内容正文:
—46 —
b.在纬度为45°的地面,结合上述可知,万有引力F万 =GMmR2
=F1
在纬度为45°的地面所需向心力F向 =m4π
2Rcos45°
T2
该位置的重力大小等于弹簧秤的读数F3,根据余弦定理有F32=
F万2+F向2-2F万 F向cos45°
联立解得F3=
F12+F22
2
。
答案 (1)
3
GMT2
4π2
;(2)a.F1-F2;b.
F12+F22
2
第六周 宇宙航行 相对论时空观与
牛顿力学的局限性
【考点·一应俱全】
1.C [根据万有引力提供向心力GMm
R2
=mv
2
R
天体的第一宇宙速度v= GMR
地球和月球质量之比约为81∶1,半径之比约为4∶1,则地球和月
球的第一宇宙速度之比为
v地
v月 =
M地 R月
M月 R地 =
81×1
1×4=4.5
可知所需最小抛射速度的比值约为4.5。
故C正确,ABD错误。]
2.C [地球的第一宇宙速度等于卫星贴近地面做匀速圆周运动的
环绕速度,已知地球的半径为R,地球表面的重力加速度为g,则
有:GMm
R2
=mv
2
R
,解得:v= GMR
根据万有引力和重力的关系可得:GMm
R2
=mg则:v= gR
已知火星与地球的质量比为k、半径比为n,则火星的第一宇宙速
度为:v1=
GkM
nR =
k
n
·gR
火星的 第 二 宇 宙 速 度 为:v2= 2v1=
2kgR
n
,故 C正 确、ABD
错误。]
3.D [近地卫星运行需满足GMm
R2
=mR4π
2
T2
又由 M=ρ·
4πR3
3
联立解得T= 3πGρ
,可得T月
T地 =
15
3
,故D正确,ABC错误。]
4.B [ABC.a与c 的角速度和周期相同,由v=ωr分析可知,va<
vc。由a=ω2r分析可知,ac>aa。
对于b与c,根据万有引力提供向心力得GMm
r2
=mv
2
r=m
4π2
T2
r=
ma
可得v= GMr
,T=2π r
3
GM
,a=GM
r2
因c的轨道半径比b的大,则vb>vc,Tc>Tb,ab>ac。
综上有,va<vc<vb,Ta=Tc>Tb,ab>ac>aa,故 AC错误,B正
确;D.因同步卫星c没有脱离地球的束缚,所以同步卫星c的发射
速度应小于11.2km/s,故D错误。]
5.AB [A.根据第一宇宙速度是最小的发射速度可知,载人飞船的
发射速度大于第一宇宙速度,故 A正确;B.根据万有引力提供向
心力有GMm
r2
=mr4π
2
T2
,可知T=2π r
3
GM
可知载人飞船完成对接,进入轨道Ⅱ后周期变大,故B正确;C.根
据万有引力提供向心力有GMm
r2
=ma,解得a=GM
r2
,由此可知载人
飞船在轨道Ⅰ上B 点的加速度等于空间站在轨道Ⅱ上B 点的加
速度,故C错误;D.依题意,载人飞船在轨道Ⅰ上B 点加速做离心
运动才能进入轨道Ⅱ,可知在轨道Ⅰ上B 点的速度小于空间站在
轨道Ⅱ上C点的速度,故D错误。]
6.BD [A.在地球表面,根据GMm
R2
=mg,解得:g=GMR2
在轨道Ⅰ上,由G Mm(R+h)2
=ma,解得:a= GM(R+h)2
所以返回舱在轨道Ⅰ上运行的加速度小于地球表面的重力加速
度,故A错误;B.返回舱在轨道Ⅱ上运行的半长轴小于空间站在
轨道Ⅰ上运行的半径,根据开普勒第三定律
r13
T12
=
a23
T22
可知:返回舱在轨道Ⅱ上运行的周期小于空间站在轨道Ⅰ上运行
的周期,故B正确;C.返回舱在轨道Ⅱ上 运 行 时,重 力 提 供 向 心
力,因此舱内宇航员处于失重状态,故C错误;D.地球第一宇宙速
度是近地卫星绕地球做匀速圆周运动的最小速度,由题图可知,返
回舱在轨道Ⅱ上近地点做离心运动,说明返回舱在该点的速度可
能大于第一宇宙速度,故D正确。]
7.D [在双星系统中,两星体相对位置不变,运动周期相同,两颗星
体之间的万有引力提供做圆周运动的向心力,对a、b两星,由牛顿
第二定律可得:Gmamb
L2
=
ma4π2ra
T2
,Gmamb
L2
=
mb4π2rb
T2
,
由题图可知:ra+rb=L,且:ra=
vT
2π
,联立可得:ma+mb=
4π2L3
GT2
,
ma=
2πL2(2πL-vT)
GT2
,故D正确,ABC错误。]
8.BD [AB.在星球表面上,物体所受重力大小等于星球对物体的
万有引力大小,有mg=GMmR2
,可得g=GMR2
则g红
g白 =
M红 R白2
M白 R红2
=1.1
752
≈ 15000
,故A错误,B正确;
CD.对北冕座T 双星系统,根据万有引力提供向心力,有
GM红 M白
L2
=M红 2πT1
2
r1=M白 2πT1
2
r2,其中r1+r2=L
解得北冕座T 双星系统的周期为
T1=2π
L3
G(M白 +M红)
对地球绕太阳公转,根据万有引力提供向心力,有
GM日 M地
r2
=M地4π
2
T22
r
解得地球公转周期为
T2=2π
r3
GM日
可得T1=T2
L3M日
r3(M白 +M红)
=1× 5
3
1.1+1.4
年<1年,故C错
误,D正确。]
9.B [A.星体在其他三个星体的万有引力作用下,合力方向指向对
角线的交点,围绕正方形对角线的交点做匀速圆周运动,圆心为正
方形的中心,故 A错误;B.根据万有引力提供向心力:Gm
2
(2L)2
+
2×Gm
2
L2
×cos45°=m× 2L2 ×ω
2,整理得:ω=
(4+ 2)Gm
2L3
,故B
正确;CD.若边长L和星体质量m 均是原来的两倍,根据万有引力
提供向心力G2m×2m
(2 2L)2
+2×G2m×2m(2L)2
×cos45°=2ma2,则a2=
Gm(1+2 2)
2L2
,而a1=
2L
2 ×ω
2=Gm
(1+2 2)
2L2
,a1=a2,故C错
误;由a=v
2
r
可得,v1
2
2L
2
=
v22
2L
得v2= 2v1,故D错误。]
10.AD [A.由B 星处于平衡状态,可知G
·2m·m
l2
=
G·2m·mc
l2
,
解得:mc =m,故 A 正 确;B.以 A 星 球 为 研 究 对 象,则 有
G·2m·m
l2
+Gm
·m
(2l)2
=maA,解 得:aA =
9Gm
4l2
,同 理 可 得:aC =
aA=
9Gm
4l2
,故B错误;C.由题意可知,A、C 为同轴转动,故周期相
同,所 以 由 万 有 引 力 提 供 向 心 力 得:G·2m·m
l2
+Gm
·m
(2l)2
=
ml 2πT
2
,解得:T=43πl
l
Gm
,故C错误;D.由角速度与周期关
系得:ω=2πT=
3
2l
Gm
l
,故D正确。]
11.C [A.第一宇宙速度(7.9km/s)等于卫星贴近地面做匀速圆周
运动的环绕速度。由万有引力提供向心力有:GMm
r2
=mv
2
r
,解
得:v= GMr
,所以它们的运行速度均小于7.9km/s,故 A错误;
B.根据开普勒第三定律可得r
3
T2
=k,解得:r2=r1 T2T1
2
3
,故B错
误;C.对通信技术试验卫星十三号,根据万有引力提供向心力,则
有:GMm
r12
=mr1
4π2
T12
,根据密度计算公式可得:ρ=
M
V
,其中V=
4
3πR
3,联立解得:ρ=
3πr13
GT12R3
,故C正确;D.某时刻通信技术试
验卫星十三号、同步卫星在轨道上相距最远,设再经过t时间再
次相距最远,则有:2π
T1
t-2πT2
t=2π,解得:t= T1T2T2-T1
,故D错误。]
12.AC [A.设 极 地 卫 星 的 周 期 为 T1,已 知 地 球 同 步 卫 星 的 周 期
T2=24h,在Δt=6h时间段内,Δt=
T2
4=
T1
4+nT1
又85min≤
T1<2h,联立解得T1=
24
13h
由开普勒第三定律可知
r23
r13
=
T22
T12
,解得r2
r1
=(13)
2
3,故 A正确;
B.a每天绕地球转n=24T1
=2424
13
圈=13圈,故B错误;C.a.b每天
有两次相距最近的距离为(r2-r1),分别是t=6h、18h时刻,故
C正确;D.a、b相距最远的距离小于(r2+r1),故D错误。]
13.D [根据光速不变原理,在一切惯性参考系中测量到的真空中
的光速c都一样,而壮壮所处参考系即为惯性参考系,因此壮壮
观察到的光速为1.0c,选项D正确。]
14.B [由Δt= Δτ
1-v
2
c2
知,地面上的人观察到的结果为:A、B 两火
箭上的时钟都变慢了。又vA>vB,则A 火箭上的时钟走得最慢,
地面上的时钟走得最快,因此B正确,A、C、D错误。]
【探究·一举突破】
探究提示:(1)频闪照相机的频闪频率为f=
v0
x=
2.5
1.00-0.50Hz=
5Hz;
(2)频闪照相机的周期为T=1f=
1
5s=0.2s
;
根据Δy=gT2 可得g=ΔyT2
=yBC-yABT2 =
(0.75-0.25)-(0.25-0)
0.22
m/s2=
6.25m/s2;
(3)根据万有引力提供向心力:GMm
R2
=mv
2
R
,结万有引力与重力的
关系GMm
R2
=mg,故第一宇宙速度v= gR,代入数值解得:v=
2500m/s;
(4)根据万有引力与重力的关系有GMm
R2
=mg,代入数值解得 M=
9.4×1022kg。
答案 (1)5 (2)6.25 (3)2500 (4)9.4×1022
【综合·一练到底】
解析 (1)由万有引力提供向心力得GMm
R2
=m(2R)4π
2
T2
解得T=4π 2R
3
GM
;
(2)地球自转的角速度为ω0=
2π
T0
卫星的角速度为ω=2πT
由图可知cosθ=R2R=
1
2
设该卫星能再次拍摄到B 点所经过的最短时间为t,则ω0t-
2π
3=
ωt-2π
解得t=
8πRT0
2R
GM
3(T0-4πR
2R
GM
)
答案 (1)4π 2R
3
GM
;(2)
8πRT0
2R
GM
3(T0-4πR
2R
GM
)
【选做·一飞冲天】
解析 (1)飞船要进入预定圆轨道,需在 B 点做离 心 运 动,故 应
加速;
(2)在地球表面有mg=GMmR2
①
根据牛顿第二定律有:G Mm(R+h1)2
=maA②
由①②式联立解得,飞船经过椭圆轨道近地点A 时的加速度大小
为aA= g
R2
(R+h1)2
;
(3)飞船在预定圆轨道上,由万有引力提供向心力,有G Mm(R+h2)2
=
m4π
2
T2
(R+h2)③
由题意可知,飞船在预定圆轨道上运行的周期为T=tn ④
由①③④式联立解得h2=
3
gR2t2
4n2π2
-R。
答案 (1)加速;(2) gR
2
(R+h1)2
;(3)
3gR2t2
4n2π2-R
— 45 —
— 22 —
第六周 宇宙航行 相对论时空观与牛顿力学的局限性
(时间:45分钟 满分:100分)
周推好题 【探究·一举突破】将平抛运动规律灵活迁移到天体运行之中,综合考查平抛运动规
律与万有引力定律相结合在探索宇宙中的实际应用问题,题目设置灵活,紧扣基础知识,对学生
的综合应用能力要求较高,值得推荐。
【考点·一应俱全】(共60分)
考点一 宇宙速度
1.(2025·八省联考四川卷,2)我国某研究团队提出以磁悬浮旋转抛射为核心的航天器发射新技
术。已知地球和月球质量之比约为81∶1,半径之比约为4∶1。若在地球表面抛射绕地航天器,
在月球表面抛射绕月航天器,所需最小抛射速度的比值约为 ( )
A.20 B.6 C.4.5 D.1.9
2.(2025·山东省淄博市模拟)天体的第二宇宙速度为第一宇宙速度的 2倍。已知火星与地球的质
量比为k、半径比为n。地球的半径为R,地球表面的重力加速度为g,忽略天体自转的影响,则火
星的第二宇宙速度为 ( )
A.kgRn B.
ngR
2k C.
2kgR
n D.
2ngR
k
考点二 卫星或行星运行参量的计算
3.(2025·重庆市部分学校模拟)我国计划在未来建立一个由21颗卫星组成的“月球北斗”导航系
统,来帮助中国航天更安全、高效地探索月球。若将月球和地球均视为圆球,已知月球的平均密
度约为地球平均密度的3
5
倍,则月球近地卫星的运行周期约为地球近地卫星运行周期的 ( )
A.35
倍 B.53
倍 C.155
倍 D.153
倍
4.(2025·海南省海口市期末)中国空间站运行在距离地球表面约400千米高
的近地轨道上,而地球同步卫星离地高度约为36000千米。如图所示,a为
静止在地球赤道上的物体,b为中国空间站,c为地球同步卫星,则下列说法
正确的是 ( )
A.线速度的大小关系为va>vb>vc
B.周期关系为Ta=Tc>Tb
C.向心加速度的关系ac>ab>aa
D.同步卫星v的发射速度要大于11.2km/s
考点三 卫星(航天器)的对接、变轨问题
5.(多选)(2025·天津市河东区期末)2024年4月25日,“神舟十八号”载人飞船
将三名航天员送入太空,飞船入轨后与空间站完成对接,图中轨道Ⅰ为载人飞
船运行的椭圆轨道,轨道Ⅱ为空间站运行的圆轨道。两轨道相切于B 点,A、B
为椭圆轨道Ⅰ的近地点和远地点,C 为轨道Ⅱ上一点,C、A、B 在同一条直线
上,下列说法正确的是 ( )
A.载人飞船的发射速度大于第一宇宙速度
B.载人飞船完成对接,进入轨道Ⅱ后周期变长
C.载人飞船在轨道Ⅰ上B 点的加速度大于空间站在轨道Ⅱ上B 点的加速度
D.载人飞船在轨道Ⅰ上B 点的速度大于空间站在轨道Ⅱ上C点的速度
6.(多选)(2025·山东省潍坊市期中)2024年11月4日,神舟十八号载人飞船
返回舱成功着陆。如图所示,神舟十八号返回舱和空间站在距地面400km
的圆轨道Ⅰ上运行,启动返回程序,返回舱与空间站分离后变轨到椭圆轨道
Ⅱ,再经变轨后进入大气层。则 ( )
A.返回舱在轨道Ⅰ上运行的加速度大于地球表面的重力加速度
B.返回舱在轨道Ⅱ上运行的周期小于空间站在轨道Ⅰ上运行的周期
C.返回舱在轨道Ⅱ上运行时,舱内宇航员处于超重状态
D.返回舱在轨道Ⅱ上的运行速度可能大于第一宇宙速度
考点四 双星系统及相关计算
7.(2025·湖南省长沙市长郡中学模拟)科学家们通过观测,发现在宇宙中存在一些
离其他恒星较远的双星系统,双星系统由两颗距离较近的恒星组成。如图所示,
某双星系统中a、b两星绕连线上一点O 做圆周运动,已知a、b两星中心间距离为
L,运行周期为T,a星的线速度大小为v,引力常量为G,则b星的质量为 ( )
A.4πL
2v
GT B.
4πL2(2πL-vT)
GT2
C.2πL
2v
GT D.
2πL2(2πL-vT)
GT2
8.(多选)(2025·湖南省长沙市长郡中学期末)如图所示,北冕座T的双
星系统由一颗白矮星和一颗红巨星组成。其中,白矮星的质量约为太
阳的1.4倍,然而其体积却仅仅比地球稍大,红巨星的质量约为太阳的
1.1倍,其半径是太阳的75倍,白矮星与红巨星之间的距离约为地球与
太阳间距离的1
2
,不考虑星球的自转,则 ( )
A.该红巨星表面的重力加速度大小约为太阳表面的150
B.该红巨星表面的重力加速度大小约为太阳表面的 15000
C.北冕座T双星系统运行的周期大于1年
D.北冕座T双星系统运行的周期小于1年
考点五 多星系统及相关计算
9.(2025·广东省广州市广雅中学期中)如图为一种四颗星体组成的稳定星系,四
颗质量均为m 的星体位于边长为L 的正方形四个顶点,四颗星体在同一平面内
围绕同一点做匀速圆周运动,忽略其他星体对它们的作用,万有引力常量为G。
下列说法中正确的是 ( )
A.星体匀速圆周运动的圆心不一定是正方形的中心
B.每个星体匀速圆周运动的角速度均为
(4+ 2)Gm
2L3
C.若边长L和星体质量m 均是原来的两倍,星体匀速圆周运动的加速度大小是原来的两倍
D.若边长L和星体质量m 均是原来的两倍,星体匀速圆周运动的线速度大小是原来的两倍
10.(多选)(2025·重庆市育才中学模拟)宇宙中存在远离其他星球的三星系统,如
图所示,三颗星体A、B、C 始终处于一条直线上,A、C 两颗星围绕中间星体B
做稳定的圆周运动,AB 之间和BC 之间间距均为l;已知星体B 的质量为2m,
星体A 的质量为m。万有引力常量为G,则下列判断中正确的是 ( )
A.星体C的质量为m B.星体A、C运行的加速度a=5Gm
4l2
C.星体A、C运行的周期T=2πl l2Gm D.
星体A、C运行的角速度ω=32l
Gm
l
— 21 —
— 24 —
考点六 卫星的追及相遇问题
11.(2025·广东省湛江市模拟)北京时间2024年12月3日,我国在西昌卫星发射中心使用“长征三
号”乙运载火箭,成功将通信技术试验卫星十三号发射升空,卫星顺利进入预定轨道,发射任务
获得圆满成功。假设通信技术试验卫星十三号、同步卫星围绕地球均做匀速圆周运动,通信技
术试验卫星十三号运行的周期为T1、轨道半径为r1,同步卫星运行的周期为T2,且T1<T2,地
球半径为R,引力常量为G。下列说法正确的是 ( )
A.它们的运行速度均大于7.9km/s
B.同步卫星的轨道半径为r1 T1T2
2
3
C.由题目条件可知地球的平均密度为
3πr13
GT12R3
D.某时刻通信技术试验卫星十三号、同步卫星在轨道上相距最远,再经过
T1T2
T1+T2
时间,它们再
次相距最远
12.(多选)(2025·重庆市模拟)如图所示,a为极地卫星
(周期小于2h),b为同步卫星,a、b绕地球运行的轨
道半径分别为r1、r2。t=0时刻,a、b与地球球心O
的连线相互垂直,a、b的速度方向均垂直纸面向外。
t=6h时刻,a、b第一次相距最近的距离为(r2-r1)。
若取地球近地卫星的周期为85min,地球视为均匀圆球,则 ( )
A.
r2
r1
=(13)
2
3 B.a每天绕地球转16圈
C.a、b每天有两次相距最近的距离为(r2-r1)D.a、b每天有两次相距最远的距离为(r2+r1)
考点七 相对论时空观与牛顿力学的局限性
13.(2025·北京市东城区高一期末)如图所示,强强乘坐速度为
0.9c(c为光速)的宇宙飞船追赶正前方的壮壮,壮壮的飞行速
度为0.5c,强强向壮壮发出一束光进行联络,则壮壮观测到该
光速的传播速度为 ( )
A.0.4c B.0.5c C.0.9c D.1.0c
14.(2025·东北师大附中高一期末)A、B 两火箭沿同一方向高速飞过地面上的某处,vA>vB,在地
面上的人观察到的结果正确的是 ( )
A.火箭A 上的时钟走得最快 B.地面上的时钟走得最快
C.火箭B 上的时钟走得最快 D.火箭B 上的时钟走得最慢
【探究·一举突破】(共20分)
探究主题 探究利用平抛运动规律探索宇宙运行问题
(2025·辽宁省师大附中高一期中)宇航员登陆某星球做了一个平抛运动
实验,并用频闪照相机记录小球做平抛运动的部分轨迹,且已知平抛初速
度为2.5m/s。将相片放大到实际大小后在水平方向和竖直方向建立平
面直角坐标系,A、B、C 为小球运动中的3个连续的记录点,A、B 和C 点
的坐标分别为(0,0)、(0.50m,0.25m)和(1.00m,0.75m)。已知G=
6.67×10-11N·m2/kg2 则:
(1)频闪照相机的频闪频率为 Hz;
(2)该星球表面重力加速度为 m/s2;
(3)若该星球半径为R=1000km,则该星球第一宇宙速度为 m/s;
(4)该星球的质量大约是 kg。(保留两位有效数字)
【综合·一练到底】(共20分)
(2025·重庆市期中)将地球视为半径为R 的圆球,绕地球做匀速圆周运动的某卫
星的轨道平面与地球赤道共面,该卫星的轨道半径为2R,其绕行方向与地球自转
方向相同。已知地球质量为 M,引力常量为G,地球自转周期为T0。求:
(1)该卫星绕地球运行的周期T;
(2)已知T<T0,如图所示,若某时刻该卫星位于P 点,恰好能拍摄到地球赤道上的A、B 两边界
点,求该卫星能再次拍摄到B 点所经过的最短时间。
【选做·一飞冲天】(尖子生选做)
(2025·四川省广元市高一期末)中国自行研制、具有完全自主知识产权的“神
舟号”飞船,目前已经达到或优于国际第三代载人飞船技术,其发射过程简化如
下:飞船在酒泉卫星发射中心发射,由长征运载火箭送入近地点为A、远地点为
B 的椭圆轨道上,A 点距地面的高度为h1,飞船飞行5圈后进行变轨,进入预定
圆轨道,如图所示。设飞船在预定圆轨道上飞行n圈所用时间为t,若已知地球表面重力加速度
为g,地球半径为R,忽略地球的自转,求:
(1)飞船在B 点经椭圆轨道进入预定圆轨道时是加速还是减速;
(2)飞船经过椭圆轨道近地点A 时的加速度大小;
(3)椭圆轨道远地点B 距地面的高度h2.
【错题重做】
错因 基础不牢 题意不明 思路不对 理解不够 分析不透 方法不对 根本不会 其他原因
题号
题号
题号
— 23 —