辽宁省沈阳铁路实验中学下册万有引力与宇宙专题练习(解析版)(1)-

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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:(
33RAT2
GM3RBT2
GMCT3 GDT G【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
GMm42Rm2 R2T解得:
R3 T2GMB正确,A错误; CD. 星球的质量
4MρVπρR3
3代入①式可得:
TC正确,D错误.
3 G
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D.行星b与恒星a的距离是日地距离的【答案】BC 【解析】
16
92
73



【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
Mmv2G2m RR
v
GM
RM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
vvA错误;
4GMGM
1.5RRB.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g2 可知,行星bTGM ,则 2R2MR16gg2

MR9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D.由万有引力提供向心力:
16,则C正确;
9Mm42G2m2R RT得:
2GMT R324
RabMaTb230.3102=3=
2R日地MT3602D错误; 故选BC

3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】
AB、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:34rM M328/地球绕太阳做圆周运动由万有引力充当向心力.所以有:G//MMR221MMG16R2 B正确,A错误; CD、由错误; 故选BC
G//MMR2242R23?M4r2T2 ,整理得:T,与原来相同,C正确;DGM/

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



2Rh32R
T2T2解得
3TR32Rh23T
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
Mm42G2maB=m2R RT
42aB2R
TB正确;
C.由万有引力提供向心力
G可得
MmmaB R2aBR2 MGC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如图为某双星系统AB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

AA的质量一定大于B的质量 BA的加速度一定大于B的加速度 CL一定时,M越小,T越大
DL一定时,A的质量减小ΔmB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
mArA2mBrB2
因为rArB,所以mAmB,选项A错误;
B.根据ar2,因为rArB,所以aAaB,选项B正确; C.根据牛顿第二定律,有
GmAmB22mr( AA2LTG其中
mAmB22mr( BBL2TrArBL
联立解得
L3L3T2 2

G(mAmBGML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
F=GmAmB L2A的质量mA小于B的质量mBL一定时,A的质量减小ΔmB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,卫星在半径为r1的圆轨道上运行速度为1,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r2,卫星经过B点的速度为B,若规定无穷远处引力势能为0,则引力势能的表达式EpGMm,其中Gr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




Ab1
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A1122GMB
rr121D.卫星从A点运动至B点的最短时间为t【答案】AC 【解析】 【分析】 【详解】
r1r22r131
假设卫星在半径为r2的圆轨道上运行时速度为v2.由卫星的速度公式vGM 知,卫星r在半径为r2的圆轨道上运行时速度比卫星在半径为r1的圆轨道上运行时速度小,即v21.卫星要从椭圆轨道变轨到半径为r2的圆轨道,在B点必须加速,则vB2,所以有vB1.故A正确.由GMmma,可知轨道半径越大,加速度越小,则aAaB,故B2r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,
1GMm1GMm11mvA2(mvB2( vA2GM(vB2,故C正确;设2r12r2r1r2卫星在半径为r1的圆轨道上运行时周期为T1,在椭圆轨道运行周期为T2.根据开普勒第三r1r232r1T2rTt AB定律又因为卫星从点运动至点的最短时间为,联立21v122TT23121(解得tv1(r1r23 D错误. 2r1
7宇宙中有两颗孤立的中子星,它们在相互的万有引力作用下间距保持不变,并沿半径不同的同心圆轨道做匀速圆周运动.如果双星间距为L,质量分别为m1m2,引力常量为G,则(
A.双星中m1的轨道半径r1B.双星的运行周期T2Lm2L
m1m2m2L
Gm1m2Cm1的线速度大小v1m1G
L(m1m2


42L3D.若周期为T,则总质量m1m2
2
GT【答案】AD 【解析】 【分析】 【详解】
A.设行星转动的角速度为ω,周期为T,如图:

对星球m1,根据万有引力提供向心力可得
G同理对星球m2,有
m1m2m12R1
2
Lm1m2m22R2
2
L
G两式相除得
R1m2(即轨道半径与质量成反比) R2m1又因为
LR1R2
所以得
R1m2L
m1m2R2选项A正确; B.由上式得到
m1L
m1m2因为T1Gm1m2 LL2,所以
T2L选项B错误;
L

Gm1m2


C.由v2R可得双星线速度为
Tm2
L2R1m1m2Gv1m2TLm1m2
L2LGm1m22m1L2R2m1m2Gv2m1TLm1m2
L2LGm1m22选项C错误; D.由前面T2LL
Gm1m242L3 m1m22GT选项D正确。 故选AD

8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。2020年北斗卫星导航系统已形成全球覆盖能力。如图所示是北斗导航系统中部分卫星的轨道示意图,已知abc三颗卫星均做匀速圆周运动,a是地球同步卫星,则

A.卫星a的运行速度大于卫星c的运行速度 B.卫星c的加速度大于卫星b的加速度 C.卫星c的运行速度小于第一宇宙速度 D.卫星c的周期大于24h 【答案】BC 【解析】 【分析】 【详解】
A.由万有引力提供向心力有



Mmv2G2m rr则得
v则半径大的运行速度小,选项A错误; B.由万有引力提供向心力:
GM
r
G
Mmma 2rGM2
ra则半径小的加速度大,选项B正确;
C.第一宇宙速度是人造地球卫星飞船环绕地球做匀速圆周运动时的最大速度,所以卫星c的运行速度小于第一宇宙速度,选项C正确; D.由万有引力提供向心力
Mm42G2mr2 rT可得
T2r3
GM则半径大的周期大,即a的周期(24h大于c的周期,选项D错误。 故选BC

9关于人造卫星和宇宙飞船,下列说法正确的是(
A.一艘绕地球运转的宇宙飞船,宇航员从舱内慢慢走出,并离开飞船,飞船因质量减小,所受到的万有引力减小,故飞行速度减小
B.两颗人造卫星,只要它们在圆形轨道的运行速度相等,不管它们的质量、形状差别有多大,它们的运行速度相等,周期也相等
C.原来在同一轨道上沿同一方向运转的人造卫星一前一后,若要后一个卫星追上前一个卫星并发生碰撞,只要将后面一个卫星速率增大一些即可
D.关于航天飞机与空间站对接问题,先让航天飞机进入较低的轨道,然后再对其进行加速,即可实现对接 【答案】BD 【解析】 【分析】 【详解】
人造地球卫星做匀速圆周运动,根据万有引力等于向心力有



Mmmv22πG2mω2rm(2rma rrT解得
v
GM rM2
raGGM 3r42r3 TGMA.根据vGM,可知速度与飞船的质量无关,故当宇航员从舱内慢慢走出时,飞船r的速度不变,故A错误; B.根据vGM,可知两个卫星的线速度相等,故其轨道半径就相等,再根据
r42r3 TGM可知不管它们的质量、形状差别有多大,它们的运行速度相等,周期也相等,故B正确; C.当后面的卫星加速时,提供的向心力不满足所需要的向心力,故卫星要做离心运动,不可能相撞,故C错误;
D.先让飞船进入较低的轨道,若让飞船加速,所需要的向心力变大,万有引力不变,所以飞船做离心运动,轨道半径变大,即可实现对接,故D正确; 故选BD

10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12相切于Q点,轨道23相切于P点,如图所示。当卫星分别在轨道123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2Q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
GMmv2m r2r解得
v
GM
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/sA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
GMmma r2
a
GM r2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


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RARBRA<RB,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42RARBGT2



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vr知,两星球半径不同,则线速度不相等,选项B误;
C.对于星球A,有
G对于星球B,有
mAmB2mR AA2LG
mAmB2mR BB2L2=T
LRARB
联立解得
42RARB42L3 mAmB22GTGT选项C错误;
342L3D.根据mAmB,双星之间的距离增大,总质量不变,则转动的周期变大,选GT2D正确。 故选D

12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,如下图所示(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。已知描述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MI,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NFRI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MIF=ma的类比中,与质量m对应的物理量是转动惯量I,其物理意义是反映改变地球绕地轴转动情况的难易程度 Bβ的单位为rad/s
C.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 D.地球停止自转后,赤道附近比两极点附近的重力加速度大 【答案】A 【解析】 【分析】 【详解】
A.在M=IβF=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.根据
NFRI

NFRI

代入单位运算可知其单位为s2,故B错误;
C.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,故C错误; D.地球停止自转后,赤道附近和两极点附近的重力加速度大小相等,故D错误。 故选A

13如图所示是北斗导航系统中部分卫星的轨道示意图,已知abc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
GMmv2m
2rr得卫星的线速度为
v
GM
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运行速度小于第一宇宙速度,选项A正确,C错误; B.根据
GMmma r2得卫星的加速度为
a
GM r2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
GMm42mr2 r2T得卫星的周期为
42r3 TGM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c的周期小于24h,选项D错误。 故选A

14天宫一号之后,2016915日我国在酒泉卫星发射中心又成功发射了天宫二空间实验室.天宫一号的轨道是距离地面343公里的近圆轨道;天宫二号的轨道是距离地面393公里的近圆轨道,后继发射的神舟十一号与之对接.下列说法正确的是 A.在各自的轨道上正常运行时,天宫二号天宫一号的速度大 B.在各自的轨道上正常运行时,天宫二号比地球同步卫星的周期长 C.在低于天宫二号的轨道上,神舟十一号需要先加速才能与之对接 D神舟十一号只有先运行到天宫二号的轨道上,然后再加速才能与之对接 【答案】C



【解析】
试题分析:由题意可知,天宫一号的轨道距离地面近一些,故它的线速度比较大,选项A错误;天宫二号的轨道距离地面393公里,比同步卫星距地面的距离小,故它的周期比同步卫星的周期小,故选项B错误;在低于天宫二号的轨道上,神舟十一号需要先加速才能与之对接,选项C正确;神舟十一号如果运行到天宫二号的轨道上,然后再加速,轨道就会改变了,则就不能与之对接了,则选项D错误. 考点:万有引力与航天.

15一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T4πR0 gg
2B.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aD.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
G在地球表面有
Mm2R022m2R0
TGMmmg R02解得
T4选项A错误;
2R0
gB.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
GMm2R02ma



解得
a选项C错误;
g
4D.由赤道上的一个固定点连续两次经过该卫星正下方,有

选项D正确。 故选D


tTtT1
0tT

本文来源:https://www.2haoxitong.net/k/doc/39fd76f2541252d380eb6294dd88d0d233d43cfc.html

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