后，测得该星球表面的重力加速度是地球表面重力加速度的2倍，而该星球的平均密度与地球的差不多，则该星球的质量大约是地球质量的( )A ．0.5倍B ．2倍C ．4倍D ．8倍7．(多选)(2017·湖北七市联合考试)“嫦娥三号”携带“玉兔号”月球车首次实现月球软着陆和月面巡视勘察，并开展月表形貌与地质构造调查等科学探测．“玉兔号”在地球表面的重力为G 1，在月球表面的重力为G 2；地球与月球均视为球体，其半径分别为R 1、R 2；地球表面重力加速度为g .则( )A ．月球表面的重力加速度为G 1g G 2B ．月球与地球的质量之比为G 2R 22G 1R 12C ．月球与地球的第一宇宙速度之比为G 1R 1G 2R 2D ．“嫦娥三号”环绕月球表面做匀速圆周运动的周期为2πG 1R 2G 2g8．(2017·河南濮阳一模)探测火星一直是人类的梦想，若在未来某个时刻，人类乘飞船来到了火星，宇航员先乘飞船绕火星做圆周运动，测出飞船做圆周运动时离火星表面的高度为H ，环绕的周期为T 及环绕的线速度为v ，引力常量为G ，由此可得出( ) A ．火星的半径为vT2πB ．火星表面的重力加速度为2πTv 3vT －2πH2C ．火星的质量为Tv 22πGD ．火星的第一宇宙速度为4π2v 2T GvT －πH39．(多选)(2017·吉林公主岭一中模拟)最近，科学家在望远镜中看到太阳系外某一恒星有一行星，并测得它围绕该恒星运动一周所用的时间为1200年，它与该恒星的距离为地球到太阳距离的100倍．假定该行星绕恒星运行的轨道和地球绕太阳运行的轨道都是圆周．仅利用以上两个数据可以求出的量有( ) A ．恒量质量与太阳质量之比 B ．恒星密度与太阳密度之比 C ．行星质量与地球质量之比 D ．行星运行速度与地球公转速度之比10．(多选)(2017·吉林长春外国语学校模拟)宇宙飞船绕地心做半径为r 的匀速圆周运动，飞船舱内有一质量为m 的人站在可称体重的台秤上，用R 表示地球的半径，g 表示地球表面处的重力加速度，g 0表示宇宙飞船所在处的地球引力加速度，N 表示人对台秤的压力，则关于g 0、N 下面正确的是( ) A ．g 0＝0 B ．g 0＝R 2r2gC ．N ＝0D ．N ＝mg答案精析1．BC [设地球的质量为M ，半径为R ，被测物体的质量为m .经过赤道时：G Mm R 2＝G 1＋mR 4π2T2在南极附近时：G 2＝G Mm R 2，地球的体积为V ＝43πR 3地球的密度为ρ＝M V ，解得：ρ＝3πG 2GT 2G 2－G 1，故A 错误，B 正确；当放在地球赤道地面上的物体不再对地面有压力时：G 2＝mR ·4π2T ′2，所以：T ′＝G 2－G 1G 2T ，故C 正确，D 错误．] 2．AC [处在地球两极处的物体：mg 0＝GMm R 2① 在地球赤道上的物体：GMm R 2－mg ＝m 4π2T2R ②联立①②得：R ＝g 0－g T 24π2故A 正确，B 错误；由②式知，假如地球自转周期T 增大，赤道处重力加速度g 值增大，故D 错误；由①式知，两极处的重力加速度与地球自转周期无关，故C 正确．] 3．BC4．B [根据自由落体运动规律求得该星球表面的重力加速度g ＝2ht2则该星球的第一宇宙速度v ＝gR ＝2ht 2R ，故A 错误；根据万有引力提供做圆周运动的向心力，有：G Mm r 2＝mr 4π2T2可得宇宙飞船的周期T ＝4π2r3GM，可知轨道的半径越小，周期越小，宇宙飞船的最小轨道半径为R ，则周期最小值为T min ＝4π2R3GM＝4π2R3gR 2＝4π2R2ht 2＝πt2Rh，故C 错误．由G Mm R 2＝mg ＝m 2h t 2有：M ＝2hR 2Gt2，所以星球的密度ρ＝M V ＝2hR2Gt 243πR3＝3h2Gt 2R π，故B 正确；同步卫星的周期与星球的自转周期相同，故有：GMmR ＋H2＝m (R ＋H )4π2T 2，代入数据得：H ＝3hT 2R 22π2t2－R ，故D 错误．] 5．AC [在地球赤道处，物体受到的万有引力与重力之差提供向心力，则有：GMm R 2－mg ＝m 4π2T2R ，由于地球的质量、半径均不变，当周期T 增大时，地球赤道上的物体受到的重力增大，故A 正确，B 错误；对同步卫星，根据引力提供向心力，则有：GMm r 2＝m 4π2T 2r ，当周期T 增大到k 倍时，则同步卫星的轨道半径为现在的k 23倍，故C 正确，D 错误．]6．D7．BD [“玉兔号”的质量m ＝G 1g ，月球表面的重力加速度g 月＝G 2m ＝G 2gG 1，故A 错误；根据mg ＝G Mm R 2得M ＝gR 2G ，则M 月M 地＝g 月R 月2g 地R 地2＝G 2R 22G 1R 12，故B 正确；根据第一宇宙速度v ＝GM R ＝gR ，则v 月v 地＝g 月R 月g 地R 地＝G 2R 2G 1R 1，故C 错误；根据T ＝4π2R3GM，又GM ＝gR 2，所以“嫦娥三号”绕月球表面做匀速圆周运动的周期T ＝4π2R 月3g 月R 月2＝2πR 月g 月＝2πG 1R 2G 2g，故D 正确．] 8．B [飞船在离火星表面高度为H 处做匀速圆周运动，轨道半径为R ＋H ，根据：v ＝2πR ＋H T ，得R ＋H ＝vT 2π，故A 错误；根据万有引力提供向心力，有：GMmR ＋H2＝m ·4π2T 2(R ＋H )，得火星的质量为：M ＝4π2R ＋H3GT 2＝v 3T 2πG ，在火星的表面有：mg ＝GMm R2，所以：g ＝GM R 2＝2πTv 3vT －2πH2，故B 正确，C 错误；火星的第一宇宙速度为：v ＝GMR＝gR ＝2πTv 3vT －2πH 2vT2π－H＝Tv 3vT －2πH，故D 错误．]9．AD 10.BC。

2019年高考物理万有引力公式必背知识点
1.开普勒第三定律：T2/R3=K(=4π2/GM){R：轨道半径，T：周期，K：常量(与行星质量无关，取决于中心天体的质量)｝
2.万有引力定律：F=Gm1m2/r2 (G=6.67×10-11N m2/kg2，方向在它们的连线上)
3.天体上的重力和重力加速度：GMm/R2=mg;g=GM/R2 {R：天体半径(m)，M：天体质量(kg)｝
4.卫星绕行速度、角速度、周期：
V=(GM/r)1/2;ω=(GM/r3)1/2;T=2π(r3/GM)1/2{M：中心天体质量｝
5.第一(二、三)宇宙速度：V1=(g地r地)1/2=(GM/r
地)1/2=7.9km/s;V2=11.2km/s;V3=16.7km/s
6.地球同步卫星：GMm/(r地+h)2=m4π2(r地
+h)/T2{h&asymp;36000km，h：距地球表面的高度，r地：地球的半径｝
注：
(1)天体运动所需的向心力由万有引力提供，F向=F万;
(2)应用万有引力定律可估算天体的质量密度等;
(3)地球同步卫星只能运行于赤道上空，运行周期和地球自转周期相同;
(4)卫星轨道半径变小时，势能变小、动能变大、速度变大、周期变小(一同三反);
(5)地球卫星的最大环绕速度和最小发射速度均为7.9km/s。

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33 天体质量、密度和重力加速度[方法点拨] (1)考虑星球自转时星球表面上的物体所受重力为万有引力的分力；忽略自转时重力等于万有引力．(2)一定要区分研究对象是做环绕运动的天体，还是在星球表面上随星球一块自转的物体．做环绕运动的天体受到的万有引力全部提供向心力，星球表面上的物体受到的万有引力只有很少一部分用来提供向心力．1．(多选)(2017·河南安阳二模)“雪龙号”南极考察船在由我国驶向南极的过程中，经过赤道时测得某物体的重力是G 1；在南极附近测得该物体的重力为G 2；已知地球自转的周期为T ，引力常量为G ，假设地球可视为质量分布均匀的球体，由此可知( )A ．地球的密度为3πG 1GT 2(G 2－G 1)B ．地球的密度为3πG 2GT 2(G 2－G 1)C ．当地球的自转周期为G 2－G 1G 2T 时，放在地球赤道地面上的物体不再对地面有压力 D ．当地球的自转周期为G 2－G 1G 1T 时，放在地球赤道地面上的物体不再对地面有压力 2．(多选)(2017·黑龙江哈尔滨模拟)假设地球可视为质量分布均匀的球体．已知地球表面重力加速度的大小在两极为g 0，在赤道为g ，地球的自转周期为T ，引力常量为G ，则( ) A ．地球的半径R ＝(g 0－g )T24π2B ．地球的半径R ＝g 0T 24π2C ．假如地球自转周期T 增大，那么两极处重力加速度g 0值不变D ．假如地球自转周期T 增大，那么赤道处重力加速度g 值减小3．(多选)(2017·山东潍坊一模)一探测器探测某星球表面时做了两次测量．探测器先在近星轨道上做圆周运动测出运行周期为T ；着陆后，探测器将一小球以不同的速度竖直向上抛出，测出了小球上升的最大高度h 与抛出速度v 的二次方的关系，如图1所示，图中a 、b 已知，引力常量为G ，忽略空气阻力的影响，根据以上信息可求得( )图1A ．该星球表面的重力加速度为2baB ．该星球的半径为bT 28a π2C ．该星球的密度为3πGT2D ．该星球的第一宇宙速度为4aT πb4．(2017·陕西西安二检)美国国家航天局(NASA)曾宣布在太阳系外发现“类地”行星Kepler －186f.假设宇航员乘坐宇宙飞船到达该行星，进行科学观测，该行星自转周期为T ；宇航员在该行星“北极”距该行星地面附近h 处自由释放一个小球(引力视为恒力)，落地时间为t .已知该行星半径为R ，万有引力常量为G ，则下列说法正确的是( ) A ．该行星的第一宇宙速度为πRTB ．该行星的平均密度为3h2πRGt2C ．宇宙飞船绕该星球做圆周运动的周期不大于πt2R hD ．如果该行星存在一颗同步卫星，其距行星表面高度为3hT 2R 22π2t2 5．(多选)(2017·安徽省十校联考)科学家们通过研究发现，地球的自转周期在逐渐增大，假设若干年后，地球自转的周期为现在的k 倍(k >1)，地球的质量、半径均不变，则下列说法正确的是( )A ．相同质量的物体，在地球赤道上受到的重力比现在的大B ．相同质量的物体，在地球赤道上受到的重力比现在的小C ．地球同步卫星的轨道半径为现在的k 23倍D ．地球同步卫星的轨道半径为现在的k 12倍6．(2017·广东惠州第三次调研) 宇航员登上某一星球后，测得该星球表面的重力加速度是地球表面重力加速度的2倍，而该星球的平均密度与地球的差不多，则该星球的质量大约是地球质量的( )A ．0.5倍B ．2倍C ．4倍D ．8倍7．(多选)(2017·湖北七市联合考试)“嫦娥三号”携带“玉兔号”月球车首次实现月球软着陆和月面巡视勘察，并开展月表形貌与地质构造调查等科学探测．“玉兔号”在地球表面的重力为G 1，在月球表面的重力为G 2；地球与月球均视为球体，其半径分别为R 1、R 2；地球表面重力加速度为g .则( )A ．月球表面的重力加速度为G 1g G 2B ．月球与地球的质量之比为 G 2R 22G 1R 12C ．月球与地球的第一宇宙速度之比为G 1R 1G 2R 2D ．“嫦娥三号”环绕月球表面做匀速圆周运动的周期为2πG 1R 2G 2g8．(2017·河南濮阳一模)探测火星一直是人类的梦想，若在未来某个时刻，人类乘飞船来到了火星，宇航员先乘飞船绕火星做圆周运动，测出飞船做圆周运动时离火星表面的高度为H ，环绕的周期为T 及环绕的线速度为v ，引力常量为G ，由此可得出( )A ．火星的半径为vT2πB ．火星表面的重力加速度为2πTv3(vT －2πH )2C ．火星的质量为Tv 22πGD ．火星的第一宇宙速度为4π2v 2TG (vT －πH )39．(多选)(2017·吉林公主岭一中模拟)最近，科学家在望远镜中看到太阳系外某一恒星有一行星，并测得它围绕该恒星运动一周所用的时间为1 200年，它与该恒星的距离为地球到太阳距离的100倍．假定该行星绕恒星运行的轨道和地球绕太阳运行的轨道都是圆周．仅利用以上两个数据可以求出的量有( ) A ．恒量质量与太阳质量之比 B ．恒星密度与太阳密度之比 C ．行星质量与地球质量之比 D ．行星运行速度与地球公转速度之比10．(多选)(2017·吉林长春外国语学校模拟)宇宙飞船绕地心做半径为r 的匀速圆周运动，飞船舱内有一质量为m 的人站在可称体重的台秤上，用R 表示地球的半径，g 表示地球表面处的重力加速度，g 0表示宇宙飞船所在处的地球引力加速度，F N 表示人对台秤的压力，则关于g 0、F N 下面正确的是( ) A ．g 0＝0 B ．g 0＝R 2r2gC ．F N ＝0D ．F N ＝mg答案精析1．BC [设地球的质量为M ，半径为R ，被测物体的质量为m .经过赤道时：G Mm R 2＝G 1＋mR 4π2T2在南极附近时：G 2＝G Mm R 2，地球的体积为V ＝43πR 3地球的密度为ρ＝M V ，解得：ρ＝3πG 2GT 2(G 2－G 1)，故A 错误，B 正确；当放在地球赤道地面上的物体不再对地面有压力时：G 2＝mR ·4π2T ′2，所以：T ′＝G 2－G 1G 2T ，故C 正确，D 错误．] 2．AC [处在地球两极处的物体：mg 0＝GMm R 2① 在地球赤道上的物体：GMm R 2－mg ＝m 4π2T2R ②联立①②得：R ＝(g 0－g )T24π2故A 正确，B 错误；由②式知，假如地球自转周期T 增大，赤道处重力加速度g 值增大，故D 错误；由①式知，两极处的重力加速度与地球自转周期无关，故C 正确．] 3．BC4．B [根据自由落体运动规律求得该星球表面的重力加速度g ＝2ht2则该星球的第一宇宙速度v ＝gR ＝2ht 2R ，故A 错误；根据万有引力提供做圆周运动的向心力，有：G Mm r 2＝mr 4π2T2可得宇宙飞船的周期T ＝4π2r3GM，可知轨道的半径越小，周期越小，宇宙飞船的最小轨道半径为R ，则周期最小值为T min ＝4π2R3GM＝4π2R3gR 2＝4π2R2ht 2＝πt2Rh，故C 错误．由G Mm R 2＝mg ＝m 2h t 2有：M ＝2hR 2Gt2，所以星球的密度ρ＝M V ＝2hR2Gt 243πR3＝3h2Gt 2R π，故B 正确；同步卫星的周期与星球的自转周期相同，故有：G Mm (R ＋H )2＝m (R ＋H )4π2T 2，代入数据得：H ＝3hT 2R 22π2t2－R ，故D 错误．] 5．AC [在地球赤道处，物体受到的万有引力与重力之差提供向心力，则有：GMm R 2－mg ＝m 4π2T2R ，由于地球的质量、半径均不变，当周期T 增大时，地球赤道上的物体受到的重力增大，故A 正确，B 错误；对同步卫星，根据引力提供向心力，则有：GMm r 2＝m 4π2T2r ，当周期T 增大到k 倍时，则同步卫星的轨道半径为现在的23k 倍，故C 正确，D 错误．] 6．D7．BD [“玉兔号”的质量m ＝G 1g ，月球表面的重力加速度g 月＝G 2m ＝G 2gG 1，故A 错误；根据mg ＝G Mm R 2得M ＝gR 2G ，则M 月M 地＝g 月R 月2g 地R 地2＝G 2R 22G 1R 12，故B 正确；根据第一宇宙速度v ＝GMR＝gR ，则v 月v 地＝g 月R 月g 地R 地＝G 2R 2G 1R 1，故C 错误；根据T ＝4π2R3GM，又GM ＝gR 2，所以“嫦娥三号”绕月球表面做匀速圆周运动的周期T ＝4π2R 月3g 月R 月2＝2πR 月g 月＝2π G 1R 2G 2g，故D 正确．] 8．B [飞船在离火星表面高度为H 处做匀速圆周运动，轨道半径为R ＋H ，根据：v ＝2π(R ＋H )T，得R ＋H ＝vT2π，故A 错误；根据万有引力提供向心力，有：GMm (R ＋H )2＝m ·4π2T 2(R ＋H )，得火星的质量为：M ＝4π2(R ＋H )3GT 2＝v 3T 2πG ，在火星的表面有：mg ＝GMm R 2，所以：g ＝GM R 2＝2πTv3(vT －2πH )2，故B 正确，C 错误；火星的第一宇宙速度为：v ＝GMR ＝gR ＝2πTv 3(vT －2πH )2(vT2π－H )＝Tv 3vT －2πH，故D 错误．]9．AD 10.BC。

可编辑修改精选全文完整版高考物理万有引力定律的应用真题汇编(含答案)一、高中物理精讲专题测试万有引力定律的应用1．假设在半径为R 的某天体上发射一颗该天体的卫星，若这颗卫星在距该天体表面高度为h 的轨道做匀速圆周运动,周期为T ，已知万有引力常量为G ，求: (1)该天体的质量是多少? (2)该天体的密度是多少?(3)该天体表面的重力加速度是多少? (4)该天体的第一宇宙速度是多少?【答案】(1)2324()R h GT π+； (2)3233()R h GT R π+；(3)23224()R h R T π+；【解析】 【分析】（1）卫星做匀速圆周运动，万有引力提供向心力，根据牛顿第二定律列式求解； （2）根据密度的定义求解天体密度；（3）在天体表面，重力等于万有引力，列式求解； （4）该天体的第一宇宙速度是近地卫星的环绕速度． 【详解】（1）卫星做匀速圆周运动,万有引力提供向心力，根据牛顿第二定律有:G 2()Mm R h +=m 22T π⎛⎫ ⎪⎝⎭(R+h) 解得：M=2324()R h GTπ+ ① （2）天体的密度：ρ=M V =23234()43R h GT R ππ+=3233()R h GT R π+． （3）在天体表面，重力等于万有引力，故: mg=G2MmR ② 联立①②解得：g=23224()R h R Tπ+ ③ （4）该天体的第一宇宙速度是近地卫星的环绕速度，根据牛顿第二定律，有：mg=m 2v R④联立③④解得：【点睛】本题关键是明确卫星做圆周运动时，万有引力提供向心力，而地面附近重力又等于万有引力，基础问题．2．某航天飞机在地球赤道上空飞行，轨道半径为r ，飞行方向与地球的自转方向相同，设地球的自转角速度为ω0，地球半径为R ，地球表面重力加速度为g ，在某时刻航天飞机通过赤道上某建筑物的上方，求它下次通过该建筑物上方所需的时间．【答案】t =或者t =【解析】 【分析】 【详解】试题分析：根据人造卫星的万有引力等于向心力，列式求出角速度的表达式，卫星再次经过某建筑物的上空，比地球多转动一圈．解：用ω表示航天飞机的角速度，用m 、M 分别表示航天飞机及地球的质量，则有22MmGmr rω= 航天飞机在地面上，有2mMG Rmg =联立解得ω=若ω>ω0，即飞机高度低于同步卫星高度，用t 表示所需时间，则ωt －ω0t ＝2π所以t =若ω<ω0，即飞机高度高于同步卫星高度，用t 表示所需时间，则ω0t －ωt ＝2π所以t =． 点晴：本题关键：（1）根据万有引力提供向心力求解出角速度；（2）根据地球表面重力等于万有引力得到重力加速度表达式；（3）根据多转动一圈后再次到达某建筑物上空列式．3．在地球上将一轻弹簧竖直固定在水平桌面上，把质量为m 的物体P 置于弹簧上端，用力压到弹簧形变量为3x 0处后由静止释放，从释放点上升的最大高度为4.5x 0，上升过程中物体P 的加速度a 与弹簧的压缩量x 间的关系如图中实线所示。

天体表面重力加速度问题与天体质量和密度的估算一、天体表面上的重力加速度问题重力是由于物体受到地球的万有引力而产生的，严格说重力只是万有引力的一个分力，另一个分力提供物体随地球自转做圆周运动的向心力，但由于向心力很小，一般情况下认为重力约等于万有引力，即mg＝GMmR2，这样重力加速度就与行星质量、半径联系在一起，高考也多次在此命题。

计算重力加速度的方法(1)在地球表面附近的重力加速度g(不考虑地球自转)：mg＝GmMR2，得g＝GMR2(2)在地球上空距离地心r＝R＋h处的重力加速度为g′，mg′＝GmMR＋h2，得，g′＝GMR＋h2所以gg′＝R＋h2R2(3)其他星球上的物体，可参考地球上的情况做相应分析．【典例1】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.GMR＋h2C.GMmR＋h2D.GMh2【解析】飞船受的万有引力等于在该处所受的重力，即GMmR＋h2＝mg，得g＝GMR＋h2，选项B正确。

【答案】 B【典例2】假设有一火星探测器升空后，先在地球表面附近以线速度v环绕地球飞行，再调整速度进入地火转移轨道，最后以线速度v′在火星表面附近环绕火星飞行。

若认为地球和火星都是质量分布均匀的球体，已知火星与地球的半径之比为1∶2，密度之比为5∶7。

设火星与地球表面的重力加速度分别为g′和g。

下列结论正确的是()A．g′∶g＝1∶4 B．g′∶g＝7∶10C．v′∶v＝528D．v′∶v＝514【答案】 C【典例3】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( )A.12RB.72R C ．2R D.72R 【答案】 C【解析】 做平抛运动的物体在水平方向上做匀速直线运动，即x ＝v 0t ，在竖直方向上做自由落体运动，即h ＝12gt 2，所以x ＝v 02hg ，两种情况下，物体抛出的速度相同，高度相同，所以g 行g 地＝74，根据公式G Mm R 2＝mg 可得g ＝GMR 2，故g 行g 地＝M 行R 行2M 地R 地2＝74，解得R 行＝2R ，故C 正确。

天体表面重力加速度问题与天体质量和密度的估算一、天体表面上的重力加速度问题重力是由于物体受到地球的万有引力而产生的，严格说重力只是万有引力的一个分力，另一个分力提供物体随地球自转做圆周运动的向心力，但由于向心力很小，一般情况下认为重力约等于万有引力，即mg＝GMmR2，这样重力加速度就与行星质量、半径联系在一起，高考也多次在此命题。

计算重力加速度的方法(1)在地球表面附近的重力加速度g(不考虑地球自转)：mg＝GmMR2，得g＝GMR2(2)在地球上空距离地心r＝R＋h处的重力加速度为g′，mg′＝GmMR＋h2，得，g′＝GMR＋h2所以gg′＝R＋h2R2(3)其他星球上的物体，可参考地球上的情况做相应分析．【典例1】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.GMR＋h2C.GMmR＋h2D.GMh2【解析】飞船受的万有引力等于在该处所受的重力，即GMmR＋h2＝mg，得g＝GMR＋h2，选项B正确。

【答案】 B【典例2】假设有一火星探测器升空后，先在地球表面附近以线速度v环绕地球飞行，再调整速度进入地火转移轨道，最后以线速度v′在火星表面附近环绕火星飞行。

若认为地球和火星都是质量分布均匀的球体，已知火星与地球的半径之比为1∶2，密度之比为5∶7。

设火星与地球表面的重力加速度分别为g′和g。

下列结论正确的是()A．g′∶g＝1∶4 B．g′∶g＝7∶10C．v′∶v＝528D．v′∶v＝514【答案】 C【典例3】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( )A.12RB.72R C ．2R D.72R 【答案】 C【解析】 做平抛运动的物体在水平方向上做匀速直线运动，即x ＝v 0t ，在竖直方向上做自由落体运动，即h ＝12gt 2，所以x ＝v 02hg ，两种情况下，物体抛出的速度相同，高度相同，所以g 行g 地＝74，根据公式G Mm R 2＝mg 可得g ＝GMR 2，故g 行g 地＝M 行R 行2M 地R 地2＝74，解得R 行＝2R ，故C 正确。

第五讲：万有引力一、应用万有引力定律求天体质量1．“g 、R ”法：已知天体表面的重力加速度g 和天体半径R . (1)由G Mm R 2＝mg ，得天体质量M ＝gR 2G .（黄金代换式GM ＝gR 2）(2)天体密度ρ＝M V ＝M 43πR 3＝3g4πGR.2．“T 、r ”法：测出卫星绕中心天体做匀速圆周运动的半径r 和周期T . (1)由GMm r 2＝m 4π2T 2r ，得M ＝4π2r 3GT2.(2)若已知天体的半径R ，则天体的密度：ρ＝M V ＝M 43πR 3＝3πr 3GT 2R 3. 二、应用万有引力分析天体的运动1、天体做匀速圆周运动：把天体（或人造卫星）的运动看成是匀速圆周运动，其所需向心力由 提供。

公式为：ma r T m r m r v m rMm G ====2222)2(πω推导天体（如卫星）运动的线速度、角速度、周期与轨道半径r 的关系2、天体沿椭圆轨道运动：行星从A ―→B―→C 的过程中，引力与速度的夹角大于90o ，引力使速率逐渐变 小 ，行星从C ―→D ―→A 的过程中，引力与速度的夹角小于90o，引力使速率逐渐变 大 ，所以行星在沿椭圆轨道运动时做变速运动，在离太阳比较近的A 点时的运动速度最 大 ，在离太阳较远时的C 点时的运动速度最 小 。

三、 人造卫星1. 宇宙速度①第一宇宙速度(环绕速度)：即卫星绕地球表面做匀速圆周时的速度，由,r v m rMm G 22=或r v m mg 2=得km/s 109.73⨯===gR R GM v （R 是地球半径）。

这是人造地球卫星的最小 发射 速度，也是人造地球卫星环绕地球运行的最大 环绕 速度。

② 第二宇宙速度：11.2km/s （脱离速度） ③ 第三宇宙速度：16.7km/s （逃逸速度） 2. 近地卫星所谓近地卫星，是指卫星的运行轨道半径等于地球的半径，卫星做匀速圆周运动的向心力由万有引力提供。