高考物理二轮复习十大热门考点专项突破 专题06 万有引力定律的应用练习-人教版高三全册物理试题.doc

专题06 万有引力定律的应用热点分析万有引力和天体运动，几乎年年都考，以选择题形式出现的情况居多由于近年来世界各国空间科技力量的竞争日趋激烈，特别是我国“神舟”系列飞船的成功发射和接收以及“嫦娥探月”工程的成功，可能会使万有引力、天体运动的知识成为一个特别的考查热点，尤其是卫星的变轨问题值得关注卫星变轨问题攻略经典例题例题涵盖了万有引力定律与开普勒定律、中心天体质量和密度的测量、双星问题、三星和多星的运动问题、卫星的发射和回收、宇宙速度、航天和宇宙探测万有引力定律与开普勒定律例1、(2018·广东第二次大联考)已知一质量为m的物体分别静止在北极与赤道时对地面的压力差为N，假设地球是质量分布均匀的球体，半径为R。则地球的自转周期为()AT2 BT2 CT2 DT2 【参考答案】A例2 (2018·安徽名校质检)如图1是2015年9月3日北京天安门大阅兵我军展示的东风41洲际弹道导弹，它是目前我国军方对外公布的战略核导弹系统中的最先进系统之一。如图2所示，从地面上A点发射一枚中远程地对地导弹，在引力作用下沿ACB椭圆轨道飞行击中地面目标B，C为轨道的远地点，距地面高度为h。已知地球半径为R，地球质量为M，引力常量为G，不计空气阻力。下列结论中正确的是()A导弹在运动过程中只受重力作用，做匀变速曲线运动B导弹在C点的加速度等于C地球球心为导弹椭圆轨道的一个焦点D导弹从A点到B点的时间可能比近地卫星的周期小【参考答案】BCD例3.（2016·北京海淀模拟）万有引力定律揭示了天体运动规律与地上物体运动规律具有内在的一致性。（1）用弹簧秤称量一个相对于地球静止的小物体的重量，随称量位置的变化可能会有不同的结果。已知地球质量为M，自转周期为T，万有引力常量为G。将地球看作是半径为R、质量均匀分布的球体，不考虑空气的影响。设在地球北极地面称量时，弹簧秤的读数是F0。a若在北极上空高出地面h处称量，弹簧秤读数为F1，求比值的表达式，并就h=1.0%R的情形计算出具体数值（计算结果保留两位有效数字）；b若在赤道地面称量，弹簧秤读数为F2，求比值的表达式。（2）设想地球绕太阳公转的圆周轨道半径为r、太阳的半径Rs和地球的半径R三者均减小为现在的1.0%，而太阳和地球的密度不变均匀且不变，仅考虑太阳和地球之间的相互作用，以现在地球的1年为标准，计算“设想地球”的一年将变为多长？ (3) 根据万有引力定律和牛顿第二定律可得，G =mr而太阳质量M=Rs3，解得周期T=。式中为太阳的密度。由上式可知，地球公转周期TE仅与太阳的密度、地球公转轨道半径与太阳半径之比有关，因此三者均减小为现在的1.0%，地球公转周期T不变，即仍为1地球年。中心天体质量和密度的测量例4（2019广东惠州调研）科学家发现了一颗距离地球14光年的“另一个地球”沃尔夫，它是迄今为止在太阳系外发现的距离最近的宜居星球。沃尔夫的质量为地球的4倍，它围绕红矮星运行的周期为18天。设想从地球发射一颗科学探测卫星围绕沃尔夫表面运行。已知万有引力常量为G，天体的环绕运动可看作匀速圆周运动。则下列说法正确的是 A从地球发射该探测卫星的速度应该小于第三宇宙速度B根据沃尔夫围绕红矮星运行的运动周期可求出红矮星的密度C若已知围绕沃尔夫表面运行的探测卫星的周期和地球的质量，可近似求沃尔夫半径D沃尔夫绕红矮星公转和地球绕太阳公转的轨道半径的三次方之比等于【参考答案】 C【命题意图】本题考查万有引力定律、宇宙速度及其相关知识点。【知识辨析】第一宇宙速度7.9km/s，是从地面发射卫星所需要的最小速度，由于卫星围绕地球运动的线速度与轨道半径有关，轨道半径越大，其线速度越小，所以7.9km/s也是卫星环绕地球做匀速圆周运动的最大速度；第二宇宙速度11.2km/s是人造天体脱离地球引力束缚所需的最小速度；第三宇宙速度16.7km/s是从地球起飞脱离太阳系的最低的飞行速度卫星。凡是在地面上发射围绕地球运动的航天器，其发射速度一定大于7.9km/s，小于11.2km/s；发射脱离地球引力范围，但是还在太阳系里运行的航天器其发射速度必须大于11.2km/s，小于16.7km/s；凡是发射脱离太阳引力范围的航天器，其发射速度一定大于16.7km/s。例5.（2018高考全国II）2018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 BC D【参考答案】C【名师解析】根据及得，代入数据得例6（2016石家庄一模）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：若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，地球可视为质量均匀分布的球体。求：(1)地球半径R；(2)地球的平均密度；(3)若地球自转速度加快，当赤道上的物体恰好能“飘”起来时，求地球自转周期T'。（3）赤道上的物体恰好能飘起来，物体受到的万有引力恰好提供向心力， 由牛顿第二定律可得：解得：双星问题例7（2018高考全国I）2017年，人类第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波。根据科学家们复原的过程，在两颗中子星合并前约100 s时，它们相距约400 km，绕二者连线上的某点每秒转动12圈，将两颗中子星都看作是质量均匀分布的球体，由这些数据、万有引力常量并利用牛顿力学知识，可以估算出这一时刻两颗中子星A质量之积 B质量之和 C速率之和 D各自的自转角速度【参考答案】BC 三星和多星的运动问题例8（2015·安徽）由三颗星体构成的系统，忽略其它星体对它们的作用，存在着一种运动形式：三颗星体在相互之间的万有引力作用下，分别位于等边三角形的三个顶点上，绕某一共同的圆心O在三角形所在的平面内做相同角速度的圆周运动（图6示为A、B、C三颗星体质量不相同时的一般情况）。若A星体质量为2m，B、C两星体的质量均为m，三角形的边长为a，求：（1）A星体所受合力大小FA；（2）B星体所受合力大小FB；（3）C星体的轨道半径RC；（4）三星体做圆周运动的周期T。【名师解析】（1）由万有引力定律，A星体所受B、C星体的引力大小为：FBA=G = G= FCA。方向如图4J。则合力的大小为：FA=2FBA cos30°=2 G。（3）通过分析可知，圆心O在中垂线AD的中点，RC= =a。（4）三星体运动周期相同，对C星体，由FC= FB= G=mRC 解得：T= 。卫星的发射和回收例9.(2017·全国卷，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【参考答案】C宇宙速度例10（2018河北衡水中学六调）使物体成为卫星的最小发射速度称为第一宇宙速度v1，而使物体脱离星球引力所需要的最小发射速度称为第二宇宙速度v2， v2与v1的关系是v2=v1。已知某星球半径是地球半径R的，其表面的重力加速度是地球表面重力加速度g的，地球的平均密度为，不计其他星球的影响，则A该星球上的第一宇宙速度为 B该星球上的第二宇宙速度为C该星球的平均密度为D该星球的质量为【参考答案】BC 【命题意图】本题考查万有引力定律、宇宙速度、密度及其相关的知识点。航天和宇宙探测例11（2018山西吕梁市孝义市一模）所谓“深空探测”是指航天器脱离地球引力场，进入太阳系空间或更远的宇宙空间进行探测，现在世界范围内的深空探测主要包括对月球、金星、火星、木星等太阳系星体的探测。继对月球进行深空探测后，2018年左右我国将进行第一次火星探测。图示为探测器在火星上着陆最后阶段的模拟示意图。首先在发动机作用下，探测器受到推力作用在距火星表面一定高度处（远小于火星半径）悬停；此后发动机突然关闭，探测器仅受重力下落2t0时间（未着地），然后重新开启发动机使探测器匀减速下降，经过时间t0，速度为0时探测器恰好到达火星表面。已知探测器总质量为m（不计燃料燃烧引起的质量变化），地球和火星的半径的比值为k1，质量的比值为k2，地球表面附近的重力加速度为g，求：（1）探测器悬停时发动机对探测器施加的力。（2）探测器悬停时具有的重力势能（火星表面为零势能面）。【分析】（1）在行星表面，重力等于万有引力，据此列式求解星球表面重力加速度；然后根据平衡条件列式求解；（2）根据牛顿第二定律和运动学公式列式求解高度h，然后根据重力势能的定义求解重力势能表达式。（2）设重新开启发动机时探测器速度为v，则v=2 gt0，所以探测器悬停时距火星表面高度h=3 t0，解得：h=gt02，探测器悬停时具有的重力势能Ep=mgh=；答：（1）探测器悬停时发动机对探测器施加的力为mg。（2）探测器悬停时具有的重力势能为。练兵场1.（2018徐州期中）牛顿在思考万有引力定律时就曾想，把物体从高山上水平抛出，速度一次比一次大， 落点一次比一次远。如果速度足够大，物体就不再落回地面，它将绕地球运动，成为人造地球卫星。如图所示是牛顿设想的一颗卫星，它沿椭圆轨道运动。下列说法正确的是A.地球的球心与椭圆的中心重合B.卫星在近地点的速率小于在远地点的速率C.卫星在远地点的加速度小于在近地点的加速度D.卫星与椭圆中心的连线在相等的时间内扫过相等的面积2.(2017·江西重点中学联考)下列说法正确的是()A.伽利略发现了万有引力定律，并测得了引力常量B.根据表达式FG可知，当r趋近于零时，万有引力趋近于无穷大C.在由开普勒第三定律得出的表达式k中，k是一个与中心天体有关的常量D.两物体间的万有引力总是大小相等、方向相反，是一对平衡力3.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14，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.gg15 B.gg52C.M星M地120 D.M星M地1804.(2017·北京理综，17)利用引力常量G和下列有关数据，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5(2016·河北沧州高三月考)如图所示，在1687年出版的自然哲学的数学原理一书中，牛顿设想，抛出速度很大时，物体就不会落回地面。已知地球半径为R，月球绕地球公转的轨道半径为n2R，周期为T，不计空气阻力，为实现牛顿设想，抛出速度至少为()A. B.C. D.6(2016·江西八校联考)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()A40 kg B50 kg C60 kg D30 kg7（2014海南）.设地球自转周期为T，质量为M，引力常量为G。假设地球可视为质量均匀分布的球体，半径为R。同一物体在南极和赤道水平面上静止时所受到的支持力之比为A BC D8.(2009·全国理综2)如图7-2，P、Q为某地区水平地面上的两点，在P点正下方一球形区域内储藏有石油，假定区域周围岩石均匀分布，密度为；石油密度远小于，可将上述球形区域视为空腔。如果没有这一空腔，则该地区重力加速度（正常值）沿竖直方向；当存在空腔时，该地区重力加速度的大小和方向会与正常情况有微小偏高。重力加速度在原竖直方向（即PO方向）上的投影相对于正常值的偏离叫做“重力加速度反常”。为了探寻石油区域的位置和石油储量，常利用P点附近重力加速度反常现象。已知引力常数为G。（1）设球形空腔体积为V，球心深度为d（远小于地球半径），=x，求空腔所引起的Q点处的重力加速度反常。（2）若在水平地面上半径L的范围内发现：重力加速度反常值在与k（k>1）之间变化，且重力加速度反常的最大值出现在半径为L的范围的中心,如果这种反常是由于地下存在某一球形空腔造成的，试求此球形空腔球心的深度和空腔的体积。9(2018·邢台模拟)为研究太阳系内行星的运动，需要知道太阳的质量，已知地球半径为R，地球质量为m，太阳与地球中心间距为r，地球表面的重力加速度为g，地球绕太阳公转的周期为T。则太阳的质量为()A. B.C. D.10（2016湖南十三校联考）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，用弹簧称称量一个质量为m的砝码读数为N。已知引力常量为G。则下列计算中错误的是：A该行星的质量为 B该行星的半径为 C该行星的密度为 D在该行星的第一宇宙速度为11(2016·河北百校联考)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2 kg月球样品。某同上得到一些信息，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R0月球表面处的重力加速度g0地球和月球的半径之比4地球表面和月球表面的重力加速度之比6A. B. C4 D612(2016·河南郑州高三月考)中国首台探月车“玉兔号”的成功探月，激发起无数中国人对月球的热爱。根据报道：月球表面的重力加速度为地球表面的，月球半径为地球的，则根据以上数据分析可得()A绕月球表面飞行的卫星与绕地球表面飞行的卫星的周期之比为32B绕月球表面飞行的卫星与绕地球表面飞行的卫星的向心加速度之比为16C月球与地球的质量之比为196D月球与地球的密度之比为2313（2016湖南十三校联考）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，用弹簧称称量一个质量为m的砝码读数为N。已知引力常量为G。则下列计算中错误的是：A该行星的质量为 B该行星的半径为 C该行星的密度为 D在该行星的第一宇宙速度为14(2016·河南郑州高三月考)中国首台探月车“玉兔号”的成功探月，激发起无数中国人对月球的热爱。根据报道：月球表面的重力加速度为地球表面的，月球半径为地球的，则根据以上数据分析可得()A绕月球表面飞行的卫星与绕地球表面飞行的卫星的周期之比为32B绕月球表面飞行的卫星与绕地球表面飞行的卫星的向心加速度之比为16C月球与地球的质量之比为196D月球与地球的密度之比为2315(2018·南昌一模)火星被认为是太阳系中最有可能存在地外生命的行星，对人类来说充满着神秘。为了更进一步探究火星，发射一颗火星的同步卫星，已知火星的质量为地球质量的p倍，火星自转周期与地球自转周期相同，均为T，地球表面的重力加速度为g，地球的半径为R，则火星的同步卫星与火星中心的距离为()A. B. C. D. 16.(2016·湖北黄冈高三月考)两个靠近的天体称为双星，它们以两者连线上某点O为圆心做匀速圆周运动，其质量分别为m1、m2，如图所示，以下说法正确的是()A线速度与质量成反比B线速度与质量成正比C向心力与质量的乘积成反比D轨道半径与质量成正比17.（2016辽宁丹东模拟）2016年2月11日，美国科学家宣布探测到引力波的存在，引力波的发现将为人类探索宇宙提供新视角。在如图所示的双星系统中，A、B两个恒星靠着相互之间的引力正在做匀速圆周运动，已知恒星A的质量为太阳质量的29倍，恒星B的质量为太阳质量的36倍，两星之间的距离L=2×105m，太阳质量M=2×1030kg，万有引力常量G=6.67×10-11N·m2kg2。若两星在环绕过程中会辐射出引力波，该引力波的频率与两星做圆周运动的频率具有相同的数量级，则根据题目所给信息估算该引力波频率的数量级是A102Hz B104Hz C106Hz D108Hz18 .2015年4月，科学家通过欧航局天文望远镜在一个河外星系中，发现了一对相互环绕旋转的超大质量双黑洞系统，如图所示。这也是天文学家首次在正常星系中发现超大质量双黑洞。这对验证宇宙学与星系演化模型、广义相对论在极端条件下的适应性等都具有十分重要的意义。我国今年底也将发射全球功能最强的暗物质探测卫星。若图中双黑洞的质量分别为M1和M2，它们以两者连线上的某一点为圆心做匀速圆周运动。根据所学知识，下列选项正确的是()A.双黑洞的角速度之比12M2M1B.双黑洞的轨道半径之比r1r2M2M1C.双黑洞的线速度之比v1v2M1M2D.双黑洞的向心加速度之比a1a2M1M219（2018广东湛江质检）.三颗相同的质量都是M的星球位于边长为L的等边三角形的三个顶点上。如果它们中的每一颗都在相互的引力作用下沿外接于等边三角形的圆轨道运行而保持等边三角形不变，下列说法正确的是A其中一个星球受到另外两个星球的万有引力的合力大小为B其中一个星球受到另外两个星球的万有引力的合力指向圆心O C它们运行的轨道半径为LD它们运行的速度大小为20(2017·广州执信中学检测)(多选)太空中存在一些离其他恒星较远的、由质量相等的三颗星组成的三星系统，通常可忽略其他星体对它们的引力作用。已观测到稳定的三星系统存在两种基本的构成形式(如图9)：一种是三颗星位于同一直线上，两颗星围绕中央星在同一半径为R的圆轨道上运行；另一种形式是三颗星位于等边三角形的三个顶点上，并沿外接于等边三角形的圆形轨道运行。设这三颗星的质量均为M，并设两种系统的运动周期相同，则()图9A.直线三星系统中甲星和丙星的线速度相同B.直线三星系统的运动周期T4RC.三角形三星系统中星体间的距离LRD.三角形三星系统的线速度大小为21(2016·苏北五校联考)某同学学习了天体运动的知识后，假想宇宙中存在着由四颗星组成的孤立星系如图所示，一颗母星处在正三角形的中心，三角形的顶点各有一颗质量相等的小星围绕母星做圆周运动如果两颗小星间的万有引力为F，母星与任意一颗小星间的万有引力为9F.则()A每颗小星受到的万有引力为(9)FB每颗小星受到的万有引力为FC母星的质量是每颗小星质量的2倍D母星的质量是每颗小星质量的3 倍22(2016·西安联考)如图，甲、乙、丙是位于同一直线上的离其他恒星较远的三颗恒星，甲、丙围绕乙在半径为R的圆轨道上运行，若三颗星质量均为M，引力常量为G，则()A甲星所受合外力为B乙星所受合外力为C甲星和丙星的线速度相同D甲星和丙星的角速度相同1.【参考答案】.C【名师解析】地球的球心与椭圆的焦点重合，选项A错误；根据卫星运动过程中机械能守恒（动能和引力势能之和保持不变），卫星在近地点的动能大于在远地点的动能，根据动能公式，卫星在近地点的速率大于在远地点的速率，选项B错误；根据万有引力定律和牛顿运动定律，卫星在远地点的加速度小于在近地点的加速度，选项C正确；根据开普勒定律，卫星与地球中心的连线在相等的时间内扫过相等的面积，选项D错误。2【参考答案】C3【参考答案】AD【名师解析】由速度对称性知竖直上抛的小球在空中运动时间t，因此得，选项A正确，B错误；由Gmg得M，因而×，选项C错误，D正确。4【参考答案】D【名师解析】因为不考虑地球的自转，所以卫星的万有引力等于重力，即mg，得M地，所以据A中给出的条件可求出地球的质量；根据m卫和T，得M地，所以据B中给出的条件可求出地球的质量；根据m月r，得M地，所以据C中给出的条件可求出地球的质量；根据m地r，得M太，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，本题答案为D。5【参考答案】D【名师解析】根据万有引力提供向心力，即m，rn2R，在地球表面附近，万有引力等于重力得：Gm，又rn2R，联立解得，v。6【参考答案】A7【参考答案】A8【名师解析】【分析】利用万有引力定律等于重力及其相关知识列方程解答。g在数值上等于由于存在球形空腔所引起的Q点处重力加速度改变的大小。Q点处重力加速度改变的方向沿OQ方向，重力加速度反常g是这一改变在竖直方向上的投影 联立式得 （2）由式得，重力加速度反常g的最大值和最小值分别为 由题设有：(g)max=k，(g)min=， 联立式得，地下球形空腔球心的深度和空腔的体积分别为 , V=. 【点评】此题以重力加速度反常现象切入，意在考查万有引力定律及其相关知识。注解：因石油密度远小于周围均匀分布的岩石密度，若测得某地表面重力加速度反常小，则可知该处地下储存有石油；：因重金属矿的密度大于周围均匀分布的岩石密度，若测得某地表面重力加速度反常大，则可知该处地下储存有重金属矿。这就是利用重力加速度反常现象探矿。9【参考答案】D10【参考答案】B【命题立意】本题旨在考查万有引力作用与卫星的圆周运动【举一反三】在这颗行星表面以v上抛一物体，经多长时间落地？11【参考答案】B【名师解析】利用题给信息，对地球，有Gmg，得M，又VR3，得地球的密度；对月球，有Gmg0，得M0，又V0R，得月球的密度0，则地球的密度与月球的密度之比，故B正确。12【参考答案】BCD13【参考答案】B【命题立意】本题旨在考查万有引力作用与卫星的圆周运动【名师解析】用弹簧称称量一个质量为m的砝码读数为N， , 登陆舱在该行星表面做圆周运动的周期T，,解上二式得， , ;行星的密度 ; 该行星的第一宇宙速度为【举一反三】在这颗行星表面以v上抛一物体，经多长时间落地？14【参考答案】BCD15【参考答案】C16【参考答案】A【名师解析】设两星之间的距离为L，轨道半径分别为r1、r2，根据万有引力提供向心力得，Gm12r1，Gm22r2，则m1r1m2r2，即轨道半径和质量成反比，D错误；根据vr可知，线速度与轨道半径成正比，故线速度与质量成反比，A正确，B错误；由万有引力公式可知，向心力与质量的乘积成正比，C错误。17【参考答案】A18【参考答案】B心加速度之比为a1a2r1r2M2M1，选项D错误。19【参考答案】B 【名师解析】根据万有引力定律，任意两颗星球之间的万有引力为F1=G，方向沿着它们的连线。其中一个星球受到另外两个星球的万有引力的合力为F=2 F1cos30°=G，方向指向圆心，选项A错误B正确；由r cos30°=L/2，解得它们运行的轨道半径r=L，选项C错误；由G=M可得v= ，选项D错误。20【参考答案】BC21【参考答案】A22【参考答案】AD