高中物理万有引力与航天解题技巧和训练方法及练习题(含答案)

高中物理万有引力与航天解题技巧和训练方法及练习题(含答案)
一、高中物理精讲专题测试万有引力与航天
1．2018年是中国航天里程碑式的高速发展年，是属于中国航天的“超级2018”．例如，我国将进行北斗组网卫星的高密度发射，全年发射18颗北斗三号卫星，为“一带一路”沿线及周边国家提供服务．北斗三号卫星导航系统由静止轨道卫星（同步卫星）、中轨道卫星和倾斜同步卫星组成．图为其中一颗静止轨道卫星绕地球飞行的示意图．已知该卫星做匀速圆周运动的周期为T ，地球质量为M 、半径为R ，引力常量为G ．
（1）求静止轨道卫星的角速度ω； （2）求静止轨道卫星距离地面的高度h 1；
（3）北斗系统中的倾斜同步卫星，其运转轨道面与地球赤道面有一定夹角，它的周期也是T ，距离地面的高度为h 2．视地球为质量分布均匀的正球体，请比较h 1和h 2的大小，并说出你的理由．
【答案】（1）2π=T ω；（2）2
3124GMT h R π
（3）h 1= h 2 【解析】 【分析】
（1）根据角速度与周期的关系可以求出静止轨道的角速度； （2）根据万有引力提供向心力可以求出静止轨道到地面的高度； （3）根据万有引力提供向心力可以求出倾斜轨道到地面的高度； 【详解】
（1）根据角速度和周期之间的关系可知：静止轨道卫星的角速度2π=T
ω （2）静止轨道卫星做圆周运动，由牛顿运动定律有：2
1
212π=()()()Mm G
m R h R h T
++ 解得：2
312
=4π
GMT
h R
（3）如图所示，同步卫星的运转轨道面与地球赤道共面，倾斜同步轨道卫星的运转轨道面与地球赤道面有夹角，但是都绕地球做圆周运动，轨道的圆心均为地心．由于它的周期也是T ，根据牛顿运动定律，2
2
22
2=()()()Mm G
m R h R h T
π++ 解得：2
322
=4GMT
h R π
- 因此h 1= h 2．
故本题答案是：（1）2π=T ω；（2）2312=4GMT h R π
- （3）h 1= h 2 【点睛】
对于围绕中心天体做圆周运动的卫星来说，都借助于万有引力提供向心力即可求出要求的物理量．
2．一名宇航员到达半径为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个质量为m 的小球，上端固定在O 点，如图甲所示，在最低点给小球某一初速度，使其绕O 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 1、F 2已知，引力常量为G ，忽略各种阻力．求：
（1）星球表面的重力加速度； （2）卫星绕该星的第一宇宙速度； （3）星球的密度． 【答案】（1）126F F g m -=（212()6F F R m
-(3) 128F F GmR ρπ-= 【解析】 【分析】 【详解】
（1）由图知：小球做圆周运动在最高点拉力为F 2，在最低点拉力为F 1 设最高点速度为2v ，最低点速度为1v ，绳长为l
在最高点：2
22mv F mg l += ① 在最低点：2
11mv F mg l
-= ② 由机械能守恒定律，得
221211222
mv mg l mv =⋅+ ③ 由①②③，解得1
2
6F F g m
-= （2）
2
GMm
mg R
= 2GMm R =2
mv R
两式联立得：（3）在星球表面：2
GMm
mg R = ④ 星球密度：M
V ρ=
⑤ 由④⑤，解得12
8F F GmR
ρπ-=
点睛：小球在竖直平面内做圆周运动，在最高点与最低点绳子的拉力与重力的合力提供向心力，由牛顿第二定律可以求出重力加速度；万有引力等于重力，等于在星球表面飞行的卫星的向心力，求出星球的第一宇宙速度；然后由密度公式求出星球的密度．
3．宇航员在某星球表面以初速度v 0竖直向上抛出一个物体，物体上升的最大高度为h .已知该星球的半径为R ，且物体只受该星球的引力作用.求： (1)该星球表面的重力加速度；
(2)从这个星球上发射卫星的第一宇宙速度.
【答案】(1)202v h
(2) v 【解析】
本题考查竖直上抛运动和星球第一宇宙速度的计算．
(1) 设该星球表面的重力加速度为g ′，物体做竖直上抛运动，则2
02v g h ='
解得，该星球表面的重力加速度20
2v g h
'=
(2) 卫星贴近星球表面运行，则2
v mg m R
'=
解得：星球上发射卫星的第一宇宙速度v v =
=
4．2003年10月15日，我国神舟五号载人飞船成功发射．标志着我国的航天事业发展到了一个很高的水平．飞船在绕地球飞行的第5圈进行变轨，由原来的椭圆轨道变为距地面高度为h 的圆形轨道．已知地球半径为R ，地面处的重力加速度为g ，引力常量为G ，求： (1)地球的质量；
(2)飞船在上述圆形轨道上运行的周期T ．
【答案】(1)G
gR M 2
=(2)2T =【解析】 【详解】
(1)根据在地面重力和万有引力相等，则有2Mm
G
mg R
= 解得：G
gR M 2
=
(2)设神舟五号飞船圆轨道的半径为r ，则据题意有：r R h =+
飞船在轨道上飞行时，万有引力提供向心力有：2
224πMm G m r r T
=
解得：2T =
5．在某一星球上，宇航员在距离地面h 高度处以初速度v 0沿水平方向抛出一个小球，小球落到星球表面时与抛出点的水平距离为x ，已知该星球的半径为R ，引力常量为G ，求： (1)该星球表面的重力加速度g ； (2)该星球的质量M ； (3)该星球的第一宇宙速度v 。

【答案】(1) 2022hv g x = (2) 22022hv R M Gx = (3) v =【解析】（1）由平抛运动规律得：水平方向0x v t = 竖直方向212
h g t =
' 解得： 2
02
2hv g x '=
（2）星球表面上质量为m 的物体受到万有引力近似等于它的重力，即
2
GMm
mg R
='
得： 2
g R M G
='
代入数据解得： 22
02
2hv R M Gx =
（3）2
v mg m R
'=；解得v =
代入数据得： v =
点睛：平抛运动与万有引力联系的桥梁是重力加速度g ．运用重力等于万有引力，得到g=GM/R 2，这个式子常常称为黄金代换式，是求解天体质量常用的方法，是卡文迪许测量地球质量的原理．
6．某宇航员乘坐载人飞船登上月球后，在月球上以大小为v 0的速度竖直向上抛出一物体(视为质点)，测得物体上升的最大高度为h ，已知月球的半径为R ，引力常量为G 。

(1)求月球的质量M ；
(2)若登上月球前飞船绕月球做匀速圆周运动的周期为T ，求此时飞船距离月球表面的高度H 。

【答案】(1)2202v R M Gh = (2)H R = 【解析】 【详解】
（1）设月球表面的重力加速度为g ，在竖直上抛运动过程中有：
202v gh =
由万有引力定律可知
2
GMm
mg R = 解得：2202v R
M Gh
=
（2）飞船绕月球做匀速圆周运动时有：
22
2'4'GMm r
m r T
π=
解得：r =
飞船距离月球表面的高度H R =-
7．双星系统一般都远离其他天体，由两颗距离较近的星体组成，在它们之间万有引力的相
互作用下，绕中心连线上的某点做周期相同的匀速圆周运动．已知某双星系统中两颗星之间的距离为 r ，运行周期为 T ，引力常量为 G ，求两颗星的质量之和．
【答案】23
2
4r GT π
【解析】 【详解】
对双星系统，角速度相同，则：22
122Mm G
M r m r r
ωω== 解得：221Gm r r ω=； 22
2GM r r ω=；
其中2T
π
ω=
，r =r 1+r 2； 三式联立解得：23
2
4r M m GT
π+=
8．假设月球半径为R ，月球表面的重力加速度为g 0,如图所示，“嫦娥三号”飞船沿距月球表面高度为3R 的圆形轨道Ⅰ运动，到达轨道的A 点，点火变轨进入椭圆轨道Ⅱ，到达轨道Ⅱ的近月点B 再次点火进入近月轨道Ⅲ绕月球做圆周运动.
(1)飞船在A 点点火前的动能是1k E ，点火变轨进入椭圆轨道Ⅱ在A 点的动能是2k E ，试比较1k E 和2k E 的大小；
(2)求飞船在轨道Ⅲ跟轨道Ⅰ的线速度大小之比； (3)求飞船在轨道Ⅰ绕月球运动一周所需的时间． 【答案】（1）12k k E E > （2）2：1 （3）0
16R g π【解析】 【分析】 【详解】
（1）飞船在A 点处点火时，是通过向行进方向喷火，做减速运动，向心进入椭圆轨道，所以点火瞬间是动能减小的，故12k k E E >；
（2）飞船在轨道Ⅲ、轨道Ⅰ都做匀速圆周运动，根据万有引力提供向心力得：
22Mm v G m r r
=
解得：v =
故飞船在轨道Ⅲ跟轨道Ⅰ的线速度大小之比为
3121
v v === （3）飞船在轨道Ⅰ绕月球运动，根据万有引力提供向心力得：2
224Mm G m r r T
π=
解得：2T =在月球表面有：02Mm
G
mg R =，解得：02
GM g R = 故周期为
216T ==【点睛】
卫星变轨也就是近心运动或离心运动，根据提供的万有引力和所需的向心力关系确定，在月球表面，万有引力等于重力，在任意轨道，万有引力提供向心力，联立方程即可求解相应的物理量．
9．已知地球半径为R ，地球表面重力加速度为g ，万有引力常量为G ，不考虑地球自转的影响．
（1）求卫星环绕地球运行的第一宇宙速度v 1；
（2）若卫星绕地球做匀速圆周运动且运行周期为T ，求卫星运行半径r ；
【答案】（1
2）r 【解析】
试题分析：（1）地表的物体受到的万有引力与物体的重力近似相等即：2
GMm
mg R
＝ 若发射成卫星在地表运动则卫星的重力提供向心力即：2
v mg m
R
＝
解得：v =
（2）由卫星所需的向心力由万有引力提供可得2
2
24GMm m r r T
＝π 又2
GMm
mg R
＝ 解得：r 考点：万有引力定律的应用
名师点睛：卫星所受的万有引力等于向心力、地面附近引力等于重力是卫星类问题必须要考虑的问题，本题根据这两个关系即可列式求解．
10．2019年1月3日10时26分，嫦娥四号探测器自主着陆在月球背面南极-艾特肯盆地内的冯·卡门撞击坑内，实现人类探测器首次在月球背面软着陆。

设搭载探测器的轨道舱绕月球运行半径为r ，月球表面重力加速度为g ，月球半径为R ，引力常量为G ，求： （1）月球的质量M 和平均密度ρ； （2）轨道舱绕月球的速度v 和周期T .
【答案】（1）G
gR M 2
=， 34g RG ρπ= （2）v =2T π=【解析】 【详解】
（1）在月球表面：002Mm m g G R =，则G
gR M 2
=
月球的密度：2343/34M gR g
R V G GR
ρππ===
（2）轨道舱绕月球做圆周运动的向心力由万有引力提供：2
2Mm v G m r r
=
解得：v =
22r T v π⋅==。