【高考精粹】高考二轮复习学案专题第六讲：万有引力

2019届高三二轮复习专题复习
专题一 万有引力(2课时）
01考纲解读
考点
要求
考点解读及预测
万有引力定律及其应用
Ⅱ
本专题知识要求熟悉掌握运用万有引力定律、牛顿第二定律、功能关系以及匀速圆周运动规律来分析天体的运动。知道开普勒三定律，能利用三定律进行判断与简单计算。
以我国飞速发展的事业为背景，凸显最新科技动态，应用万有引力定律解决卫星发射和回收过程中各物理量的比较和功能转化。
应用万有引力定律解决天体运动、人造卫星运动、变轨问题。本专题内容考查主要是以选择题的形式出现，而单独命题的计算题较少。
环绕速度
Ⅱ
第二宇宙速度
第三宇宙速度
Ⅰ
经典时空观和相对时空观
Ⅰ
02知识梳理
基本规律
一、开普勒三定律的内容、公式
定律
内容
图示或公式
开普勒第一定律(轨道定律)
所有行星绕太阳运动的轨道都是椭圆，太阳处在椭圆的一个焦点上
开普勒第二定律(面积定律)
对任意一个行星来说，它与太阳的连线在相等的时间内扫过的面积相等
开普勒第三定律(周期定律)
所有行星的轨道的半长轴的三次方跟它的公转周期的二次方的比值都相等
＝k，k是一个与行星无关的常量
二、万有引力定律
1．内容
自然界中任何两个物体都相互吸引，引力的方向在它们的连线上，引力的大小与物体的质量m1和m2的乘积成正比，与它们之间距离r的二次方成反比.
2．表达式
F＝G，G为引力常量，G＝6.67×10－11N·m2/kg2.
3．适用条件
(1)公式适用于质点间的相互作用，当两个物体间的距离远大于物体本身的大小时，物体可视为质点.
(2)质量分布均匀的球体可视为质点，r是两球心间的距离.
4．天体运动问题分析
(1)将天体或卫星的运动看成匀速圆周运动，其所需向心力由万有引力提供.
(2)基本公式：
G＝ma＝
三、宇宙速度
1．第一宇宙速度
(1)第一宇宙速度又叫环绕速度，其数值为7.9 km/s.
(2)第一宇宙速度是人造卫星在地面附近环绕地球做匀速圆周运动时具有的速度.
(3)第一宇宙速度是人造卫星的最小发射速度，也是人造卫星的最大环绕速度.
(4)第一宇宙速度的计算方法.
由G＝m得v＝；
由mg＝m得v＝.
2．第二宇宙速度
使物体挣脱地球引力束缚的最小发射速度，其数值为11.2 km/s.
3．第三宇宙速度
使物体挣脱太阳引力束缚的最小发射速度，其数值为16.7 km/s.
四、经典力学局限性
宏观、低速、弱引力
03重点拓展
解决问题的主线
1．
2．
开普勒三定律的理解和应用
1．行星绕太阳的运动通常按圆轨道处理.
2．开普勒行星运动定律也适用于其他天体，例如月球、卫星绕地球的运动.
3．开普勒第三定律＝k中，k值只与中心天体的质量有关，不同的中心天体k值不同.但该定律只能用在同一中心天体的两星体之间.
万有引力定律的理解
1．万有引力与重力的关系
地球对物体的万有引力F表现为两个效果：一是重力mg，二是提供物体随地球自转的向心力F向.
(1)在赤道上：G＝mg1＋mω2R.
(2)在两极上：G＝mg0.
(3)在一般位置：万有引力G等于重力mg与向心力F向的矢量和.
越靠近南、北两极，g值越大，由于物体随地球自转所需的向心力较小，常认为万有引力近似等于重力，即＝mg.
2．星球上空的重力加速度g′
星球上空距离星体中心r＝R＋h处的重力加速度为g′，mg′＝，得g′＝.所以＝.
3．万有引力的“两点理解”和“两个推论”
(1)两点理解
①两物体相互作用的万有引力是一对作用力和反作用力.
②地球上的物体受到的重力只是万有引力的一个分力.
(2)两个推论
①推论1：在匀质球壳的空腔内任意位置处，质点受到球壳的万有引力的合力为零，即∑F引＝0.
②推论2：在匀质球体内部距离球心r处的质点(m)受到的万有引力等于球体内半径为r的同心球体(M′)对其的万有引力，即F＝G.
天体质量和密度常用的估算方法
使用方法
已知量
利用公式
表达式
备注
质量的计算
利用运行天体
r、T
G＝mr
M＝
只能得到中心天体的质量
r、v
G＝m
M＝
v、T
G＝m
G＝mr
M＝
利用天体表面重力加速度
g、R
mg＝
M＝
密度的计算
利用运行天体
r、T、R
G＝mr
M＝ρ·πR3
ρ＝
当r＝R时ρ＝
利用近地卫星只需测出其运行周期
利用天体表面重力加速度
g、R
mg＝
M＝ρ·πR3
ρ＝
卫星运行参量的分析
卫星运行参量
相关方程
结论
线速度v
G＝m?v＝
r越大，v、ω、a越小，T越大
角速度ω
G＝mω2r?ω＝
周期T
G＝m2r ?T＝2π
向心加速度a
G＝ma?a＝
04典例分析
考点一 开普勒三定律的理解和应用
例1　(多选)(2017·全国卷Ⅱ·19)如图1，海王星绕太阳沿椭圆轨道运动，P为近日点，Q为远日点，M、N为轨道短轴的两个端点，运行的周期为T0，若只考虑海王星和太阳之间的相互作用，则海王星在从P经过M、Q到N的运动过程中(　　)
A.从P到M所用的时间等于
B.从Q到N阶段，机械能逐渐变大
C.从P到Q阶段，速率逐渐变小 图1
D.从M到N阶段，万有引力对它先做负功后做正功
解析　由行星运动的对称性可知，从P经M到Q点的时间为T0，根据开普勒第二定律可知，从P到M运动的速率大于从M到Q运动的速率，可知从P到M所用的时间小于T0，选项A错误；海王星在运动过程中只受太阳的引力作用，故机械能守恒，选项B错误；根据开普勒第二定律可知，从P到Q阶段，速率逐渐变小，选项C正确；海王星受到的万有引力指向太阳，从M到N阶段，万有引力对它先做负功后做正功，选项D正确.
【答案】 CD
考点二 万有引力定律的理解
例2　由中国科学院、中国工程院两院院士评出的2012年中国十大科技进展新闻，于2013年1月19日揭晓，“神九”载人飞船与“天宫一号”成功对接和“蛟龙”号下潜突破7 000米分别排在第一、第二.若地球半径为R，把地球看做质量分布均匀的球体.“蛟龙”下潜深度为d，“天宫一号”轨道距离地面高度为h，“蛟龙”号所在处与“天宫一号”所在处的加速度之比为(　　)
A. B. C. D.
解析　令地球的密度为ρ，则在地球表面，重力和地球的万有引力大小相等，有：g＝G.由于地球的质量为：M＝ρ·πR3，所以重力加速度的表达式可写成：g＝＝＝πGρR.根据题意有，质量分布均匀的球壳对壳内物体的引力为零，故在深度为d的地球内部，受到地球的万有引力即为半径等于(R－d)的球体在其表面产生的万有引力，故“蛟龙”号的重力加速度g′＝πGρ(R－d)，所以有＝.根据万有引力提供向心力G＝ma，“天宫一号”的加速度为a＝，所以＝，＝，故C正确，A、B、D错误.
【答案】　C
考点三 天体质量和密度的估算
例3　据报道，天文学家新发现了太阳系外的一颗行星.这颗行星的体积是地球的a倍，质量是地球的b倍.已知近地卫星绕地球运行的周期约为T，引力常量为G.则该行星的平均密度为(　　)
A. B. C. D.
解析　万有引力提供近地卫星绕地球运行的向心力：G＝m，且ρ地＝，联立得ρ地＝.而＝＝，因而ρ星＝.
【答案】　C
考点四 卫星运动及变轨问题
例4　中国北斗卫星导航系统(BDS)是中国自行研制的全球卫星导航系统，是继美国全球定位系统(GPS)、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)之后第三个成熟的卫星导航系统。预计2020年左右，北斗卫星导航系统将形成全球覆盖能力。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的角速度小于c的角速度
B．卫星a的加速度大于b的加速度
C．卫星a的运行速度大于第一宇宙速度
D．卫星b的周期大于24 h
解析　a的轨道半径大于c的轨道半径，因此卫星a的角速度小于c的角速度，选项A正确；a的轨道半径与b的轨道半径相等，因此卫星a的加速度等于b的加速度，选项B错误；a的轨道半径大于地球半径，因此卫星a的运行速度小于第一宇宙速度，选项C错误；a的轨道半径与b的轨道半径相等，卫星b的周期等于a的周期，为24 h，选项D错误。
【答案】　A
例5 如图所示是嫦娥三号奔月过程中某阶段的运动示意图，嫦娥三号沿椭圆轨道Ⅰ运动到近月点P处变轨进入圆轨道Ⅱ，嫦娥三号在圆轨道Ⅱ做圆周运动的轨道半径为r，周期为T，已知引力常量为G，下列说法中正确的是(　　)
A．由题中(含图中)信息可求得月球的质量
B．由题中(含图中)信息可求得月球第一宇宙速度
C．嫦娥三号在P处变轨时必须点火加速
D．嫦娥三号沿椭圆轨道Ⅰ运动到P处时的加速度大于沿圆轨道Ⅱ运动到P处时的加速度
解析　由万有引力提供向心力得G＝mr，得：M＝，即根据轨道半径为r，周期为T，万有引力常量为G，可以计算出月球的质量，故A项正确；万有引力提供向心力G＝m，得：v＝，由于不知道月球半径，所以不能计算月球第一宇宙速度，故B项错误；椭圆轨道和圆轨道是不同的轨道，航天飞机不可能自主改变轨道，只有在减速后，做近心运动，才能进入圆轨道，故C项错误；嫦娥三号沿椭圆轨道Ⅰ运动到P处时和沿圆轨道Ⅱ运动到P处时，所受万有引力大小相等，所以加速度大小也相等，故D项错误。
【答案】　A
05强化训练
一、选择题(1～7题为单项选择题，8～14题为多项选择题)
1．(2017·湖南衡阳五校联考)在力学理论建立的过程中，有许多伟大的科学家做出了贡献。关于科学家和他们的贡献，下列说法中不正确的是(　　)
A．伽利略首先将实验事实和逻辑推理(包括数学推演)和谐地结合起来
B．笛卡儿对牛顿第一定律的建立做出了贡献
C．开普勒通过研究行星观测记录，发现了行星运动三大定律
D．牛顿总结出了万有引力定律并用实验测出了引力常量
2．假设有一星球的密度与地球相同，但它表面处的重力加速度是地球表面重力加速度的4倍，则该星球的质量是地球质量的(　　)
A. B．4倍 C．16倍 D．64倍

3．火星成为我国深空探测的第二颗星球，假设火星探测器在着陆前，绕火星表面匀速飞行(不计周围其他天体的影响)，宇航员测出飞行N圈用时t，已知地球质量为M，地球半径为R，火星半径为r，地球表面重力加速度为g。则(　　)
A．火星探测器匀速飞行的速度约为
B．火星探测器匀速飞行的向心加速度约为
C．火星探测器的质量为
D．火星的平均密度为
4．登上火星是人类的梦想，“嫦娥之父”欧阳自远透露：中国计划于2020年登陆火星。地球和火星公转视为匀速圆周运动，忽略行星自转影响。根据下表，火星和地球相比(　　)
行星
半径/m
质量/kg
轨道半径/m
地球
6.4×106
6.0×1024
1.5×1011
火星
3.4×106
6.4×1023
2.3×1011
A.火星的公转周期较小
B．火星做圆周运动的加速度较小
C．火星表面的重力加速度较大
D．火星的第一宇宙速度较大

5．如图所示，一颗地球同步卫星先沿椭圆轨道1飞行，后在远地点P处点火加速，由椭圆轨道1变轨到地球同步圆轨道2。下列说法正确的是(　　)
A．卫星在轨道2运行时的速度大于7.9 km/s
B．卫星沿轨道2运动的过程中，卫星中的仪器处于失重状态
C．卫星沿轨道2运动的过程中，有可能经过北京的正上空
D．卫星经过轨道1上的P点和轨道2上的P点的加速度大小相等

6．(2015·海南单科，6)若在某行星和地球上相对于各自的水平地面附近相同的高度处、以相同的速率平抛一物体，它们在水平方向运动的距离之比为2∶，已知该行星质量约为地球的7倍，地球的半径为R。由此可知，该行星的半径约为(　　)
A.R B.R C．2R D.R

7．(2016·辽宁大连重点中学联考)如图2所示，某极地轨道卫星的运行轨道平面通过地球的南北两极，已知该卫星从北纬60°的正上方按图示方向第一次运行到南纬60°的正上方时所用时间为1 h，则下列说法正确的是(　　)
图2
A．该卫星的运行速度一定大于7.9 km/s B．该卫星与同步卫星的运行速度之比为1∶2
C．该卫星与同步卫星的运行半径之比为1∶4 D．该卫星的机械能一定大于同步卫星的机械能
(多选)如图所示，同步卫星与地心的距离为r，运行速率为v1，向心加速度为a1，地球赤道上的物体随地球自转的向心加速度为a2，第一宇宙速度为v2，地球半径为R，则下列比值正确的是(　　)
A.＝ B.＝()2
C.＝ D.＝
下列关于三种宇宙速度的说法正确的是(　　)
A．第一宇宙速度v1＝7.9 km/s，第二宇宙速度v2＝11.2 km/s，则人造卫星绕地球在圆轨道上运行时的速度大于等于v1，小于v2
B．美国发射的“凤凰”号火星探测卫星，其发射速度大于第三宇宙速度
C．第二宇宙速度是使物体可以挣脱地球引力束缚，成为绕太阳运行的小行星的最小发射速度
D．第一宇宙速度7.9 km/s是人造地球卫星绕地球做圆周运动的最大运行速度

10．据报道，目前我国正在研制“萤火二号”火星探测器。探测器升空后，先在近地轨道上以线速度v环绕地球飞行，再调整速度进入地火转移轨道，最后再一次调整速度以线速度v′在火星表面附近环绕飞行。若认为地球和火星都是质量分布均匀的球体，已知火星与地球的半径之比为1∶2，密度之比为5∶7，设火星与地球表面重力加速度分别为g′和g，下列结论正确的是(　　)
A．g′∶g＝4∶1 B．g′∶g＝5∶14 C．v′∶v＝ D．v′∶v＝

11．(2016·山西四校联考)宇宙中有这样一种三星系统，系统由两个质量为m的小星体和一个质量为M的大星体组成，两个小星体围绕大星体在同一圆形轨道上运行，轨道半径为r。关于该三星系统的说法正确的是(　　)
A．在稳定运行的情况下，大星体提供两小星体做圆周运动的向心力
B．在稳定运行的情况下，大星体应在小星体轨道中心，两小星体在大星体相对的两侧
C．小星体运行的周期为T＝
D．大星体运行的周期为T＝
12．北斗卫星导航系统是我国自行研制开发的区域性三维卫星定位与通信系统，建成后的北斗卫星导航系统包括5颗同步卫星和30颗一般轨道卫星。关于这些卫星，下列说法正确的是(　　)
A．5颗同步卫星的轨道半径都相同
B．5颗同步卫星的运行轨道必定在同一平面内
C．导航系统所有卫星的运行速度一定大于第一宇宙速度
D．导航系统所有卫星中，运行轨道半径越大的卫星，周期越小

13．某物理兴趣小组通过查资料得到以下量的具体数据(用字母表示)：地球半径R，地球质量m，日地中心距离r，地球的近地卫星绕地球运行的周期T1，地球的同步卫星绕地球运行的周期T0，地球绕太阳运行的周期T。由此可知(　　)
A．太阳质量为
B．太阳质量为
C．地球同步卫星离地面的高度为(－1)R
D．地球同步卫星离地面的高度为(－1)R

14．海南文昌卫星发射场靠近赤道，主要用于发射中国新一代无毒、无污染运载火箭和新型航天器，承担地球同步轨道卫星、大质量极轨卫星、大吨位空间站和深空探测航天器等航天发射任务。假设海南文昌卫星发射场的地理纬度是θ，地球半径为R，地球自转周期为T，该地的重力加速度为g，则(　　)
A．卫星静止在发射塔时的线速度为
B．质量为m的卫星所受地球的引力可能小于mg
C．质量为m的卫星静止在发射塔时的向心加速度a＝()2Rcos θ
D．质量为m的卫星静止在发射塔时对发射塔的压力大小等于mg

15．（多选）2017年8月28日，中科院南极天文中心的巡天望远镜观测到一个由双中子星构成的孤立双星系统产生的引力波。该双星系统以引力波的形式向外辐射能量，使得圆周运动的周期T极其缓慢地减小，双星的质量m1与m2均不变，则下列关于该双星系统变化的说法正确的是（ ）
A. 双星间的间距逐渐增大
B. 双星间的万有引力逐渐增大
C. 双星的线速度逐渐增大
D. 双星系统的引力势能逐渐增大
16．2016年6月25日20时00分，长征七号运载火箭成功发射，6月26日15时04分许，围绕地球飞行了13圈的多用途飞船缩比返回舱开始返回。假设多用途飞船围绕地球做匀速圆周运动，若已知地面的重力加速度和地球半径，根据以上信息，可以求出的物理量为(　　)
A．多用途飞船围绕地球做匀速圆周运动的向心力
B．多用途飞船围绕地球做匀速圆周运动的轨道半径
C．地球质量
D．多用途飞船围绕地球做匀速圆周运动的线速度

17．(多选)如图6所示，搭载着“嫦娥二号”卫星的“长征三号丙”运载火箭在西昌卫星发射中心点火发射.卫星由地面发射后，进入地月转移轨道，经多次变轨最终进入距离月球表面100 km、周期为118 min的工作轨道Ⅲ，开始对月球进行探测，下列说法正确的是(　　)
图6
A.卫星在轨道Ⅲ的运行速度比月球的第一宇宙速度小
B.卫星在轨道Ⅲ上经过P点的加速度比在轨道Ⅰ上经过P点的加速度大
C.卫星在轨道Ⅲ上的运行周期比在轨道Ⅰ上的长
D.卫星在轨道Ⅰ上经过P点的速度比在轨道Ⅲ上经过P点的速度大
18．（多选）我国计划2017年11月在海南文昌发射场将“嫦娥五号”送上38万公里外的月球，采回月壤，实现航天工程绕、落、回的收关阶段。到时着陆器将自动从月面取样后从月表起飞，并在近月轨道实现自动交会对接后和返回舱一起返回地面，供科学家分析。了解这则新闻后物理兴趣小组进行了热烈讨论，绘制出了“嫦娥五号”奔向月球和返回地球的示意图，图中对接为取样后的对接点，实线圆为绕行器在半径为r的圆轨道绕月等待着陆器返回的轨道，设着陆器取样并返回到绕行器的时间t内绕行器飞行N圈，全过程不考虑空气阻力的影响。已知引力常量为G，月球的半径为R，则兴趣小组提出了下列有关结论，其中表示正确的是
A. 从地表发射后的“嫦娥五号”需要进行多次变轨，当其速度达到第二宇宙速度时才能飞抵月球
B. “嫦娥五号”沿椭圆轨道向38万公里外的月球飞行时，只有月球也运动到椭圆轨道的远地点附近时才能将“嫦娥五号”捕获，否则还要沿椭圆轨道返回
C. 结合题中信息可知月球的质量为，二者在对接过程中有一定的机械能损失
D. 绕行器携带样品沿椭圆轨道返回地球时，虽然引力做功，动能增大，但系统的机械能不变
二、非选择题
19．中国计划在2017年实现返回式月球软着陆器对月球进行科学探测，宇航员在月球上着陆后，自高h处以初速度v0水平抛出一小球，测出水平射程为L(这时月球表面可以看成是平坦的)，已知月球半径为R，万有引力常量为G，求：
(1)月球表面处的重力加速度及月球的质量M月；
(2)如果要在月球上发射一颗绕月球运行的卫星，所需的最小发射速度为多大？
(3)当着陆器绕距月球表面高H的轨道上运动时，着陆器环绕月球运动的周期是多少？

参考答案
一、选择题(1～7题为单项选择题，8～14题为多项选择题)
1．(2017·湖南衡阳五校联考)在力学理论建立的过程中，有许多伟大的科学家做出了贡献。关于科学家和他们的贡献，下列说法中不正确的是(　　)
A．伽利略首先将实验事实和逻辑推理(包括数学推演)和谐地结合起来
B．笛卡儿对牛顿第一定律的建立做出了贡献
C．开普勒通过研究行星观测记录，发现了行星运动三大定律
D．牛顿总结出了万有引力定律并用实验测出了引力常量
答案　D
2．假设有一星球的密度与地球相同，但它表面处的重力加速度是地球表面重力加速度的4倍，则该星球的质量是地球质量的(　　)
A. B．4倍 C．16倍 D．64倍
解析　由＝mg得M＝，所以ρ＝＝＝，ρ＝ρ地，即＝，得R＝4R地，故＝·＝64。选项D正确。
答案　D
3．火星成为我国深空探测的第二颗星球，假设火星探测器在着陆前，绕火星表面匀速飞行(不计周围其他天体的影响)，宇航员测出飞行N圈用时t，已知地球质量为M，地球半径为R，火星半径为r，地球表面重力加速度为g。则(　　)
A．火星探测器匀速飞行的速度约为
B．火星探测器匀速飞行的向心加速度约为
C．火星探测器的质量为
D．火星的平均密度为
解析　火星探测器匀速飞行的速度约为v＝，A错误；火星探测器匀速飞行，G＝，对于地球，g＝，两式结合，得到M火＝，火星的平均密度为ρ＝＝，故D错误；火星探测器的质量不可能计算出来，故C错误。
答案　B
4．登上火星是人类的梦想，“嫦娥之父”欧阳自远透露：中国计划于2020年登陆火星。地球和火星公转视为匀速圆周运动，忽略行星自转影响。根据下表，火星和地球相比(　　)
行星
半径/m
质量/kg
轨道半径/m
地球
6.4×106
6.0×1024
1.5×1011
火星
3.4×106
6.4×1023
2.3×1011
A.火星的公转周期较小
B．火星做圆周运动的加速度较小
C．火星表面的重力加速度较大
D．火星的第一宇宙速度较大
解析　由G＝mr＝ma知，T＝2π，a＝，轨道半径越大，公转周期越大，加速度越小，由于r火＞r地，故选项A错误，B正确；由G＝mg得g＝G，＝·＝2.6，火星表面的重力加速度较小，C错误；由G＝m得v＝，＝＝，火星的第一宇宙速度较小，D错误。
答案　B
5．如图所示，一颗地球同步卫星先沿椭圆轨道1飞行，后在远地点P处点火加速，由椭圆轨道1变轨到地球同步圆轨道2。下列说法正确的是(　　)
A．卫星在轨道2运行时的速度大于7.9 km/s
B．卫星沿轨道2运动的过程中，卫星中的仪器处于失重状态
C．卫星沿轨道2运动的过程中，有可能经过北京的正上空
D．卫星经过轨道1上的P点和轨道2上的P点的加速度大小相等
解析　同步卫星的轨道半径要大于近地卫星的轨道半径，同步卫星运行的线速度一定小于第一宇宙速度，故A错误；卫星绕地球做匀速圆周运动时所受万有引力提供向心力，处于完全失重状态，故B正确；地球同步卫星只能在赤道的正上空，故C错误；根据＝ma，得a＝，卫星在轨道1上的P点和轨道2上的P点的轨道半径相等，故加速度相等，D正确。
答案　BD
6．(2015·海南单科，6)若在某行星和地球上相对于各自的水平地面附近相同的高度处、以相同的速率平抛一物体，它们在水平方向运动的距离之比为2∶，已知该行星质量约为地球的7倍，地球的半径为R。由此可知，该行星的半径约为(　　)
A.R B.R C．2R D.R
解析　平抛运动在水平方向上做匀速直线运动，即x＝v0t，在竖直方向上做自由落体运动，即h＝gt2，所以x＝v0，两种情况下，抛出的速率相同，高度相同，所以＝＝，根据公式G＝mg可得R2＝，故＝＝2，解得R行＝2R，故C正确。
答案　C
7．(2016·辽宁大连重点中学联考)如图2所示，某极地轨道卫星的运行轨道平面通过地球的南北两极，已知该卫星从北纬60°的正上方按图示方向第一次运行到南纬60°的正上方时所用时间为1 h，则下列说法正确的是(　　)
图2
A．该卫星的运行速度一定大于7.9 km/s B．该卫星与同步卫星的运行速度之比为1∶2
C．该卫星与同步卫星的运行半径之比为1∶4 D．该卫星的机械能一定大于同步卫星的机械能
解析　近地卫星的环绕速度等于第一宇宙速度7.9 km/s。根据G＝m，得v＝，半径越大线速度越小，该卫星的半径大于地球半径，则其运行速度一定小于7.9 km/s，选项A错误；该卫星从北纬60°到南纬60°，转过120°用时1 h，则其转过360°用时3 h，即周期为3 h，而同步卫星的周期为24 h，即该卫星与同步卫星的周期之比为1∶8。根据G＝mr，得＝，则可得半径之比为1∶4，选项C正确；再由v＝可得该卫星与同步卫星的运行速度之比为2∶1，选项B错误；该卫星与同步卫星的质量关系未知，无法判断两者机械能的大小关系，选项D错误。
答案　C
(多选)如图所示，同步卫星与地心的距离为r，运行速率为v1，向心加速度为a1，地球赤道上的物体随地球自转的向心加速度为a2，第一宇宙速度为v2，地球半径为R，则下列比值正确的是(　　)
A.＝ B.＝()2
C.＝ D.＝
答案　AD
解析　地球同步卫星：轨道半径为r，运行速率为v1，向心加速度为a1；
地球赤道上的物体：轨道半径为R，随地球自转的向心加速度为a2；
以第一宇宙速度运行的卫星为近地卫星.
对于卫星，其共同特点是万有引力提供向心力，
则G＝m，故 ＝.
对于同步卫星和地球赤道上的物体，其共同特点是角速度相等，则an＝ω2r，故 ＝.
下列关于三种宇宙速度的说法正确的是(　　)
A．第一宇宙速度v1＝7.9 km/s，第二宇宙速度v2＝11.2 km/s，则人造卫星绕地球在圆轨道上运行时的速度大于等于v1，小于v2
B．美国发射的“凤凰”号火星探测卫星，其发射速度大于第三宇宙速度
C．第二宇宙速度是使物体可以挣脱地球引力束缚，成为绕太阳运行的小行星的最小发射速度
D．第一宇宙速度7.9 km/s是人造地球卫星绕地球做圆周运动的最大运行速度
解析　根据v＝可知，卫星的轨道半径r越大，即距离地面越远，卫星的环绕速度越小，v1＝7.9 km/s是人造地球卫星绕地球做圆周运动的最大运行速度，选项D正确；其余绕地球在圆轨道上运行时的卫星的速度都小于第一宇宙速度，选项A错误；美国发射的“凤凰”号火星探测卫星，仍在太阳的引力范围内，所以其发射速度小于第三宇宙速度，选项B错误；第二宇宙速度是物体挣脱地球束缚而成为一颗绕太阳运行的小行星的最小发射速度(在地面上发射)，选项C正确。
答案　CD
10．据报道，目前我国正在研制“萤火二号”火星探测器。探测器升空后，先在近地轨道上以线速度v环绕地球飞行，再调整速度进入地火转移轨道，最后再一次调整速度以线速度v′在火星表面附近环绕飞行。若认为地球和火星都是质量分布均匀的球体，已知火星与地球的半径之比为1∶2，密度之比为5∶7，设火星与地球表面重力加速度分别为g′和g，下列结论正确的是(　　)
A．g′∶g＝4∶1 B．g′∶g＝5∶14 C．v′∶v＝ D．v′∶v＝
解析　在天体表面附近，重力与万有引力近似相等，G＝mg，M＝ρπR3，解两式得：g＝GπρR，所以g′∶g＝5∶14，A项错，B项正确；探测器在天体表面飞行时，万有引力充当向心力，即：G＝m，M＝ρπR3，解两式得：v＝2R，所以v′∶v＝，C项正确，D项错。
答案　BC
11．(2016·山西四校联考)宇宙中有这样一种三星系统，系统由两个质量为m的小星体和一个质量为M的大星体组成，两个小星体围绕大星体在同一圆形轨道上运行，轨道半径为r。关于该三星系统的说法正确的是(　　)
A．在稳定运行的情况下，大星体提供两小星体做圆周运动的向心力
B．在稳定运行的情况下，大星体应在小星体轨道中心，两小星体在大星体相对的两侧
C．小星体运行的周期为T＝
D．大星体运行的周期为T＝
解析　在稳定运行的情况下，对某一个环绕星体而言，受到其他两个星体的万有引力，两个万有引力的合力提供环绕星体做圆周运动的向心力，选项A错误；在稳定运行的情况下，大星体应在小星体轨道中心，两小星体在大星体相对的两侧，选项B正确；对某一个小星体有＋＝，解得小星体运行的周期为T＝，选项C正确；大星体相对静止，选项D错误。
答案　BC
12．北斗卫星导航系统是我国自行研制开发的区域性三维卫星定位与通信系统，建成后的北斗卫星导航系统包括5颗同步卫星和30颗一般轨道卫星。关于这些卫星，下列说法正确的是(　　)
A．5颗同步卫星的轨道半径都相同
B．5颗同步卫星的运行轨道必定在同一平面内
C．导航系统所有卫星的运行速度一定大于第一宇宙速度
D．导航系统所有卫星中，运行轨道半径越大的卫星，周期越小
解析　所有同步卫星的轨道都位于赤道平面内，轨道半径和运行周期都相同，选项A、B正确；卫星绕地球做匀速圆周运动，有G＝m，v＝，故随着卫星运行轨道半径的增大，运行速度减小，在地球表面附近运行的卫星的速度最大，等于第一宇宙速度，导航系统所有卫星运行的速度都小于第一宇宙速度，选项C错误；由G＝mr得T2＝，则轨道半径越大，周期越大，选项D错误。
答案　AB
13．某物理兴趣小组通过查资料得到以下量的具体数据(用字母表示)：地球半径R，地球质量m，日地中心距离r，地球的近地卫星绕地球运行的周期T1，地球的同步卫星绕地球运行的周期T0，地球绕太阳运行的周期T。由此可知(　　)
A．太阳质量为
B．太阳质量为
C．地球同步卫星离地面的高度为(－1)R
D．地球同步卫星离地面的高度为(－1)R
解析　设太阳质量为M，由万有引力提供向心力有G＝mr，在地球表面有G＝m′R，得M＝，A正确，B错误；由开普勒第三定律有＝，可得地球同步卫星离地面的高度为h＝(－1)R，C正确，D错误。
答案　AC
14．海南文昌卫星发射场靠近赤道，主要用于发射中国新一代无毒、无污染运载火箭和新型航天器，承担地球同步轨道卫星、大质量极轨卫星、大吨位空间站和深空探测航天器等航天发射任务。假设海南文昌卫星发射场的地理纬度是θ，地球半径为R，地球自转周期为T，该地的重力加速度为g，则(　　)
A．卫星静止在发射塔时的线速度为
B．质量为m的卫星所受地球的引力可能小于mg
C．质量为m的卫星静止在发射塔时的向心加速度a＝()2Rcos θ
D．质量为m的卫星静止在发射塔时对发射塔的压力大小等于mg
解析　卫星静止在发射塔时的线速度为v＝ωRcos θ＝，选项A错误；由于地球自转，质量为m的卫星所受地球的引力一定大于mg，选项B错误；质量为m的卫星随地球自转，轨迹圆半径为r＝Rcos θ，向心加速度a＝ω2Rcos θ＝()2Rcos θ，选项C正确；质量为m的卫星静止在发射塔时对发射塔的压力大小等于其重力mg，选项D正确。
答案　CD
15．（多选）2017年8月28日，中科院南极天文中心的巡天望远镜观测到一个由双中子星构成的孤立双星系统产生的引力波。该双星系统以引力波的形式向外辐射能量，使得圆周运动的周期T极其缓慢地减小，双星的质量m1与m2均不变，则下列关于该双星系统变化的说法正确的是（ ）
A. 双星间的间距逐渐增大
B. 双星间的万有引力逐渐增大
C. 双星的线速度逐渐增大
D. 双星系统的引力势能逐渐增大
【解析】万有引力提供向心力，由牛顿第二定律得：
，其中，解得周期：，周期减小，则双星间的间距L减小，万有引力增大，万有引力对双星做正功，双星系统引力势能减小，，，双星间的间距L减小，双星各自的线速度增大，故BC正确，AD错误；
故选BC。
【答案】 BC
16．2016年6月25日20时00分，长征七号运载火箭成功发射，6月26日15时04分许，围绕地球飞行了13圈的多用途飞船缩比返回舱开始返回。假设多用途飞船围绕地球做匀速圆周运动，若已知地面的重力加速度和地球半径，根据以上信息，可以求出的物理量为(　　)
A．多用途飞船围绕地球做匀速圆周运动的向心力
B．多用途飞船围绕地球做匀速圆周运动的轨道半径
C．地球质量
D．多用途飞船围绕地球做匀速圆周运动的线速度
解析　根据题述信息，可求出多用途飞船围绕地球飞行13圈的时间，进而求出多用途飞船围绕地球做匀速圆周运动的周期T。由G＝mg，解得地球质量M＝，由于引力常量G未知，所以不能得出地球质量，选项C错误；由G＝mg，G＝mr()2，解得r＝，选项B正确；多用途飞船围绕地球做匀速圆周运动的向心力F＝m()2r，由于不知飞船的质量m，不能求出多用途飞船围绕地球做匀速圆周运动的向心力，选项A错误；已知轨道半径r和运动周期T，可以求出多用途飞船围绕地球做匀速圆周运动的线速度v＝，选项D正确。
答案　BD
17．(多选)如图6所示，搭载着“嫦娥二号”卫星的“长征三号丙”运载火箭在西昌卫星发射中心点火发射.卫星由地面发射后，进入地月转移轨道，经多次变轨最终进入距离月球表面100 km、周期为118 min的工作轨道Ⅲ，开始对月球进行探测，下列说法正确的是(　　)
图6
A.卫星在轨道Ⅲ的运行速度比月球的第一宇宙速度小
B.卫星在轨道Ⅲ上经过P点的加速度比在轨道Ⅰ上经过P点的加速度大
C.卫星在轨道Ⅲ上的运行周期比在轨道Ⅰ上的长
D.卫星在轨道Ⅰ上经过P点的速度比在轨道Ⅲ上经过P点的速度大
解析　卫星在轨道Ⅲ上的半径大于月球半径，根据G＝m，得v＝，可知卫星在轨道Ⅲ上的运行速度比月球的第一宇宙速度小，A正确.卫星在轨道Ⅲ上和在轨道Ⅰ上经过P点时所受万有引力相等，所以加速度也相等，B错误.轨道Ⅲ的半径比轨道Ⅰ的半长轴小，根据开普勒第三定律，卫星在轨道Ⅲ上的运行周期比在轨道Ⅰ上的短，C错误.卫星从轨道Ⅰ经多次变轨进入轨道Ⅲ，在P点需依次减速，D正确.
答案　AD
18．（多选）我国计划2017年11月在海南文昌发射场将“嫦娥五号”送上38万公里外的月球，采回月壤，实现航天工程绕、落、回的收关阶段。到时着陆器将自动从月面取样后从月表起飞，并在近月轨道实现自动交会对接后和返回舱一起返回地面，供科学家分析。了解这则新闻后物理兴趣小组进行了热烈讨论，绘制出了“嫦娥五号”奔向月球和返回地球的示意图，图中对接为取样后的对接点，实线圆为绕行器在半径为r的圆轨道绕月等待着陆器返回的轨道，设着陆器取样并返回到绕行器的时间t内绕行器飞行N圈，全过程不考虑空气阻力的影响。已知引力常量为G，月球的半径为R，则兴趣小组提出了下列有关结论，其中表示正确的是
A. 从地表发射后的“嫦娥五号”需要进行多次变轨，当其速度达到第二宇宙速度时才能飞抵月球
B. “嫦娥五号”沿椭圆轨道向38万公里外的月球飞行时，只有月球也运动到椭圆轨道的远地点附近时才能将“嫦娥五号”捕获，否则还要沿椭圆轨道返回
C. 结合题中信息可知月球的质量为，二者在对接过程中有一定的机械能损失
D. 绕行器携带样品沿椭圆轨道返回地球时，虽然引力做功，动能增大，但系统的机械能不变
答案 BC
二、非选择题
19．中国计划在2017年实现返回式月球软着陆器对月球进行科学探测，宇航员在月球上着陆后，自高h处以初速度v0水平抛出一小球，测出水平射程为L(这时月球表面可以看成是平坦的)，已知月球半径为R，万有引力常量为G，求：
(1)月球表面处的重力加速度及月球的质量M月；
(2)如果要在月球上发射一颗绕月球运行的卫星，所需的最小发射速度为多大？
(3)当着陆器绕距月球表面高H的轨道上运动时，着陆器环绕月球运动的周期是多少？
解析　(1)设月球表面的重力加速度为g，由平抛运动规律有
h＝gt2①
L＝v0·t②
得g＝③
着陆器在月球表面所受的万有引力等于重力，
G＝mg④
得M月＝⑤
(2)卫星绕月球表面运行，有
G＝⑥
联立⑤⑥得v＝⑦
(3)由牛顿第二定律有G＝m(R＋H)⑧
联立⑤⑧得T＝
答案　(1)　　(2)
(3)