河北省衡水市武邑县武邑中学万有引力与宇宙(培优篇)(Word版 含解析)

一、第七章万有引力与宇宙航行易错题培优（难）
1．2009年5月，航天飞机在完成对哈勃空间望远镜的维修任务后，在A点从圆形轨道Ⅰ进入椭圆轨道Ⅱ，B为轨道Ⅱ上的一点，如图所示，关于航天飞机的运动，下列说法中正确的有
A．在轨道Ⅱ上经过A的速度小于经过B的速度
B．在轨道Ⅱ上经过A的动能小于在轨道Ⅰ上经过A的动能
C．在轨道Ⅱ上运动的周期小于在轨道Ⅰ上运动的周期
D．在轨道Ⅱ上经过A的加速度小于在轨道Ⅰ上经过A的加速度
【答案】ABC
【解析】
【分析】
【详解】
本题考查人造地球卫星的变轨问题以及圆周运动各量随半径的变化关
系．
2
2
v Mm
m G
r r
=，得
GM
v
r
=
的距离减小而增大，所以远地点的线速度比近地点的线速度小，v A<v B，A项正确；人造卫星从椭圆轨道Ⅱ变轨到圆形轨道Ⅰ，需要点火加速，发生离心运动才能实现，因此
v AⅡ<v AⅠ，所以E KAⅡ<E KAⅠ，B项正确；
2
2
2Mm
mr G
T r
π
⎛⎫
=
⎪
⎝⎭
，得
23
4r
T
GM
π
=
心距离越大，周期越大，因此TⅡ<TⅠ,C项正确；人造卫星运动的加速度由万有引力提供，而不管在轨道Ⅱ还是在轨道Ⅰ，两者的受力是相等的，因此加速度相等，D项错误．
2．在太阳系外发现的某恒星a的质量为太阳系质量的0.3倍，该恒星的一颗行星b的质量是地球的4倍，直径是地球的1.5倍，公转周期为10天．设该行星与地球均为质量分布均匀的球体，且分别绕其中心天体做匀速圆周运动，则（）
A．行星b的第一宇宙速度与地球相同
B．行星b绕恒星a运行的角速度大于地球绕太阳运行的角速度
C．如果将物体从地球搬到行星b上，其重力是在地球上重力的16 9
D．行星b与恒星a 2 73
【答案】BC
【解析】 【分析】 【详解】
A ．当卫星绕行星表面附近做匀速圆周运动时的速度即为行星的第一宇宙速度，由
22Mm v G m R R
= 得
v =
M 是行星的质量，R 是行星的半径，则得该行星与地球的第一宇宙速度之比为
v v 行地：=
故A 错误；
B ．行星b 绕恒星a 运行的周期小于地球绕太阳运行的周期；根据2T
π
ω= 可知，行星b 绕恒星a 运行的角速度大于地球绕太阳运行的角速度，选项B 正确； C ．由2
GM
g R =
，则 2
216
9
M R g g M R =⨯=行地行地地行：
则如果将物体从地球搬到行星b 上，其重力是在地球上重力的16
9
，则C 正确； D ．由万有引力提供向心力：
2
224Mm G m R R T
π= 得：
R = 则
ab R R 日地则D 错误； 故选BC 。

3．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
12
mv 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
22P
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
22Q
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
GM
v r
=
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 。

4．按照我国整个月球探测活动的计划，在第一步“绕月”工程圆满完成各项目标和科学探测任务后，第二步是“落月”工程。

已在2013年以前完成。

假设月球半径为R ，月球表面的重力加速度为g 0，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 点时点火变轨进入椭圆轨道Ⅱ，到达轨道的近月点B 时再次点火进入月球近月轨道Ⅲ绕月球做圆周运动。

下列判断正确的是（ ）
A ．飞船在轨道Ⅰ上的运行速率0g R v =
B ．飞船在A 点处点火变轨时，速度增大
C ．飞船从A 到B 运行的过程中加速度增大
D ．飞船在轨道Ⅲ绕月球运动一周所需的时间2T =【答案】ACD 【解析】 【分析】 【详解】
A ．飞船在轨道Ⅰ上，月球的万有引力提供向心力
22
(4)4Mm v G m R R
= 在月球表面的物体，万有引力等于重力，得
002
Mm G
m g R = 解得
v =
故A 正确；
B ．在圆轨道实施变轨成椭圆轨道远地点是做逐渐靠近圆心的运动，要实现这个运动必须万有引力大于飞船所需向心力，所以应给飞船减速，从而减小所需的向心力，则变轨时速度减小，故B 错误；
C ．飞船在轨道Ⅱ上做椭圆运动，根据牛顿第二定律可知
2
Mm
G
ma r = 因A 到B 的过程距离r 变小，则加速度逐渐增大，故C 正确； D ．对近月轨道的卫星有
2
024mg m R T
π=
解得
2T =故D 正确。

故选ACD 。

5．如图为某双星系统A 、B 绕其连线上的O 点做匀速圆周运动的示意图，若A 星的轨道半径大于B 星的轨道半径，双星的总质量M ，双星间的距离为L ，其运动周期为T ，则（ ）
A ．A 的质量一定大于
B 的质量 B ．A 的加速度一定大于B 的加速度
C ．L 一定时，M 越小，T 越大
D ．L 一定时，A 的质量减小Δm 而B 的质量增加Δm ，它们的向心力减小 【答案】BCD 【解析】 【分析】 【详解】
A ．双星系统中两颗恒星间距不变，是同轴转动，角速度相等，双星靠相互间的万有引力提供向心力，所以向心力相等，故有
22A A B B m r m r ωω＝
因为A B r r >，所以A B m m <，选项A 错误；
B ．根据2a r ω=，因为A B r r >，所以A B a a >，选项B 正确；
C ．根据牛顿第二定律，有
2
2
2()A B A A m m G m r L T π= 2
2
2()A B B B m m G
m r L T
π= 其中
A B r r L +=
联立解得
33
2 2 ()A B L L T G m m GM
==+
L 一定，M 越小，T 越大，选项C 正确； D ．双星的向心力由它们之间的万有引力提供，有
2
=A B
m m F G
L 向 A 的质量m A 小于B 的质量m B ，L 一定时，A 的质量减小Δm 而B 的质量增加Δm ，根据数学知识可知，它们的质量乘积减小，所以它们的向心力减小，选项D 正确。

故选BCD 。

6．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
GM
v r
=
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 。

7．如图所示，宇航员完成了对月球表面的科学考察任务后，乘坐返回舱返回围绕月球做圆周运动的轨道舱。

为了安全，返回舱与轨道舱对接时，必须具有相同的速度。

已知返回舱与人的总质量为m ，月球质量为M ，月球的半径为R ，月球表面的重力加速度为g ，轨道舱到月球中心的距离为r ，不计月球自转的影响。

卫星绕月过程中具有的机械能由引力势能和动能组成。

已知当它们相距无穷远时引力势能为零，它们距离为r 时，引力势能为
p GMm
E r
=-
，则（ ）
A ．返回舱返回时，在月球表面的最大发射速度为v gR =
B ．返回舱在返回过程中克服引力做的功是(1)R W mgR r
=-
C ．返回舱与轨道舱对接时应具有的动能为2
2k mgR E r
=
D ．宇航员乘坐的返回舱至少需要获得(1)R
E mgR r
=-能量才能返回轨道舱
【答案】BC 【解析】 【分析】 【详解】
A ．返回舱在月球表面飞行时，重力充当向心力
2
v mg m R
＝
解得
v =已知轨道舱离月球表面具有一定的高度，故返回舱要想返回轨道舱，在月球表面的发射速
，故A 错误；
B ．返回舱在月球表面时，具有的引力势能为GMm
R
-
，在轨道舱位置具有的引力势能为GMm
r
-
，根据功能关系可知，引力做功引起引力势能的变化，结合黄金代换式可知 0
02
GMm m g R
= GM =gR 2
返回舱在返回过程中克服引力做的功是
(1)R
W mgR r
=-
故B 正确；
C ．返回舱与轨道舱对接时，具有相同的速度，根据万有引力提供向心力可知
2
2 GMm v m r r
＝ 解得动能
2
22212k GMm mgR E mv r r
==
＝ 故C 正确；
D ．返回舱返回轨道舱，根据功能关系可知，发动机做功，增加了引力势能和动能
22
(1)22R mgR mgR mgR mgR r r r
-+=-
即宇航员乘坐的返回舱至少需要获得2
2mgR mgR r
-的能量才能返回轨道舱，故D 错误。

故选BC 。

8．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/s
B ．卫星在轨道2上Q 点的运行速率大于7.9km/s
C ．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
2
2GMm v m r r
= 解得
GM
v 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
2
GMm
ma r = 得
2
GM
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 。

9．如图所示，A 是静止在赤道上随地球自转的物体，B 、C 是在赤道平面内的两颗人造卫星，B 位于离地面高度等于地球半径的圆形轨道上，C 是地球同步卫星．下列关系正确的是
A ．物体A 随地球自转的线速度大于卫星
B 的线速度 B ．卫星B 的角速度小于卫星
C 的角速度 C ．物体A 随地球自转的周期大于卫星C 的周期
D ．物体A 随地球自转的向心加速度小于卫星C 的向心加速度 【答案】D 【解析】 【分析】 【详解】 A ．根据
22Mm v G m r r
= 知
GM
r
C 的轨道半径大于B 的轨道半径，则B 的线速度大于C 的线速度，A 、C 的角速度相等，根据v=rω知，C 的线速度大于A 的线速度，可知物体A 随地球自转的线速度小于卫星B 的线速度，故A 错误． B ．根据
2
2Mm G
mr r
ω= 知
3GM
r
ω=
因为C 的轨道半径大于B 的轨道半径，则B 的角速度大于C 的角速度，故B 错误． C ．A 的周期等于地球的自转周期，C 为地球的同步卫星，则C 的周期与地球的自转周期相等，所以物体A 随地球自转的周期等于卫星C 的周期，故C 错误．
D ．因为AC 的角速度相同，根据a=rω2知，C 的半径大于A 的半径，则C 的向心加速度大于 A 的向心加速度，所以物体A 随地球自转的向心加速度小于卫星C 的向心加速度，故D 正确． 故选D ．
10．科幻影片《流浪地球》中为了让地球逃离太阳系，人们在地球上建造特大功率发动机，使地球完成一系列变轨操作，其逃离过程可设想成如图所示，地球在椭圆轨道I 上运行到远日点P 变轨进入圆形轨道II ，在圆形轨道II 上运行一段时间后在P 点时再次加速变轨，从而最终摆脱太阳束缚。

对于该过程，下列说法正确的是( )
A ．地球在P 点通过向前喷气减速实现由轨道I 进入轨道II
B ．若地球在I 、II 轨道上运行的周期分别为T 1、T 2，则T 1<T 2，
C ．地球在轨道I 正常运行时(不含变轨时刻)经过P 点的加速度比地球在轨道II 正常运行(不含变轨时刻)时经过P 点的加速度大
D ．地球在轨道I 上过O 点的速率比地球在轨道II 上过P 点的速率小 【答案】B 【解析】 【分析】 【详解】
A ．地球沿轨道Ⅰ运动至P 点时，需向后喷气加速才能进入轨道Ⅱ，A 错误；
B ．设地球在Ⅰ、Ⅱ轨道上运行的轨道半径分别为r 1（半长轴）、r 2，由开普勒第三定律
3
3r k T
= 可知
T 1<T 2
B 正确；
C ．因为地球只受到万有引力作用，故不论从轨道Ⅰ还是轨道Ⅱ上经过P 点，地球的加速度都相同，C 错误；
D ．由万有引力提供向心力
2
2GMm v m r r
= 可得
Gm
v r
=
因此在O 点绕太阳做匀速圆周运动的速度大于轨道II 上过P 的速度，而绕太阳匀速圆周运动的O 点需要加速才能进入轨道Ⅰ，因此可知地球在轨道Ⅰ上过O 点的速率比地球在轨道II 上过P 点的速率大，D 错误。

故选B 。

11．．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 224T
πr 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．
12．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
22A 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 。

13．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，三颗质量相等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R ，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R
B ．每颗星球做圆周运动的加速度与三颗星球的质量无关
C ．每颗星球做圆周运动的周期为T ＝2πR
3R
Gm
D ．每颗星球做圆周运动的线速度v ＝2Gm
R
【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 ＝2cos30R
︒
＝
3
3
R A 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 ＝22
2Gm R
cos 30°＝ma
解得
a ＝
2
3Gm
R
B 错误；
CD ．由F ＝222Gm R cos 30°＝m 2v r ＝m 2
24T
πr ，得
v ＝
Gm R ，T ＝2πR 3R
Gm
C 正确
D 错误． 故选C 。

14．如图所示，飞行器P 绕某星球做匀速圆周运动，下列说法不正确的是（ ）
A ．轨道半径越大，周期越长
B ．张角越大，速度越大
C ．若测得周期和星球相对飞行器的张角，则可得到星球的平均密度
D ．若测得周期和轨道半径，则可得到星球的平均密度 【答案】D
【解析】 【分析】 【详解】
A ．根据开普勒第三定律3
2r k T
=，可知轨道半径越大，飞行器的周期越长， A 正确；
B
．根据卫星的速度公式v =
，可知张角越大，轨道半径越小，速度越大，B 正确； C ．根据公式222
4Mm r
G m r T π=可得
23
2
4r M GT π=
设星球的质量为M ，半径为R ，平均密度为ρ，飞行器的质量为m ，轨道半径为r ，周期为T ，对于飞行器，由几何关系得
sin
2
R r θ
=
星球的平均密度为
343
M R ρπ=
由以上三式知，测得周期和张角，就可得到星球的平均密度，C 正确；
D ．由222
4Mm r
G m r T
π=可得 23
2
4r M GT
π= 星球的平均密度为
343
M R ρπ=
可知若测得周期和轨道半径，可得到星球的质量，但星球的半径未知，不能求出星球的体积，故不能求出平均密度，D 错误。

故选D 。

15．我国于2019年年底发射“嫦娥五号”探月卫星，计划执行月面取样返回任务。

“嫦娥五号”从月球返回地球的过程可以简单分成四步，如图所示第一步将“嫦娥五号”发射至月球表面附近的环月圆轨道I ，第二步在环月轨道的A 处进行变轨进入月地转移轨道Ⅱ，第三步当接近地球表面附近时，又一次变轨，从B 点进入绕地圆轨道III ，第四步再次变轨道后降落至地面，下列说法正确的是（ ）
A．将“嫦娥五号”发射至轨道I时所需的发射速度为7.9km/s
B．“嫦娥五号”从环月轨道Ⅰ进入月地转移轨道Ⅱ时需要加速
C．“嫦娥五号”从A沿月地转移轨道Ⅱ到达B点的过程中其速率一直增加
D．“嫦娥五号”在第四步变轨时需要加速
【答案】B
【解析】
【分析】
【详解】
A．7.9km/s是地球的第一宇宙速度，也就是将卫星发射到近地轨道上的最小发射速度，而月球的第一宇宙速度比地球的小的多，也就是将卫星发射到近月轨道I上的发射速度比7.9km/s小的多，A错误；
B．“嫦娥五号”从环月轨道Ⅰ进入月地转移轨道Ⅱ时做离心运动，因此需要加速，B正确；C．开始时月球引力大于地球引力，做减速运动，当地球引力大于月球引力时，才开始做加速运动，C错误；
D．“嫦娥五号”在第四步变轨时做近心运动，因此需要减速，D错误。

故选B。