沖刺2022屆高考物理大題限時集訓(xùn)專題07 萬有引力與航天(解析Word版)

1、沖刺2022屆高考物理大題限時集訓(xùn)專題07萬有引力與航天【例題】2021年10月16日，我國成功發(fā)射了神舟十三號載人飛船，與空間站組合體完成自主快速交會對接，3名航天員翟志剛、王亞平、葉光富成功送入了天和核心艙，他們將在軌駐留6個月，任務(wù)主要目標(biāo)為驗證中國空間站建造相關(guān)技術(shù)，為我國空間站后續(xù)建造及運(yùn)營任務(wù)奠定基礎(chǔ)。已知神舟十三號與空間站組合體完成對接后在軌道上運(yùn)行，可視為勻速圓周運(yùn)動，它們飛行n圈所用時間為九已知它們的總質(zhì)量為加，它們距地面的高度為力，地球半徑為人，引力常量為G。求：（1）神舟十三號與空間站組合體對接后，地球?qū)λ鼈兊娜f有引力F；（2）地球的質(zhì)量M；（3）地球表面的重力加速度g。

2、F=m空竺（R+h）M=如巴（R+h）3g=如竺（R+h）3【答案】（1）t2；（2）Gt2；（3）t2R2【解析】（1）組合體繞地球運(yùn)動的周期T=-n則所受的萬有引力為F=m（R+h）=m4兀（R+h）T2t2（2）根據(jù)萬有引力等于向心力(R+h)MmG(R+h)2解得地球的質(zhì)量4k2n2Gt2(R+h)3（3）根據(jù)MmR2=mg解得GMR2畔(R+h)312R21衛(wèi)星的發(fā)射及運(yùn)行在地面附近靜止Mm忽略自轉(zhuǎn)：Gr=mg,故GM=gR2(黃金代換式)考慮自轉(zhuǎn)卄丄廠Mm兩極：Gr2mg亠、”Mm,赤道：Gr2mg0十m2R衛(wèi)星的發(fā)射第一宇宙速度L：v-寸gR7.9km/sf、(天體)衛(wèi)星在圓軌道

3、上運(yùn)行Mm變軌由低軌變咼軌，瞬時點(diǎn)火加速，穩(wěn)定在咼軌道上時速度較小、動能較小、機(jī)械能較大；由咼軌變低軌，反之.衛(wèi)星經(jīng)過兩個軌道的相切點(diǎn)，加速度相等，外軌道的速度大于內(nèi)軌道的速度.根據(jù)開普勒第三定律，半徑(或半長軸)越大，周期越長.2天體質(zhì)量和密度的計算3雙星問題2hv2R2兀LT=一模型概述兩星在相互間引力作用下都繞它們連線上的某一點(diǎn)做勻速圓周運(yùn)動特點(diǎn)角速度(周期)相等向心力各自所需的向心力由彼此間的萬有引力提Gm1m2Gm1m2供產(chǎn)m2、m22r2軌跡半徑關(guān)系r1+r2lm1r1m2r2總質(zhì)量,4兀2/3m1+m2GT2【變式訓(xùn)練12020年12月17日，嫦娥五號攜帶了4斤的月球土壤樣本返回

4、地球。2030年中國計劃實現(xiàn)載人登月。到那時候我國宇航員可以在月球上進(jìn)行一系列的物理實驗。例如:在月球表面附近自h高處以初速度vo水平拋出一個小球，測出小球的水平射程為L。已知月球半徑為R，萬有引力常量為G，不考慮月球自轉(zhuǎn)影響。由以上的數(shù)據(jù)可求:月球的質(zhì)量。若在月球表面附近上發(fā)射一顆衛(wèi)星，求衛(wèi)星繞月球做勻速圓周運(yùn)動的周期。M=o【答案】(1)GL2；(2)vo【解析】對平拋運(yùn)動，則L=v0t1h=gt22對月球表面的物體小MmG=mgR25解得2hv2M=2hV0RGL對月球表面的衛(wèi)星m()2R=mgoTo解得1北京時間2021年5月19日12時03分，我國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用“長征四號”乙運(yùn)

5、載火箭，成功將“海洋二號”衛(wèi)星送入預(yù)定軌道，發(fā)射任務(wù)獲得圓滿成功。已知衛(wèi)星入軌后繞地球做勻速圓周運(yùn)動的軌道半徑為廠、運(yùn)行周期為幾地球表面的重力加速度為g，引力常量為G。求：“海洋二號”做勻速圓周運(yùn)動的向心加速度的大小a；地球的半徑R。4兀2【答案】(1)五r(2)【解析】(1)衛(wèi)星入軌后繞地球做勻速圓周運(yùn)動，根據(jù)勻速圓周運(yùn)動公式2兀&=Ta=32r聯(lián)立解得4兀2a=rT2(2)設(shè)地球質(zhì)量為M，地球的半徑R，地球表面的重力加速度為g，根據(jù)萬有引力提供向心力小Mm4兀2rG=mr2T2在地球表面小MmG=mgR2聯(lián)立解得2.2021年2月10日，我國“天問一號”火星探測器順利進(jìn)入環(huán)火軌道。已知“天

6、問一號”繞火星做勻速圓周運(yùn)動的周期為幾距火星表面的高度為，火星的半徑為R，引力常量為G。求：火星的質(zhì)量M；火星表面的重力加速度g的大小。4兀2（R+h）34兀2（R+h*【答案】（1）GT2；（2）【解析】（1）對探測器，根據(jù)萬有引力提供向心力Mm(R+h)2解得4兀2（R+h）3M=GT2（2）在火星表面，萬有引力等于重力=mg解得4兀2(R+hR2T23如圖所示，我國北斗導(dǎo)航系統(tǒng)中，衛(wèi)星A與衛(wèi)星B在同一軌道平面內(nèi)均繞地心O做逆時針方向的勻速圓周運(yùn)動。若衛(wèi)星A的運(yùn)動周期為幾衛(wèi)星B的軌道半徑為衛(wèi)星A軌道半徑的2倍。從某次衛(wèi)星A、B距離最近時開始計時，求O、A、B三者間第一次和第二次構(gòu)成直角三角

7、形分別經(jīng)歷的時間。t2=畔T【解析】設(shè)衛(wèi)星A的軌道半徑為人，衛(wèi)星B周期為T，由萬有引力定律和牛頓第二定律可得TOC o 1-5 h zMm(2兀Ga=m()2RR2aTMm,2n、Gb=m()2x2R(2R)2bt由題意可知，當(dāng)ZOAB=90時，O,A，B三者第一次構(gòu)成直角三角形，此時ZAOB=60，如圖所示設(shè)經(jīng)過的時間為，有聯(lián)立解得t=41T121同理，當(dāng)上AOB=90時，O,A,B三者第二次構(gòu)成直角三角形，設(shè)經(jīng)過時間為t2，有解得4t=T2144.“天舟一號”貨運(yùn)飛船于2017年4月20日在海南文昌航天發(fā)射中心成功發(fā)射升空，完成了與天宮二號空間實驗室交會對接。已知地球質(zhì)量為萬有引力常量為G

8、,將地球視為半徑為R、質(zhì)量均勻分布的球體。求飛船在距地面高度為h的圓軌道運(yùn)行時線速度的大小V；已知地球的自轉(zhuǎn)周期為求將質(zhì)量為m的飛船停放在赤道上時飛船受到重力的大小G船海南文昌航天發(fā)射場是我國的低緯度濱海發(fā)射基地，相比高緯度發(fā)射基地，發(fā)射相同的同步軌道靜止衛(wèi)星可節(jié)省燃料，請你從能量的角度說明可能的原因是什么(寫出一條即可)。GMGMm4兀2一mR【答案】(1)HR+h；(2)R2T2；(3)見解析【解析】(1)根據(jù)萬有引力定律和牛頓第二定律有GMmv2=m一(R+h)2R+h解得GMVR+h(2)根據(jù)萬有引力定律及向心力公式，有廠GMmF=一引R2F=F+G引向船解得TOC o 1-5 h z

9、小GMm4n2 HYPERLINK l bookmark4 G=mR船R2T2在任何地點(diǎn)發(fā)射衛(wèi)星，需要達(dá)到的環(huán)繞速度是相同的，衛(wèi)星在地球表面上的不同緯度，隨地球自轉(zhuǎn)，由于角速度相同，依據(jù)=Wr低緯度廠大，則叱大，衛(wèi)星具有的初動能就較大，因此節(jié)省燃料5已知地球質(zhì)量為M，半徑為R，自轉(zhuǎn)周期為T，引力常量為G。如圖所示，A為在地面附近繞地球做勻速圓周運(yùn)動的衛(wèi)星，B為地球的同步衛(wèi)星。(1)求衛(wèi)星A運(yùn)動的線速度、周期及向心加速度的大小(2)求衛(wèi)星B到地面的高度h?！敬鸢浮?1)v=t-v4GM3GMT2a=h=R2(2)4兀2【解析】(1)對衛(wèi)星A，根據(jù)萬有引力等于向心力可知小Mmv24兀2G=m=mR

10、=maR2RT2可得v=,GM:如R3GMGMa=R2(2)對同步衛(wèi)星衛(wèi)星b其周期等于地球的自轉(zhuǎn)周期T,則根據(jù)(R+h)MmG(R+h)2解得”=3譽(yù)-R中國“天舟一號”貨運(yùn)飛船順利完成與“天宮二號”太空實驗室的自主快速交會對接試驗，此次試驗將中國太空交會對接的兩天的準(zhǔn)備時間縮短至6.5小時，為中國太空站工程后續(xù)研制建設(shè)奠定更加堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。圖是“天舟”與“天宮”對接過程示意圖，已知“天舟一號”與“天宮二號”成功對接后，組合體沿圓形軌道運(yùn)行。經(jīng)過時間/,組合體繞地球轉(zhuǎn)過的角度為0,地球半徑為人，地球表面重力加速度為g,引力常量為G,不考慮地球自轉(zhuǎn)。求：地球質(zhì)量M；組合體運(yùn)動的周期T；組合體所

11、在圓軌道離地高度H?！窘馕觥?1)地球表面質(zhì)量為m0的物體所受重力等于萬有引力，即小MmGo=mgR2o解得gR2(2)由題意可知組合體運(yùn)動的角速度為30CD=t則組合體運(yùn)動的周期為2n2ntT=-D0設(shè)組合體質(zhì)量為加，根據(jù)牛頓第二定律有G叫=m竺(R+H)(R+HJ2T2聯(lián)立解得宇航員在某質(zhì)量分布均勻的星球表面，以速度V0豎直上拋一質(zhì)量為m的物體(引力視為恒力,阻力可忽略)，經(jīng)過時間t落到地面。已知該行星半徑為R，引力常量為G,忽略星球自轉(zhuǎn)的影響,求:(1)該星球表面的重力加速度大小;(2)該星球的質(zhì)量;(3)該星球的密度。g=釘M=空p=V【答案】(1)t;(2)Gt；(4)2kGtR【解

12、析】(1)設(shè)行星表面的重力加速度為g，對小球，有tv=g02解得2vg=t(2)對行星表面的物體m，有小MmG=mgR2故行星質(zhì)量”2R2vM=oGt故行星的密度可得3vP=02兀GtR8兩個靠的很近的天體繞著它們連線上的一點(diǎn)(質(zhì)心)做圓周運(yùn)動，構(gòu)成穩(wěn)定的雙星系統(tǒng)，雙星系統(tǒng)運(yùn)動時，其軌道平面存在著一些特殊的點(diǎn)，在這些點(diǎn)處，質(zhì)量極小的物體(例如人造衛(wèi)星)可以與兩星體保持相對靜止，這樣的點(diǎn)被稱為“拉格朗日點(diǎn)”。一般一個雙星系統(tǒng)有五個拉格朗日點(diǎn)。如圖所示，一雙星系統(tǒng)由質(zhì)量為M的天體A和質(zhì)量為m的天體B構(gòu)成，它們共同繞連線上的O點(diǎn)做勻速圓周運(yùn)動，在天體A和天體B的連線之間有一個拉格朗日點(diǎn)尸，已知雙星間

13、的距離為厶，萬有引力常量為G,求：(1)天體A做圓周運(yùn)動的角速度及半徑；(2)若P點(diǎn)距離天體A的距離為則M與m的比值是多少？【答案】(1)：G(M+m)LmTrL1M+m；(2)104:19【解析】(1)設(shè)O點(diǎn)距離天體A、B的距離分別為r和O則r+rL12轉(zhuǎn)動的角速度為對于天體A有GMmL對于天體B有GMmmrw2L2聯(lián)立可得:G(M+m)LmTrL1M+m(2)在P點(diǎn)放置一個極小物體，設(shè)其質(zhì)量為m。，它與A、B轉(zhuǎn)動的角速度相同，對于小物體有GMmGmm.、o-曠=mw2（r-r）r2（L一r）201代值可得M:m=104:19徑向端口，對接過程簡化如圖所示。神舟十9.2021年10月16日，

14、神舟十三號載人飛船采用自主快速交會對接模式成功對接于天和核心艙號先到達(dá)天和核心艙軌道正下方d=200米的第一停泊點(diǎn)并保持相對靜止，完成各種測控后，開始沿地心與天和核心艙連線(徑向)向天和核心艙靠近，到距離天和核心艙d2=19米的第二停泊點(diǎn)短暫駐留，完成各種測控后，繼續(xù)徑向靠近，以很小的相對速度完成精準(zhǔn)的端口對接。對接技術(shù)非常復(fù)雜，故做如下簡化。假設(shè)地球是半徑為Ro的標(biāo)準(zhǔn)球體，地表重力加速度為g，忽略自轉(zhuǎn)；核心艙軌道是半徑為R的正圓；神舟十三號質(zhì)量為竹，對接前組合體的總質(zhì)量為加2；忽略對接前后神舟十三號質(zhì)量的變化。(1)神舟十三號安裝有幾十臺微動力火箭發(fā)動機(jī)，用以控制其各種平動和轉(zhuǎn)動，維持在第一

15、停泊點(diǎn)時，需要開啟某些發(fā)動機(jī)，求發(fā)動機(jī)所提供推力F的大小和方向;(2)雖然對接時兩者相對速度很小，但如果不及時控制也會造成組合體偏離正確軌道，假設(shè)不考慮轉(zhuǎn)動，設(shè)對接靠近速度為卩，求控制組合體軌道復(fù)位的火箭要對組合體做的功W。組合體也米停泊點(diǎn)700米停泊點(diǎn)神舟十三號mgR2（R-d）【答案】（1）101(R-d1)3R3；推力方向從地心指向核心艙；(2)m2V22（m+m）12【解析】(1)根據(jù)題意可知神舟十三號和核心艙以共同角速度繞地心做圓周運(yùn)動，設(shè)此角速度為，地球質(zhì)量為M地引力常量為G。在地球表面有g(shù)=甘0對核心艙根據(jù)向心力公式有GMmmR2二地一22R2設(shè)推力方向從地心指向核心艙，對神舟十

16、三號根據(jù)向心力公式有GMmm(R一d)w2=地iF1i(Rd)2i聯(lián)立解得F=mgR2(Rd)ioi1(Rd)3i1R3根據(jù)式中各量大小關(guān)系可以得到F0推力方向從地心指向核心艙；(2)以對接前在軌運(yùn)動的核心艙為參考系，神舟十三號和核心艙對接結(jié)合，根據(jù)動量守恒定律mv=(m+m)v112共對接后需要將此徑向速度減為0根據(jù)動能定理1W=0一(m+m)v2212共聯(lián)立解得m2V2W=L2(m+m)12(2016江蘇高考真題據(jù)報道，一法國攝影師拍到“天宮一號”空間站飛過太陽的瞬間。照片中，“天宮一號”的太陽帆板輪廓清晰可見。如圖所示，假設(shè)“天宮一號”正以速度v=7.7km/s繞地球做勻速圓周運(yùn)動，運(yùn)動方向與太陽帆板兩端M、N的連線垂直，M、N間的距離