万有引力与宇宙单元综合测试(Word版 含答案)(1)

一、第七章 万有引力与宇宙航行易错题培优（难）1．组成星球的物质是靠引力吸引在一起的，这样的星球有一个最大的自转的速率，如果超出了该速率，星球的万有引力将不足以维持其赤附近的物体随星球做圆周运动,由此能得到半径为R,密度为ρ、质量为M 且均匀分布的星球的最小自转周期T ，下列表达式正确的是：（ ）A ．2T =B ．2T =C ．T =D ．T =【答案】BC 【解析】 【分析】 【详解】AB.当周期小到一定值时，压力为零，此时万有引力充当向心力，即2224m GMm RR Tπ= 解得：2T =① 故B 正确，A 错误； CD. 星球的质量343M ρV πρR ==代入①式可得：T =故C 正确，D 错误．2．2020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2224Mm G m R R Tπ= 可求出火星的质量2324R M GTπ= 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2GM Rv R Tπ==故C 正确；D ．火星的平均密度为232234343R M GT V GT R ππρπ=== 故D 正确。

故选ACD 。

3．如图所示，卫星在半径为1r 的圆轨道上运行速度为1υ，当其运动经过A 点时点火加速，使卫星进入椭圆轨道运行，椭圆轨道的远地点B 与地心的距离为2r ，卫星经过B 点的速度为B υ，若规定无穷远处引力势能为0，则引力势能的表达式p GMmE r=-，其中G 为引力常量，M 为中心天体质量，m 为卫星的质量，r 为两者质心间距，若卫星运动过程中仅受万有引力作用，则下列说法正确的是A ．1b υυ<B ．卫星在椭圆轨道上A 点的加速度小于B 点的加速度C ．卫星在A 点加速后的速度为212112A B GM r r υυ⎛⎫=-+ ⎪⎝⎭D ．卫星从A 点运动至B 点的最短时间为()3121112r r t r υ+=【答案】AC 【解析】 【分析】 【详解】假设卫星在半径为r 2的圆轨道上运行时速度为v 2．由卫星的速度公式GMv r=知，卫星在半径为r 2的圆轨道上运行时速度比卫星在半径为r 1的圆轨道上运行时速度小，即v 2<v 1．卫星要从椭圆轨道变轨到半径为r 2的圆轨道，在B 点必须加速，则v B <v 2，所以有v B <v 1．故A 正确．由2GMmma r=，可知轨道半径越大，加速度越小，则A B a a >，故B 错误；卫星加速后从A 运动到B 的过程，由机械能守恒定律得，221211()()22A B GMm GMm mv mv r r +-=+- 得212112()A B v GM v r r =-+，故C 正确；设卫星在半径为r 1的圆轨道上运行时周期为T 1，在椭圆轨道运行周期为T 2．根据开普勒第三定律312312212()2r r r T T += 又因为1112r T v π= 卫星从A 点运动至B 点的最短时间为22T t =，联立解得31211()2r r t v r π+=故D 错误．4．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 cB ．周期关系为T a =T c <T bC ．线速度的大小关系为v a <v c <v bD ．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2224πGMm m r r T= 得2T =由于c b r r >，则c b T T >所以a cb 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22GMm 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2GMmmar=得2GMar=由于c br r>，则c ba a<所以b c aa a a>>故D正确。

故选CD。

5．三颗人造卫星A、B、C都在赤道正上方同方向绕地球做匀速圆周运动，A、C为地球同步卫星，某时刻A、B相距最近，如图所示。

已知地球自转周期为T1，B的运行周期为T2，则下列说法正确的是（）A．C加速可追上同一轨道上的AB．经过时间12122()T TT T-，A、B相距最远C．A、C向心加速度大小相等，且小于B的向心加速度D．在相同时间内，A与地心连线扫过的面积大于B与地心连线扫过的面积【答案】BCD【解析】【分析】【详解】A．卫星C加速后做离心运动，轨道变高，不可能追上同一轨道上的A点，故A错误；B．卫星A、B由相距最近到相距最远，圆周运动转过的角度差为π，所以可得B At tωωπ-=其中BB2Tπω=，AA2Tπω=则经历的时间12122()TTtT T=-故B 正确；C ．根据万有引力提供向心力，可得向心加速度2GMa r =可知AC 的向心加速度大小相等，且小于B 的向心加速度，故C 正确； D ．绕地球运动的卫星与地心的连线在相同时间t 内扫过的面积12S vt r =⋅由万有引力提供向心力，可知22GMm v m r r= 解得122t S vt r GMr =⋅=可知，在相同时间内，A 与地心连线扫过的面积大于B 与地心连线扫过的面积，故D 正确。

故选BCD 。

6．发射地球同步卫星要经过三个阶段：先将卫星发射至近地圆轨道1，然后使其沿椭圆轨道2运行，最后将卫星送入同步圆轨道3。

轨道1、2相切于Q 点，轨道2、3相切于P 点，如图所示。

当卫星分别在轨道1、2、3上正常运行时，则以下说法正确的是( )A ．卫星在轨道3上的运行速率大于7.9km/sB ．卫星在轨道2上Q 点的运行速率大于7.9km/sC ．卫星在轨道3上的运行速率小于它在轨道1上的运行速率D ．卫星分别沿轨道1和轨道2经过Q 点时的加速度大小不相等 【答案】BC 【解析】 【分析】 【详解】AC.人造卫星绕地球做匀速圆周运动，根据万有引力提供向心力，设卫星的质量为m , 轨道半径为r ,地球质量为M ，有22GMm v m r r= 解得GMv r=轨道3比轨道1半径大，卫星在轨道1上线速度是7.9km/s, 则卫星在轨道3上的运行速率小于7.9km/s ，A 错误，C 正确；B.卫星从轨道1变到轨道2，需要加速，所以卫星沿轨道1的速率小于轨道2经过Q 点时的速度，B 正确；D.根据牛顿第二定律和万有引力定律2GMmma r= 得2GM a r=所以卫星在轨道1上经过Q 点得加速度等于在轨道2上经过Q 点的加速度，D 错误。

故选BC 。

7．米歇尔·麦耶和迪迪埃·奎洛兹因为发现了第一颗太阳系外行星一飞马座51b 而获得2019年诺贝尔物理学奖。

如图所示，飞马座51b 与恒星构成双星系统，绕共同的圆心O 做匀速圆周运动，它们的质量分别为1m 、2m 。

下列关于飞马座51b 与恒星的说法正确的是（ ）A ．轨道半径之比为12:m mB ．线速度大小之比为12:m mC ．加速度大小之比为21:m mD ．向心力大小之比为21:m m 【答案】C 【解析】 【分析】 【详解】D ．双星系统属于同轴转动的模型，具有相同的角速度和周期，两者之间的万有引力提供向心力，故两者向心力相同，选项D 错误；A ．根据221122m r m r ωω=可得半径之比等于质量的反比，即1221r r m m=::选项A错误；B．根据v rω=可知线速度之比等于半径之比，即1221::v v m m=选项B错误；C．根据a vω=可得加速度大小之比为121221:::a a v v m m==选项C正确。

故选C。

8．宇宙间存在一些离其他恒星较远的三星系统，其中有一种三星系统如图所示，三颗质量为m的星球位于等边三角形的三个顶点上，任意两颗星球的距离均为L，并绕其中心O做匀速圆周运动．忽略其他星球对它们的引力作用，引力常量为G，以下对该三星系统的说法正确的是 ()A．每颗星球做圆周运动的半径都等于LB．每颗星球做圆周运动的加速度与星球的质量无关C．每颗星球做圆周运动的线速度GmvL=D．每颗星球做圆周运动的周期为2LT LGmπ=【答案】C【解析】【分析】【详解】A．三颗星球均绕中心做圆周运动，由几何关系可知r＝2cos30L︒3LA错误；B．任一星球做圆周运动的向心力由其他两个星球的引力的合力提供，根据平行四边形定则得F ＝222Gm Lcos 30°＝ma解得a ＝3GmB 错误； CD ．由F ＝222Gm L cos 30°＝m 2v r ＝m 224Tπr得v ＝GmL T ＝2πL3L GmC 正确，D 错误。

故选C 。

9．．图是“嫦娥一号奔月”示意图，卫星发射后通过自带的小型火箭多次变轨，进入地月转移轨道，最终被月球引力捕获，成为绕月卫星，并开展对月球的探测．下列说法正确的是A ．发射“嫦娥一号”的速度必须达到第三宇宙速度B ．在绕月圆轨道上，卫星的周期与卫星质量有关C ．卫星受月球的引力与它到月球中心距离的平方成反比D ．在绕月圆轨道上，卫星受地球的引力大于受月球的引力 【答案】C 【解析】 【分析】 【详解】第三宇宙速度是卫星脱离太阳系的最小发射速度，所以“嫦娥一号”卫星的发射速度一定小于第三宇宙速度，A 项错误；设卫星轨道半径为r ，由万有引力定律知卫星受到引力F ＝G 2Mm r ，C 项正确．设卫星的周期为T ，由G 2Mm r ＝m 224Tπr 得T 2＝24GM πr 3，所以卫星的周期与月球质量有关，与卫星质量无关，B 项错误．卫星在绕月轨道上运行时，由于离地球很远，受到地球引力很小，卫星做圆周运动的向心力主要是月球引力提供，D 项错误．10．电影《流浪地球》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大小为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）。