专题04 万有引力与航天-【好题汇编】2024年高考物理三模试题分类汇编（广东专用）

专题04 万有引力与航天 一、单选题 1．（2024·广东·三模）木星的卫星总共有92颗，其中木卫一、木卫二、木卫三、木卫四是意大利天文学家伽利略在1610年用自制的望远镜发现的，这四颗卫星后被称为伽利略卫星，四颗伽利略卫星的自身参数近似如下表所示，根据表格信息，下列判断正确的是（　　） 木卫一 木卫二 木卫三 木卫四 密度/g·cm-3 3.5 3.0 2.0 1.8 直径/km 3600 3100 5300 4800 A．木卫三绕木星运动的轨道半径大于木卫四绕木星运动的轨道半径 B．木卫二表面的重力加速度小于木卫四表面的重力加速度 C．木卫一的第一宇宙速度大于木卫二的第一宇宙速度 D．木卫二的质量大于木卫三的质量 2．（2024·广东惠州·三模）中国空间站围绕地球做近似匀速圆周运动，运行周期约为90分钟，下列说法正确的是（　　） A．中国空间站的加速度大于9.8m/s2 B．中国空间站运行的角速度大于地球自转的角速度 C．中国空间站运行的速度大于第一宇宙速度 D．中国空间站与同步地球卫星的轨道高度相同 3．（2024·广东·三模）地球、火星绕太阳运动的轨道均可看成圆轨道，轨道半径之比为2：3。现要从地球向火星发射一飞行器，其离开地球运动到火星的过程绕太阳运动，轨道为椭圆轨道，且在该轨道的远日点被火星俘获，如图所示。则该飞行器（　　） A．离开地球运动到火星的过程速度逐渐增大 B．到达火星时，地球在飞行器与太阳连线下方 C．绕太阳的运行周期大于火星绕太阳的运行周期 D．在远日点与火星相遇时，需加速才能被火星俘获 4．（2024·河北·三模）2024年5月3日，嫦娥六号探测器由长征五号遥八运载火箭在中国文昌航天发射场成功发射，自此开启世界首次月球背面采样返回之旅。若将来宇航员在月球（视为质量分布均匀的球体）表面以大小为的初速度竖直上抛一物体（视为质点），已知引力常量为G，月球的半径为R、密度为。物体从刚被抛出到刚落回月球表面的时间为（    ） A． B． C． D． 5．（2024·贵州遵义·三模）如图所示，嫦娥五号、天问一号探测器分别在近月、近火星圆轨道上运行。已知火星的质量约为月球质量的9倍、半径约为月球半径的2倍。假设月球、火星可视为质量均匀分布的球体，则（    ） A．嫦娥五号的线速度大小比天问一号大 B．嫦娥五号的向心加速度大小比天问一号大 C．天问一号的发射速度大于地球的第二宇宙速度 D．相同时间内，嫦娥五号与月球的连线扫过的面积和天问一号与火星的连线扫过的面积相等 一、单选题 6．（2024·山西太原·三模）宇宙中行星的半径，各自相应卫星环绕行星做匀速圆周运动，卫星轨道半径与周期的关系如图所示，若不考虑其它星体对的影响及之间的作用力，下列说法正确的是（　　） A．行星的质量之比为 B．行星的密度之比为 C．行星的第一宇宙速度之比为 D．行星的同步卫星的向心加速度之比为 7．（2024·北京大兴·三模）2024年，我国探月计划第六个探测器嫦娥六号将于上半年出征月球，并且飞往月球背面采集土壤并返回地球。如图所示，为地球的球心、为月球的球心，图中的P点为地—月系统的一个拉格朗日点，在该点的物体能够保持和地球、月球相对位置关系不变，以和月球相同的角速度绕地球匀速圆周运动。地球上的人总是只能看到月球的正面，嫦娥六号将要达到的却是月球背面的M点，为了保持和地球的联系，我国于4月12日成功发射鹊桥二号中继通信卫星，让其在以P点为圆心、垂直于地月连线的圆轨道上运动。下列说法正确的是（　　） A．我们无法看到月球的背面，是因为月球的自转周期和公转周期相同 B．发射嫦娥六号时，发射速度要超过第二宇宙速度，让其摆脱地球引力的束缚 C．以地球球心为参考系，鹊桥二号中继卫星做匀速圆周运动 D．若“鹊桥二号”和月球的公转轨道半径之比为n，那么它们的公转周期之比为 8．（2024·河北·三模）2023年10月26日11时14分，搭载神舟十七号载人飞船的长征二号F遥十七运载火箭在酒泉卫星发射中心点火发射，发射取得圆满成功。如图所示，神舟十七号载人飞船运行在半径为的圆轨道Ⅰ上，“天宫”空间站组合体运行在半径为的圆轨道Ⅲ上。神舟十七号载人飞船通过变轨操作，变轨到椭圆轨道Ⅱ上运行数圈后从近地点A沿轨道运动到远地点B，并在B点与空间站组合体对接成功。已知地球的半径为R，地球表面的重力加速度为g，则（　　） A．神舟十七号载人飞船在圆轨道Ⅰ上A点的加速度小于其在椭圆轨道Ⅱ上A点的加速度 B．“天宫”空间站组合体在轨道Ⅲ上运动的周期为 C．神舟十七号载人飞船在椭圆轨道Ⅱ上由A点运动至B点所需的时间为 D．神舟十七号载人飞船在椭圆轨道Ⅱ的近地点和远地点的线速度大小之比为 9．（2024·山东烟台·三模）北京时间2024年1月5日19时20分，我国在酒泉卫星发射中心用快舟一号甲运载火箭，成功将天目一号气象星座15-18星（以下简称天目星）发射升空，天目星顺利进入预定轨道，至此天目一号气象星座阶段组网完毕。天目星的发射变轨过程可简化为如图所示，先将天目星发射到距地面高度为h1的圆形轨道I上，在天目星经过A点时点火实施变轨进入椭圆轨道II，最后在椭圆轨道的远地点B点再次点火将天目星送入距地面高度为h2的圆形轨道III上，设地球半径为R，地球表面重力加速度为g，则天目星沿椭圆轨道从A点运动到B点的时间为（    ） A． B． C． D． 10．（2024·山东聊城·三模）我国科研人员利用“探测卫星”获取了某一星球的探测数据，对该星球有了一定的认识。“探测卫星”在发射过程中，先绕地球做圆周运动，后变轨运动至该星球轨道，绕星球做圆周运动。“探测卫星”在两次圆周运动中的周期二次方与轨道半径三次方的关系图像如图所示，其中P实线部分表示“探测卫星”绕该星球运动的关系图像，Q实线部分表示“探测卫星”绕地球运动的关系图像，“探测卫星”在该星球近表面和地球近表面运动时均满足，图中c、m、n已知，则（　　） A．该星球和地球的质量之比 B．该星球和地球的第一宇宙速度之比 C．该星球和地球的密度之比为 D．该星球和地球表面的重力加速度大小之比为 多选题 11．（2024·广西桂林·三模）我国将发射首个大型巡天空间望远镜（CSST），该望远镜在轨运行时可看成圆周运动，将和天宫空间站共轨独立飞行。已知轨道离地高度为地球半径的。望远镜和空间站在轨运行时，不考虑地球自转的影响，也不考虑望远镜与空间站间的相互作用，只考虑地球对他们的万有引力。下列说法正确的是（　　） A．空间站的线速度与望远镜的线速度大小相等 B．若望远镜在前，空间站加速可追上望远镜与之相遇 C．望远镜的加速度为地球表面重力加速度的倍 D．望远镜的线速度为地球第一宇宙速度的倍 12．（2024·黑龙江大庆·三模）截至2023年7月，北斗卫星系统已服务全球200多个国家和地区的用户，北斗卫星系统空间段采用三种轨道卫星组成的混合星座，与其他卫星导航系统相比，高轨卫星更多，抗遮挡能力强，尤其低纬度地区性能优势更为明显。关于北斗卫星系统中地球静止轨道卫星（同步卫星），下列说法正确的是（　　） A．这些卫星的速度大小相等 B．这些卫星环绕地球运行时可以不在同一轨道上 C．如果需要，这些卫星可以定点在大庆的正上方 D．这些卫星的向心加速度比静止在赤道上物体的向心加速度大 试卷第8页，共24页 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！7 学科网（北京）股份有限公司 $$ 专题04 万有引力与航天 一、单选题 1．（2024·广东·三模）木星的卫星总共有92颗，其中木卫一、木卫二、木卫三、木卫四是意大利天文学家伽利略在1610年用自制的望远镜发现的，这四颗卫星后被称为伽利略卫星，四颗伽利略卫星的自身参数近似如下表所示，根据表格信息，下列判断正确的是（　　） 木卫一 木卫二 木卫三 木卫四 密度/g·cm-3 3.5 3.0 2.0 1.8 直径/km 3600 3100 5300 4800 A．木卫三绕木星运动的轨道半径大于木卫四绕木星运动的轨道半径 B．木卫二表面的重力加速度小于木卫四表面的重力加速度 C．木卫一的第一宇宙速度大于木卫二的第一宇宙速度 D．木卫二的质量大于木卫三的质量 【答案】C 【详解】A．虽然木卫三的直径大于木卫四，但它们绕木星运动的轨道半径无法计算，故A错误； B．根据 则木卫二表面的重力加速度大于木卫四表面的重力加速度，故B错误； C．第一宇宙速度 所以木卫一的第一宇宙速度大于木卫二的第一宇宙速度，故C正确； D．根据 可知，木卫二的质量小于木卫三的质量，故D错误。 故选C。 2．（2024·广东惠州·三模）中国空间站围绕地球做近似匀速圆周运动，运行周期约为90分钟，下列说法正确的是（　　） A．中国空间站的加速度大于9.8m/s2 B．中国空间站运行的角速度大于地球自转的角速度 C．中国空间站运行的速度大于第一宇宙速度 D．中国空间站与同步地球卫星的轨道高度相同 【答案】B 【详解】A．对中国空间站，根据牛顿第二定律 对近地卫星，根据牛顿第二定律 中国空间站的轨道半径大于近地卫星的轨道半径，可知中国空间站的加速度小于9.8m/s2，故A错误； B．根据 中国空间站运行周期小于同步地球卫星运行周期，中国空间站运行的角速度大于地球自转的角速度，故B正确； C．第一宇宙速度是最大环绕速度，中国空间站运行的速度小于第一宇宙速度，故C错误； D．根据开普勒第三定律 中国空间站运行周期小于同步地球卫星运行周期，中国空间站的轨道半径小于同步地球卫星的轨道半径，则中国空间站的轨道高度小于同步地球卫星的轨道高度，故D错误。 故选B。 3．（2024·广东·三模）地球、火星绕太阳运动的轨道均可看成圆轨道，轨道半径之比为2：3。现要从地球向火星发射一飞行器，其离开地球运动到火星的过程绕太阳运动，轨道为椭圆轨道，且在该轨道的远日点被火星俘获，如图所示。则该飞行器（　　） A．离开地球运动到火星的过程速度逐渐增大 B．到达火星时，地球在飞行器与太阳连线下方 C．绕太阳的运行周期大于火星绕太阳的运行周期 D．在远日点与火星相遇时，需加速才能被火星俘获 【答案】B 【详解】A．飞行器脱离地球运动到火星的过程，绕太阳运动，结合开普勒第二定律可知，飞行器与太阳中心的连线（逐渐变长）在相同时间内扫过的面积相同，则从离开地球运动到火星的过程飞行器速度逐渐减小，故A错误； B．设地球绕太阳运动的轨道半径为，结合题图和题述可知，飞行器的轨道半长轴为 由开普勒第三定律可得，飞行器与地球绕太阳运动的周期之比为 则飞行器运动周期时，地球转过的角度大于180°，小于360°，所以飞行器到达火星时，地球在飞行器与太阳连线下方，故B正确； C．飞行器的轨道半长轴小于火星的轨道半径，根据开普勒第三定律可知，飞行器的周期小于火星的公转周期，故C错误； D．飞行器在远日点与火星相遇时，需要减速，才有可能在火星引力作用下绕火星运动，故D错误。 故选B。 4．（2024·河北·三模）2024年5月3日，嫦娥六号探测器由长征五号遥八运载火箭在中国文昌航天发射场成功发射，自此开启世界首次月球背面采样返回之旅。若将来宇航员在月球（视为质量分布均匀的球体）表面以大小为的初速度竖直上抛一物体（视为质点），已知引力常量为G，月球的半径为R、密度为。物体从刚被抛出到刚落回月球表面的时间为（    ） A． B． C． D． 【答案】C 【详解】设月球表面的重力加速度为，则有 解得 根据竖直上抛运动的规律可知，落回月球表面的时间 C正确。 故选C。 5．（2024·贵州遵义·三模）如图所示，嫦娥五号、天问一号探测器分别在近月、近火星圆轨道上运行。已知火星的质量约为月球质量的9倍、半径约为月球半径的2倍。假设月球、火星可视为质量均匀分布的球体，则（    ） A．嫦娥五号的线速度大小比天问一号大 B．嫦娥五号的向心加速度大小比天问一号大 C．天问一号的发射速度大于地球的第二宇宙速度 D．相同时间内，嫦娥五号与月球的连线扫过的面积和天问一号与火星的连线扫过的面积相等 【答案】C 【详解】A．对于嫦娥五号而言 解得 同理可得 解得 可见嫦娥五号的线速度小于天问一号的线速度，故A错误； B．由题可知 同理解得 二者之比 可见嫦娥五号的向心加速度大小比天问一号小，故B错误； C．第二宇宙速度是摆脱地球的束缚成为太阳系中的一颗行星，故天问一号的发射速度应大于地球的第二宇宙速度，故C正确； D．设嫦娥五号与月球连线在时间内扫过的面积为,天问一号与火星连线在时间内扫过的面积为,则有 故 故D错误。 故选C。 一、单选题 6．（2024·山西太原·三模）宇宙中行星的半径，各自相应卫星环绕行星做匀速圆周运动，卫星轨道半径与周期的关系如图所示，若不考虑其它星体对的影响及之间的作用力，下列说法正确的是（　　） A．行星的质量之比为 B．行星的密度之比为 C．行星的第一宇宙速度之比为 D．行星的同步卫星的向心加速度之比为 【答案】C 【详解】A．根据牛顿第二定律 解得 则图像的斜率为 又 故行星的质量之比为 故A错误； B．根据牛顿第二定律 解得 故行星的密度为 由题意可知，卫星在两颗行星表面做匀速圆周运动的周期相等，故行星A的密度等于行星B的密度，故B错误； C．行星的第一宇宙速度等于卫星在行星表面做匀速圆周运动的线速度，则有 则行星的第一宇宙速度之比为 故C正确； D．同步卫星的相关物理量未知，无法计算加速度比值，故D错误。 故选C。 7．（2024·北京大兴·三模）2024年，我国探月计划第六个探测器嫦娥六号将于上半年出征月球，并且飞往月球背面采集土壤并返回地球。如图所示，为地球的球心、为月球的球心，图中的P点为地—月系统的一个拉格朗日点，在该点的物体能够保持和地球、月球相对位置关系不变，以和月球相同的角速度绕地球匀速圆周运动。地球上的人总是只能看到月球的正面，嫦娥六号将要达到的却是月球背面的M点，为了保持和地球的联系，我国于4月12日成功发射鹊桥二号中继通信卫星，让其在以P点为圆心、垂直于地月连线的圆轨道上运动。下列说法正确的是（　　） A．我们无法看到月球的背面，是因为月球的自转周期和公转周期相同 B．发射嫦娥六号时，发射速度要超过第二宇宙速度，让其摆脱地球引力的束缚 C．以地球球心为参考系，鹊桥二号中继卫星做匀速圆周运动 D．若“鹊桥二号”和月球的公转轨道半径之比为n，那么它们的公转周期之比为 【答案】A 【详解】A．看不到月球的背面，就是因为月球的自转周期和公转周期相同，故A正确； B．嫦娥六号并没摆脱地球引力的束缚，因此发射速度不会超过第二宇宙速度，故B错误； C．以地球为参考系，鹊桥二号一方面绕地月系统共同的圆心做匀速圆周运动，另一方面绕P点做匀速圆周运动，因此以地心为参考系，它是两个匀速圆周运动的合运动，故C错误； D．鹊桥二号中继卫星受地球和月球共同引力的作用，月球只受地球的引力作用，则周期关系不满足开普勒第三定律，故D错误。 故选A。 8．（2024·河北·三模）2023年10月26日11时14分，搭载神舟十七号载人飞船的长征二号F遥十七运载火箭在酒泉卫星发射中心点火发射，发射取得圆满成功。如图所示，神舟十七号载人飞船运行在半径为的圆轨道Ⅰ上，“天宫”空间站组合体运行在半径为的圆轨道Ⅲ上。神舟十七号载人飞船通过变轨操作，变轨到椭圆轨道Ⅱ上运行数圈后从近地点A沿轨道运动到远地点B，并在B点与空间站组合体对接成功。已知地球的半径为R，地球表面的重力加速度为g，则（　　） A．神舟十七号载人飞船在圆轨道Ⅰ上A点的加速度小于其在椭圆轨道Ⅱ上A点的加速度 B．“天宫”空间站组合体在轨道Ⅲ上运动的周期为 C．神舟十七号载人飞船在椭圆轨道Ⅱ上由A点运动至B点所需的时间为 D．神舟十七号载人飞船在椭圆轨道Ⅱ的近地点和远地点的线速度大小之比为 【答案】C 【详解】A．根据牛顿第二定律 可得 可知神舟十七号载人飞船在圆轨道Ⅰ上A点的加速度与其在椭圆轨道Ⅱ上A点的加速度大小相等，故A错误； B．“天宫”空间站组合体在轨道Ⅲ上运动，由万有引力提供向心力，有 在地球表面，有 解得 故B错误； C．飞船从A点沿椭圆轨道Ⅱ运动，其轨道半长轴 根据开普勒第三定律可得 解得 飞船由轨道Ⅱ的A点运动至B点所需的时间 故C正确； D．椭圆轨道的远地点到地球中心的距离为r3，近地点到地球中心的距离为r1，对于飞船在远地点和近地点附近很小一段时间Δt内的运动，根据开普勒第二定律有 解得 故D错误。 故选C。 9．（2024·山东烟台·三模）北京时间2024年1月5日19时20分，我国在酒泉卫星发射中心用快舟一号甲运载火箭，成功将天目一号气象星座15-18星（以下简称天目星）发射升空，天目星顺利进入预定轨道，至此天目一号气象星座阶段组网完毕。天目星的发射变轨过程可简化为如图所示，先将天目星发射到距地面高度为h1的圆形轨道I上，在天目星经过A点时点火实施变轨进入椭圆轨道II，最后在椭圆轨道的远地点B点再次点火将天目星送入距地面高度为h2的圆形轨道III上，设地球半径为R，地球表面重力加速度为g，则天目星沿椭圆轨道从A点运动到B点的时间为（    ） A． B． C． D． 【答案】B 【详解】根据万有引力与重力的关系 在圆形轨道I上，根据万有引力提供向心力 椭圆轨道II的半长轴为 根据开普勒第三定律 解得天目星沿椭圆轨道II的周期为 天目星沿椭圆轨道从A点运动到B点的时间为 故选B。 10．（2024·山东聊城·三模）我国科研人员利用“探测卫星”获取了某一星球的探测数据，对该星球有了一定的认识。“探测卫星”在发射过程中，先绕地球做圆周运动，后变轨运动至该星球轨道，绕星球做圆周运动。“探测卫星”在两次圆周运动中的周期二次方与轨道半径三次方的关系图像如图所示，其中P实线部分表示“探测卫星”绕该星球运动的关系图像，Q实线部分表示“探测卫星”绕地球运动的关系图像，“探测卫星”在该星球近表面和地球近表面运动时均满足，图中c、m、n已知，则（　　） A．该星球和地球的质量之比 B．该星球和地球的第一宇宙速度之比 C．该星球和地球的密度之比为 D．该星球和地球表面的重力加速度大小之比为 【答案】B 【详解】A．根据万有引力提供向心力可得 联立可得 图像的斜率为 该星球和地球的质量之比 故A错误； B．“探测卫星”在该星球近表面和地球近表面运动时均满足，则 则 根据万有引力提供向心力可得 可得 该星球和地球的第一宇宙速度之比 故B正确； C．体积为 密度为 该星球和地球的密度之比为 故C错误； D．根据万有引力与重力的关系 该星球和地球表面的重力加速度大小之比为 故D错误。 故选B。 多选题 11．（2024·广西桂林·三模）我国将发射首个大型巡天空间望远镜（CSST），该望远镜在轨运行时可看成圆周运动，将和天宫空间站共轨独立飞行。已知轨道离地高度为地球半径的。望远镜和空间站在轨运行时，不考虑地球自转的影响，也不考虑望远镜与空间站间的相互作用，只考虑地球对他们的万有引力。下列说法正确的是（　　） A．空间站的线速度与望远镜的线速度大小相等 B．若望远镜在前，空间站加速可追上望远镜与之相遇 C．望远镜的加速度为地球表面重力加速度的倍 D．望远镜的线速度为地球第一宇宙速度的倍 【答案】AD 【详解】A．由于空间站与望远镜共轨独立飞行，轨道半径相等，根据 解得 可知，空间站的线速度与望远镜的线速度大小相等，故A正确； B．空间站与望远镜共轨独立飞行，空间站加速后，空间站将到达高轨道，轨道半径增大，结合上述可，轨道半径越大，线速度越小，可知，若望远镜在前，空间站加速不能够追上望远镜与之相遇，故B错误； C．对望远镜所在轨道有 其中 在地球表面有 解得 故C错误； D．结合上述解得望远镜的线速度大小为 第一宇宙速度等于近地卫星的环绕速度，则有 解得 故D正确。 故选AD。 12．（2024·黑龙江大庆·三模）截至2023年7月，北斗卫星系统已服务全球200多个国家和地区的用户，北斗卫星系统空间段采用三种轨道卫星组成的混合星座，与其他卫星导航系统相比，高轨卫星更多，抗遮挡能力强，尤其低纬度地区性能优势更为明显。关于北斗卫星系统中地球静止轨道卫星（同步卫星），下列说法正确的是（　　） A．这些卫星的速度大小相等 B．这些卫星环绕地球运行时可以不在同一轨道上 C．如果需要，这些卫星可以定点在大庆的正上方 D．这些卫星的向心加速度比静止在赤道上物体的向心加速度大 【答案】AD 【详解】AB．地球同步卫星与地球自转的周期相同，由万有引力提供向心力得 解得 ， 由此可知，地球同步卫星都相同，轨道半径也相同，一定在同一轨道上，同步卫星的速度大小相等也一定，故A正确，B错误； C．地球同步卫星与地球自转是同步的，轨道只能在赤道平面的正上空，故C错误； D．地球同步卫星与地球自转的角速度相同，根据，且同步卫星轨道半径大于静止在赤道上物体的向心加速度大轨道半径，同步卫星的向心加速度比静止在赤道上物体的向心加速度大，故D正确。 故选AD 。 试卷第8页，共24页 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！7 学科网（北京）股份有限公司 $$