物理高一下册 万有引力与宇宙单元测试卷 (word版,含解析)

一、第七章万有引力与宇宙航行易错题培优（难）
1．假设太阳系中天体的密度不变，天体直径和天体之间距离都缩小到原来的一半，地球绕太阳公转近似为匀速圆周运动，则下列物理量变化正确的是( )
A．地球的向心力变为缩小前的一半
B．地球的向心力变为缩小前的
C．地球绕太阳公转周期与缩小前的相同
D．地球绕太阳公转周期变为缩小前的一半
【答案】BC
【解析】
A、B、由于天体的密度不变而半径减半，导致天体的质量减小，所以有：
3
/
4
328
r M
Mρπ⎛⎫
==
⎪
⎝⎭
地球绕太阳做圆周运动由万有引力充当向心力．所以有：
//
22
1
G
16
2
M M M M
G
R
R
=
⎛⎫
⎪
⎝⎭
日日
地地
， B 正确，A错误；
C、D、由
//2
/
22
4
G
2
2
M M R
M
T
R
π⎛⎫
= ⎪
⎝⎭
⎛⎫
⎪
⎝⎭
日地
地，整理得：23?
4
T
r
GM
π
=，与原来相同，C正确；D
错误；
故选BC．
2．如图所示为科学家模拟水星探测器进入水星表面绕行轨道的过程示意图，假设水星的半径为R，探测器在距离水星表面高度为3R的圆形轨道I上做匀速圆周运动，运行的周期为T，在到达轨道的P点时变轨进入椭圆轨道II，到达轨道II的“近水星点”Q时，再次变轨进入近水星轨道Ⅲ绕水星做匀速圆周运动，从而实施对水星探测的任务，则下列说法正确的是（）
A ．水星探测器在P 、Q 两点变轨的过程中速度均减小
B ．水星探测器在轨道II 上运行的周期小于T
C ．水星探测器在轨道I 和轨道II 上稳定运行经过P 时加速度大小不相等
D ．若水星探测器在轨道II 上经过P 点时的速度大小为v P ，在轨道Ⅲ上做圆周运动的速度大小为v 3，则有v 3>v P 【答案】ABD 【解析】 【分析】 【详解】
AD ．在轨道I 上运行时
2
12mv GMm r r
=
而变轨后在轨道II 上通过P 点后，将做近心运动，因此
22
P
mv GMm r r
> 则有
1P v v >
从轨道I 变轨到轨道II 应减速运动；而在轨道II 上通过Q 点后将做离心运动，因此
22
Q
mv GMm r r <''
而在轨道III 上做匀速圆周运动，则有
23
2
=mv GMm r r
'' 则有
3Q v v <
从轨道II 变轨到轨道III 同样也减速，A 正确； B ．根据开普勒第三定律
3
2r T
=恒量 由于轨道II 的半长轴小于轨道I 的半径，因此在轨道II 上的运动周期小于在轨道I 上运动的周期T ，B 正确； C ．根据牛顿第二定律
2
GMm
ma r = 同一位置受力相同，因此加速度相同，C 错误； D ．根据
2
2mv GMm r r
=
解得
v =
可知轨道半径越大运动速度越小，因此
31v v >
又
1P v v >
因此
3P v v >
D 正确。

故选ABD 。

3．2020年5月24日，中国航天科技集团发文表示，我国正按计划推进火星探测工程，瞄准今年7月将火星探测器发射升空。

假设探测器贴近火星地面做匀速圆周运动时，绕行周期为T ，已知火星半径为R ，万有引力常量为G ，由此可以估算（ ） A ．火星质量 B ．探测器质量 C ．火星第一宇宙速度 D ．火星平均密度
【答案】ACD 【解析】 【分析】
本题考查万有引力与航天，根据万有引力提供向心力进行分析。

【详解】
A ．由万有引力提供向心力
2
224Mm G m R R T
π= 可求出火星的质量
23
2
4R M GT π=
故A 正确；
B ．只能求出中心天体的质量，不能求出探测器的质量，故B 错误；
C ．由万有引力提供向心力，贴着火星表面运行的环绕速度即火星的第一宇宙速度，即有
22Mm v G m R R
= 求得
2R
v T
π=
=
故C 正确；
D ．火星的平均密度为
23
2
2
3
4
3
4
3
R
M GT
V GT
R
π
π
ρ
π
===
故D正确。

故选ACD。

4．嫦娥三号探测器欲成功软着陆月球表面，首先由地月轨道进入环月椭圆轨道Ⅰ，远月点A距离月球表面为h，近月点B距离月球表面高度可以忽略，运行稳定后再次变轨进入近月轨道Ⅱ。

已知嫦城三号探测器在环月椭圆轨道周期为T、月球半径为R和引力常量为G，根据上述条件可以求得（）
A．探测器在近月轨道Ⅱ运行周期
B．探测器在环月椭圆轨道Ⅰ经过B点的加速度
C．月球的质量
D．探测器在月球表面的重力
【答案】ABC
【解析】
【分析】
【详解】
A．根据开普勒第三定律可得
3
3
22
2
2
R h
R
T T
II
+
⎛⎫
⎪
⎝⎭=
解得
3
3
2
2
R
T T
R h
II
=
+
⎛⎫
⎪
⎝⎭
A正确；
B．探测器在环月椭圆轨道Ⅰ经过B点时，由万有引力提供向心力
2
22
4
=
B
Mm
G ma m R
R T
π
II
=
即
2
24B a R T πII
=
B 正确；
C ．由万有引力提供向心力
2B Mm
G
ma R
= 可得
2
B a R M G
= C 正确；
D ．由于不知道探测器的质量，无法求出探测器在月球表面的重力，D 错误。

故选ABC 。

5．如图所示，a 为地球赤道上的物体，b 为沿地球表面附近做匀速圆周运动的人造卫星，c 为地球同步卫星。

关于a 、b 、c 做匀速圆周运动的说法正确的是（ ）
A ．向心力关系为F a >F b >F c
B ．周期关系为T a =T c <T b
C ．线速度的大小关系为v a <v c <v b
D ．向心加速度的大小关系为a a <a c <a b
【答案】CD 【解析】 【分析】 【详解】
A ．三颗卫星的质量关系不确定，则不能比较向心力大小关系，选项A 错误；
B ．地球赤道上的物体与同步卫星具有相同的角速度和周期，即
a c T T =
卫星绕地球做圆周运动，万有引力提供向心力，由牛顿第二定律得
2
2
24πGMm m r r T
= 得
3
2π
r T GM
=由于c b r r >，则
c b T T >
所以
a c
b T T T =>
故B 错误；
C ．地球赤道上的物体与同步卫星具有相同的角速度，即
a c ωω=
由于a c r r >，根据v r ω=可知
c a v v >
卫星绕地球做圆周运动，万有引力提供向心力，由牛顿第二定律得
2
2
GMm v m r r
= 得
v =
由于c b r r >，则
c b v v <
所以
b c a v v v >>
故C 正确；
D ．地球赤道上的物体与同步卫星具有相同的角速度，即
a c ωω=
由于a c r r >，根据2a r ω=可知
c a a a >
卫星绕地球做圆周运动，万有引力提供向心力，由牛顿第二定律得
2
GMm
ma r = 得
2
GM
a r =
由于c b r r >，则
c b a a <
所以
b c a a a a >>
故D 正确。

故选CD 。

6．同步卫星的发射方法是变轨发射，即先把卫星发射到离地面高度为几百千米的近地圆形轨道Ⅲ上，如图所示，当卫星运动到圆形轨道Ⅲ上的B 点时，末级火箭点火工作，使卫星进入椭圆轨道Ⅱ，轨道Ⅱ的远地点恰好在地球赤道上空约36000km 处，当卫星到达远地点
A 时，再次开动发动机加速，使之进入同步轨道Ⅰ。

关于同步卫星及发射过程，下列说法
正确的是（ ）
A ．在
B 点火箭点火和A 点开动发动机的目的都是使卫星加速，因此卫星在轨道Ⅰ上运行的线速度大于在轨道Ⅲ上运行的线速度
B ．卫星在轨道Ⅱ上由A 点向B 点运行的过程中，速率不断增大
C ．所有地球同步卫星的运行轨道都相同
D ．同步卫星在圆形轨道运行时，卫星内的某一物体处于超重状态 【答案】BC 【解析】 【分析】 【详解】
A ．根据变轨的原理知，在
B 点火箭点火和A 点开动发动机的目的都是使卫星加速； 当卫星做圆周运动时有
22Mm v G m r r
= 解得
GM
v r
=
可知卫星在轨道I 上运行的线速度小于在轨道Ⅲ上运行的线速度，故A 错误； B ．卫星在轨道Ⅱ上由A 点向B 点运行的过程中，万有引力做正功，动能增大，则速率不断增大，故B 正确；
C ．所有的地球同步卫星的静止轨道都在赤道平面上，高度一定，所以运行轨道都相同，故C 正确；
D ．同步卫星在圆形轨道运行时，卫星内的某一物体受到的万有引力完全提供向心力，物体处于失重状态，故D 错误。

故选BC 。

7．太阳系中，行星周围存在着“作用球”空间：在该空间内，探测器的运动特征主要决定
于行星的引力。

2020年中国将首次发射火星探测器，并一次实现“环绕、着陆、巡视”三个目标。

如图所示，若将火星探测器的发射过程简化为以下三个阶段：在地心轨道沿地球作用球边界飞行，进入日心转移轨道环绕太阳飞行，在俘获轨道沿火星作用球边界飞行。

且A 点为地心轨道与日心转移轨道切点，B 点为日心转移轨道与俘获轨道切点，则下列关于火星探测器说法正确的是（ ）
A ．在地心轨道上经过A 点的速度小于在日心转移轨道上经过A 点的速度
B ．在B 点受到火星对它的引力大于太阳对它的引力
C ．在C 点的运行速率大于地球的公转速率
D ．若已知其在俘获轨道运行周期，可估算火星密度 【答案】AB 【解析】 【分析】 【详解】
A ．从地心轨道上经过A 点进入日心转移轨道上A 点做了离心运动，脱离地球束缚，因此一定点火加速，故A 正确；
B ．探测器通过B 点后绕火星运动，合外力做为圆周运动的向心力，因此火星对它的引力大于太阳对它的引力，故B 正确；
C ． 在C 点时，同地球一样绕太阳运行，根据
2
2
GMm mv r r
= 由于绕太阳的轨道半径大于地球绕太阳的轨道半径，因此运行速率小于地球绕太阳的公转的运行速率，故C 错误； D ．根据
2
2
(2)GMm m r r T π= 34
3
M R ρ=⋅π
可得
3
23
3r GT R πρ=⋅
由于轨道半径不等于火星半径，因此无法求出火星密度，故D 错误。

故选AB 。

8．一球状行星的自转与地球自转的运动情况相似，此行星的一昼夜为a 秒，在星球上的不同位置用弹簧秤测量同一物体的重力，在此星球赤道上称得的重力是在北极处的b 倍(b 小于1)，万有引力常量为G ，则此行星的平均密度为（ ）
A ．()
231Ga b π-
B ．2
3Ga b
π C ．()
2301Ga b π-
D ．
230Ga b
π
【答案】A 【解析】 【分析】 【详解】 在北极时，可知
02
GMm
mg R
= 赤道上的物体随地球做匀速圆周运动所需向心力
2
2(
)F m R a
π=向 因此在赤道上的重力
0mg F mg -=向
由题可知
g
b g = 星球的密度
3=
43
M R ρπ 整理得
()
231Ga b ρπ
=
-
A 正确，BCD 错误。

故选A 。

9．2019年2月5日，“流浪地球”在中国大陆上映，赢得了票房和口碑双丰收。

影片讲述的是面对太阳快速老化膨胀的灾难，人类制定了“流浪地球”计划，这首先需要使自转角速度为ω的地球停止自转，再将地球推移出太阳系到达距离太阳最近的恒星（比邻星）。

为了使地球停止自转，设想的方案就是在地球赤道上均匀地安装N 台“喷气”发动机，如图所示（N 较大，图中只画出了4个）。

假设每台发动机均能沿赤道的切线方向提供大小恒为F 的推力，该推力可阻碍地球的自转。

已知地球转动的动力学方程与描述质点运动的牛顿第二定律方程F =ma 具有相似性，为M=Iβ，其中M 为外力的总力矩，即外力与
对应力臂乘积的总和，其值为NFR ；I 为地球相对地轴的转动惯量；β为单位时间内地球的角速度的改变量。

将地球看成质量分布均匀的球体，下列说法中正确的是（ ）
A ．在M=Iβ与F =ma 的类比中，与转动惯量I 对应的物理量是m ，其物理意义是反映改变地球绕地轴转动情况的难易程度
B ．地球自转刹车过程中，赤道表面附近的重力加速度逐渐变小
C ．停止自转后，赤道附近比极地附近的重力加速度大
D ．这些行星发动机同时开始工作，且产生的推动力大小恒为F ，使地球停止自转所需要的
时间为I NF
ω
【答案】A 【解析】 【分析】 【详解】
A ．在M=Iβ与F =ma 的类比中，与转动惯量I 对应的物理量是m ，其物理意义是反映改变地球绕地轴转动情况的难易程度，A 正确；
B ．地球自转刹车过程中，赤道表面附近的重力加速度逐渐变大，B 错误；
C ．停止自转后，赤道附近与极地附近的重力加速度大小相等，C 错误；
D ．这些行星发动机同时开始工作，且产生的推动力大小恒为F ，根据
NFR I β=
而
t βω=
则停止的时间
I t NFR
ω=
D 错误。

故选A 。

10．如图所示，设行星绕太阳的运动是匀速圆周运动，金星自身的半径是火星的n 倍，质量为火星的k 倍，不考虑行星自转的影响，则
A ．金星表面的重力加速度是火星的k n
B k n
C ．金星绕太阳运动的加速度比火星小
D ．金星绕太阳运动的周期比火星大 【答案】B 【解析】 【分析】 【详解】
有黄金代换公式GM=gR 2可知g=GM/R 2,所以2
2
2
=M R g k g M R n =金金火金火火 故A 错误， 由万有引力提供近地卫星做匀速圆周运动的向心力可知2
2
GMm v m R R
=解得GM v R =
，所以=v k
v n
金火故B 正确； 由2
GMm
ma r
= 可知轨道越高，则加速度越小，故C 错； 由
2
2
(2)GMm m r r T
π= 可知轨道越高，则周期越大，故D 错； 综上所述本题答案是：B 【点睛】
结合黄金代换求出星球表面的重力加速度，并利用万有引力提供向心力比较运动中的加速度及周期的大小．
11．宇宙中，两颗靠得比较近的恒星，只受到彼此之间的万有引力作用互相绕转，称之为双星系统，设某双星系统绕其连线上的O 点做匀速圆周运动，转动周期为T ，轨道半径分别为R A 、R B 且R A <R B ，引力常量G 已知，则下列说法正确的是（ ）
A ．星球A 所受的向心力大于星球
B 所受的向心力 B ．星球A 的线速度一定等于星球B 的线速度
C ．星球A 和星球B 的质量之和为
()22
4A B R R GT π+
D ．双星的总质量一定，双星之间的距离越大，其转动周期越大 【答案】D 【解析】 【分析】 【详解】
A ．双星靠相互间的万有引力提供圆周运动的向心力，所以两个星球的向心力大小相等，选项A 错误；
B ．双星的角速度相等，根据v r ω=知，两星球半径不同，则线速度不相等，选项B 错误；
C ．对于星球A ，有
2
2A B A A m m G
m R L ω＝ 对于星球B ，有
2
2
A B B B m m G
m R L ω＝ 又
=
2T
π
ω
A B L R R =+
联立解得
()3
223
22
44A B A B R R L m m GT GT
ππ++== 选项C 错误；
D ．根据23
2
4A B L m m GT
π+=，双星之间的距离增大，总质量不变，则转动的周期变大，选项D 正确。

故选D 。

12．如图所示是北斗导航系统中部分卫星的轨道示意图，已知a 、b 、c 三颗卫星均做圆周
运动，a 是地球同步卫星，则（ ）
A ．卫星a 的运行速度小于c 的运行速度
B ．卫星a 的加速度大于c 的加速度
C ．卫星b 的运行速度大于第一宇宙速度
D ．卫星c 的周期大于24 h 【答案】A 【解析】 【分析】 【详解】 AC ．根据
2
2
GMm v m r r
= 得卫星的线速度为
GM
v r
=
可知轨道半径大的卫星运行速度小，所以卫星a 的运行速度小于c 的运行速度，卫星b 的运行速度小于第一宇宙速度，选项A 正确，C 错误； B ．根据
2
GMm
ma r = 得卫星的加速度为
2
GM
a r =
可知轨道半径大的卫星加速度小，所以卫星a 的加速度小于c 的加速度，选项B 错误； D ．根据
2
224GMm mr r T
π= 得卫星的周期为
23
4r T GM
π=
可知轨道半径大的卫星周期大，所以卫星a （地球同步卫星）的周期大于c 的周期，即卫星c 的周期小于24h ，选项D 错误。

故选A 。

13．太空中存在一些离其他恒星很远的、由两颗星体组成的双星系统，可忽略其他星体对它们的引力作用。

如果将某双星系统简化为理想的圆周运动模型，如图所示，两星球在相互的万有引力作用下，绕O点做匀速圆周运动。

由于双星间的距离减小，则（）
A．两星的运动角速度均逐渐减小B．两星的运动周期均逐渐减小
C．两星的向心加速度均逐渐减小D．两星的运动线速度均逐渐减小
【答案】B
【解析】
【分析】
【详解】
AB．设两星的质量分别为1
M和
2
M，相距L，
1
M和
2
M的角速度为ω，由万有引力定律和牛顿第二定律得
对1
M
2
12
11
2
M M
G M r
L
ω
=
对2
M
2
12
22
2
M M
G M r
L
ω
=
因为
12
L r r
=+
解得
2
1
12
M
r L
M M
=
+
1
2
12
M
r L
M M
=
+
()
3
12
2
2
L
T
G M M
π
ω
==
+
双星的总质量不变，距离减小，周期减小，角速度增大，A错误，B正确；
C．根据
12
1122
2
M M
G M a M a
L
==
知，L变小，则两星的向心加速度均增大，故C错误；
D．由于
21112M v r L M M M ω==
=+
12212M v r L M M M ω==
=+
可见，距离减小线速度变大．故D 错误． 故选B 。

14．一颗距离地面高度等于地球半径R 的圆形轨道地球卫星，其轨道平面与赤道平面重合。

已知地球同步卫星轨道高于该卫星轨道，地球表面重力加速度为g ，则下列说法正确的是（ ）
A ．该卫星绕地球运动的周期4T =
B ．该卫星的线速度小于地球同步卫星的线速度
C ．该卫星绕地球运动的加速度大小2
g a =
D ．若该卫星绕行方向也是自西向东，则赤道上的一个固定点连续两次经过该卫星正下方的时间间隔大于该卫星的周期 【答案】D 【解析】 【分析】 【详解】
A ．对卫星根据牛顿第二定律有
()
2
02
0222Mm
G
m R T R π⎛⎫= ⎪⎝⎭
在地球表面有
2
0GMm m g R '
'=
解得
4T = 选项A 错误；
B ．该卫星的高度小于地球同步卫星的高度，则该卫星的线速度大于地球同步卫星的线速度，选项B 错误；
C ．对卫星根据牛顿第二定律有
()
2
02GMm
ma R =
解得
4
g a =
选项C 错误；
D ．由赤道上的一个固定点连续两次经过该卫星正下方，有
1t t
T T -= 得
t T >
选项D 正确。

故选D 。

15．北京时间2019年4月10日，人类首次利用虚拟射电望远镜，在紧邻巨椭圆星系M87的中心成功捕获世界首张黑洞图像。

科学研究表明，当天体的逃逸速度（即第二宇宙速
倍）超过光速时，该天体就是黑洞。

已知某天体质量为M ，万有引力常量为G ，光速为c ，则要使该天体成为黑洞，其半径应小于（ ）
A ．2
2GM c
B ．22c GM
C ．
2
c
D ．
2
GM
c 【答案】A 【解析】 【分析】 【详解】
地球的第一宇宙速度为v 1，根据万有引力提供向心力，有
212v Mm
G m
R R
= 解得
21GM v R =⋅
由题得第二宇宙速度
21v
又由题星体成为黑洞的条件为2v c >，即
c 解得
2
2GM
R c <
选项A 正确，BCD 错误。

故选A 。