四萬(wàn)有引力與航天-2021年高考物理真題模擬試題

（4）萬(wàn)有引力與航天一2021年高考物理真題模擬試題專(zhuān)項(xiàng)匯

編

1.[2021年全國(guó)乙卷，18】科學(xué)家對(duì)銀河系中心附近的恒星S2進(jìn)行了多年的持續(xù)觀測(cè)，給出

1994年到2002年間S2的位置如圖所示?？茖W(xué)家認(rèn)為S2的運(yùn)動(dòng)軌跡是半長(zhǎng)軸約為1000AU（太陽(yáng)

到地球的距離為1AU）的橢圓，銀河系中心可能存在超大質(zhì)量黑洞。這項(xiàng)研究工作獲得了2020

年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。若認(rèn)為S2所受的作用力主要為該大質(zhì)量黑洞的引力，設(shè)太陽(yáng)的質(zhì)量為M,可

A.4X104MB.4X106MC.4X108MD.4X10'°M

2.[2021年全國(guó)甲卷，18】2021年2月，執(zhí)行我國(guó)火星探測(cè)任務(wù)的“天間一號(hào)”探測(cè)器在成功

實(shí)施三次近火制動(dòng)后，進(jìn)入運(yùn)行周期約為1.8x1055的橢圓形停泊軌道，軌道與火星表面的最近距

離約為2.8x105m。已知火星半徑約為3.4x106m,火星表面處自由落體的加速度大小約為

3.7m/s2,則“天問(wèn)一號(hào)”的停泊軌道與火星表面的最遠(yuǎn)距離約為（）

A.6xl05mB.6xl06mC.6xl07mD.6x108m

3.[2021年山東卷，51從“玉兔”登月到“祝融”探火，我國(guó)星際探測(cè)事業(yè)實(shí)現(xiàn)了由地月系到

行星際的跨越.已知火星質(zhì)量約為月球的9倍，半徑約為月球的2倍，“祝融”火星車(chē)的質(zhì)量約為

“玉兔”月球車(chē)的2倍.在著陸前，“祝融”和“玉兔”都會(huì)經(jīng)歷一個(gè)由著陸平臺(tái)支撐的懸停過(guò)程.

懸停時(shí)，“祝融”與“玉兔”所受陸平臺(tái)的作用力大小之比為（）

A.9:1B.9:2C.36:1D.72:1

4.（2021年山東卷，8]迷你系繩衛(wèi)星在地球赤道正上方的電離層中，沿圓形軌道繞地飛行.系

繩衛(wèi)星由兩子衛(wèi)星組成，它們之間的導(dǎo)體繩沿地球半徑方向，如圖所示.在電池和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的共

同作用下，導(dǎo)體繩中形成指向地心的電流，等效總電阻為r.導(dǎo)體繩所受的安培力克服大小為f的

環(huán)境阻力，可使衛(wèi)星保持在原軌道上.已知衛(wèi)生離地平均高度為H,導(dǎo)體繩長(zhǎng)為〃），地球

半徑為R,質(zhì)量為M,軌道處磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B,方向垂直于赤道平面.忽略地球自轉(zhuǎn)的影響.據(jù)

此可得，電池電動(dòng)勢(shì)為（）

遠(yuǎn)地f衛(wèi)星

赤道平面

GMBLGMBL

C.BLH-------D.BL

R+HfrR+Hfr

5.【2021年廣東卷，2】2021年4月，我國(guó)自主研發(fā)的空間站“天和”核心艙成功發(fā)射并入軌運(yùn)

行。若核心艙繞地球的運(yùn)行可視為勻速圓周運(yùn)動(dòng)，已知引力常量，由下列物理量能計(jì)算出地球質(zhì)

量的是（）

A.核心艙的質(zhì)量和繞地半徑B.核心艙的質(zhì)量和繞地周期

C.核心艙的繞地角速度和繞地周期D.核心艙的繞地線(xiàn)速度和繞地半徑

6.（2021年河北卷，4]“祝融號(hào)”火星車(chē)登陸火星之前，“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器沿橢圓形的停泊

軌道繞火星飛行，其周期為2個(gè)火星日。假設(shè)某飛船沿圓軌道繞火星飛行，其周期也為2個(gè)火星

日。已知一個(gè)火星日的時(shí)長(zhǎng)約為一個(gè)地球日、火星質(zhì)量約為地球質(zhì)量的0.1倍，則該飛船的軌道

半徑與地球同步衛(wèi)星的軌道半徑的比值約為（）

A.西B.舊C.A?嗜

7.[2021年湖南卷，712021年4月29日，中國(guó)空間站“天和”核心艙發(fā)射升空，準(zhǔn)確進(jìn)入預(yù)

定軌道。根據(jù)任務(wù)安排，后續(xù)將發(fā)射“問(wèn)天”實(shí)驗(yàn)艙和“夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙，計(jì)劃2022年完成空間站

在軌建造。核心艙繞地球飛行的軌道可視為圓軌道，軌道離地面的高度約為地球半徑的上。下列

16

說(shuō)法正確的是（）

A.核心艙進(jìn)入軌道后所受地球的萬(wàn)有引力大小約為它在地面時(shí)的（工）2倍

B.核心艙在軌道上飛行的速度大于7.9km/s

C.核心艙在軌道上飛行的周期小于24h

D.后續(xù)加掛實(shí)驗(yàn)艙后，空間站由于質(zhì)量增大，軌道半徑將變小

8.[2021年浙江卷，10】空間站在地球外層的稀薄大氣中繞行，因氣體阻力的影響，軌道高度

會(huì)發(fā)生變化?？臻g站安裝有發(fā)動(dòng)機(jī)，可對(duì)軌道進(jìn)行修正。圖中給出了國(guó)際空間站在2020.02—

高度隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)，則空間站（)

A.繞地運(yùn)行速度約為2.0km/s

B.繞地運(yùn)行速度約為8.0km/s

C.在4月份繞行的任意兩小時(shí)內(nèi)機(jī)械能可視為守恒

D.在5月份繞行的任意兩小時(shí)內(nèi)機(jī)械能可視為守恒

9.【2021年江西省吉安市質(zhì)檢，7】2020年7月23日12點(diǎn)41分左右，我國(guó)長(zhǎng)征五號(hào)遙四運(yùn)載火箭在

海南文昌發(fā)射中心成功發(fā)射“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器。探測(cè)器將飛行約7個(gè)月后與火星交會(huì)，實(shí)現(xiàn)

“環(huán)繞、著陸、巡視”三個(gè)目標(biāo)。已知火星質(zhì)量約為地球質(zhì)量的半徑約為地球半徑的,，下

102

列說(shuō)法正確的是（）

A.火星探測(cè)器的發(fā)射速度應(yīng)大于地球的第二宇宙速度

B.火星探測(cè)器的發(fā)射速度應(yīng)介于地球的第一和第二宇宙速度之間

C.火星的第一宇宙速度約為地球第一宇宙速度的更倍

5

D.探測(cè)器在火星表面的重力約為其在地球表面重力的0.4倍

10.[2021年五省百校聯(lián)考，5]2020年11月24日，“嫦娥五號(hào)”成功發(fā)射開(kāi)啟了我國(guó)首次外

天體采樣返回之旅，嫦娥五號(hào)探測(cè)器由軌道器、返回器、著陸器、上升器四部分組成，在環(huán)月飛

行后，著陸器和上升器組合體將與軌道器和返回器組合體分離，軌道器攜帶返回器留軌運(yùn)行，著

陸器承載上升器擇機(jī)在月球正面最大的月海風(fēng)暴洋北部呂姆克山區(qū)域軟著陸，開(kāi)展月面自動(dòng)采樣

等工作，采樣目標(biāo)是采集約2公斤月壤并送回地球。如圖所示，關(guān)閉動(dòng)力的宇宙飛船在月球引力

作用下沿地一月轉(zhuǎn)移軌道向月球靠近，并于A處進(jìn)入環(huán)月圓軌道。已知在環(huán)月圓軌道運(yùn)行過(guò)程中

軌道半徑為r,運(yùn)行周期為T(mén),萬(wàn)有引力常量為G,月球的半徑為R,下列說(shuō)法正確的是（）

宇宙飛船、、、

i*?月球，；

A.發(fā)射嫦娥五號(hào)時(shí)、發(fā)射速度要大于第二宇宙速度

B.關(guān)閉動(dòng)力的宇宙飛船在月球引力作用下沿地一月轉(zhuǎn)移軌道向月球靠近過(guò)程中，宇宙飛船的機(jī)械

能增加

4兀2,

C.月球的質(zhì)量M=

GT2

D.著陸器承載上升器在月球正面軟著陸的落地瞬間上升器處于失重狀態(tài)

11.【2021年河南省名校聯(lián)考，7]如圖所示“木衛(wèi)二”是近幾年來(lái)科學(xué)家的“新寵”，這顆衛(wèi)

星存在大氣層，還有微弱的磁場(chǎng)，引起了廣大專(zhuān)家的關(guān)注。已知“木衛(wèi)二”在離木星表面高H處

繞木星做近似勻速圓周運(yùn)動(dòng)，其公轉(zhuǎn)同期為T(mén),把木星看作一質(zhì)量分布均勻的球體，木星的半徑

為r,萬(wàn)有引力常量為G,若有另一衛(wèi)星P繞木星表面附近（離木星表而高度可忽略）做勻速圓周

運(yùn)動(dòng)，則木星的質(zhì)量和衛(wèi)星P的線(xiàn)速度大小分別為（）

2無(wú)2。+”)32兀l(r+H)32面(廠+")347t](/■+”￥

GT2-'TV~~GT2'37V-7~

47t2(r+H>4兀l(r+f/)34兀2(/+")32兀l(r+H)3

2

GT2'sr\-7~GT，亍V-7~

12.[2021年廣東省高州市模擬，5]2020年7月23日12時(shí)41分，火星探測(cè)器“天問(wèn)一號(hào)”成

功發(fā)射，標(biāo)志著我國(guó)己經(jīng)開(kāi)啟了探索火星之旅?！疤靻?wèn)一號(hào)”首先進(jìn)入圓軌道環(huán)繞火星做勻速圓

周運(yùn)動(dòng)，然后調(diào)整姿態(tài)懸停在火星上空，再向下加速、減速，“天問(wèn)一號(hào)”著陸火星表面并執(zhí)行

任務(wù)。已知地球與火星的質(zhì)量比為a,地球與火星的半徑比為b。則下列說(shuō)法正確的是（）

A.地球與火星表面的重力加速度的比值為g

b

B.地球與火星的近地衛(wèi)星周期的比值為形

C.地球與火星的第一宇宙速度的比值為監(jiān)

D.“天問(wèn)一號(hào)”在環(huán)繞火星運(yùn)動(dòng)、懸停、向下加速以及減速的過(guò)程中，處于失重狀態(tài)

13.[2021年河北省聯(lián)考，7】我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器計(jì)劃飛行約7個(gè)月抵

達(dá)火星，并通過(guò)2至3個(gè)月的環(huán)繞飛行后著陸火星。如圖所示，為關(guān)閉動(dòng)力的“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)

器在火星引力作用下經(jīng)橢圓軌道向火星靠近，然后繞火星做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。已知探測(cè)器繞火星做

勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑為r,周期為T(mén),引力常數(shù)為G,火星半徑為R,下列說(shuō)法正確的是（）

探測(cè)器

A.探測(cè)器在B處由橢圓軌道進(jìn)人圓軌道必須點(diǎn)火加速探測(cè)器

B.圖中探測(cè)器在飛向B處的過(guò)程中，加速度逐漸增大

C.根據(jù)題中條件可以算出火星的密度

D.根據(jù)題中條件可以算出探測(cè)器在圓軌道受到火星引力大小

14.[2021年江蘇省無(wú)錫市調(diào)研，4】在空間站中，宇航員長(zhǎng)期處于失重狀態(tài)。為緩解這種狀態(tài)

帶來(lái)的不適，科學(xué)家設(shè)想建造一種環(huán)形空間站，如圖所示。圓環(huán)繞中心勻速旋轉(zhuǎn)，宇航員站在旋

轉(zhuǎn)艙內(nèi)的側(cè)壁上，可以受到與他站在地球表面時(shí)相同大小的支持力。已知地球表面的重力加速度

為g,圓環(huán)的半徑為r,宇航員可視為質(zhì)點(diǎn)。以下說(shuō)法正確的是（）

A.宇航員處于平衡狀態(tài)

B.宇航員的向心加速度大小應(yīng)為g

C.旋轉(zhuǎn)艙繞其軸線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度大小應(yīng)為正

D.旋轉(zhuǎn)艙繞其軸線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)的線(xiàn)速度大小應(yīng)為形

15.[2021年山東省青島市模擬，11】若宇航員到達(dá)某一星球后，做了如下實(shí)驗(yàn)：（1）讓小球

從距離地面高人處由靜止開(kāi)始下落，測(cè)得小球下落到地面所需時(shí)間為t；（2）將該小球用輕質(zhì)組

繩固定在傳感器上的。點(diǎn)，如圖甲所示。給小球一個(gè)初速度后，小球在豎直平面內(nèi)繞。點(diǎn)做完整

的圓周運(yùn)動(dòng)，傳感器顯示出繩子拉力大小隨時(shí)間變化的圖象所示（圖中耳、鳥(niǎo)為已知）。已知該

星球近地衛(wèi)星的周期為T(mén),萬(wàn)有引力常量為G,該星球可視為均質(zhì)球體。下列說(shuō)法正確的是（）

A.該星球的平均密度為券

B.小球質(zhì)量為

12/7

hT2

C.該星球半徑為行D.環(huán)繞該星球表面運(yùn)行的衛(wèi)星的速率為a

nt

答案以及解析

1.答案：B

解析：本題考查萬(wàn)有引力定律的應(yīng)用。根據(jù)開(kāi)普勒定律可得，其中是中心天體的質(zhì)

量。根據(jù)題圖，S2的公轉(zhuǎn)周期約為16年，設(shè)黑洞的質(zhì)量為AT,則有理=竺，求得

16-M

—?4xlO\B項(xiàng)正確。

M

2.答案：C

解析：本題考查開(kāi)普勒第三定律、萬(wàn)有引力作用下的天體運(yùn)動(dòng)。對(duì)火星表面的物體有

GMm衛(wèi)星繞火星表面做圓周運(yùn)動(dòng)，衛(wèi)星有曾=〃獷絲，根據(jù)開(kāi)普勒第三定律可知,

———=mg

R2r2T2

“天問(wèn)一號(hào)”在停泊軌道對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)半軸a的三次方跟周期心的平方比值為常數(shù)，即今=%，聯(lián)立

以上各式可得提=，=祭，代入題給數(shù)據(jù)可得a^3.3xl()7m,貝U“天問(wèn)一號(hào)”的停泊軌道與

火星表面的最遠(yuǎn)距離約為而-2RB6X1()7m,C項(xiàng)正確。

3.答案：B

解析：

4.答案:A

解析：

5.答案:D

解析：本題考查對(duì)天體質(zhì)量的估算。根據(jù)G/=〃?匕，可得M=上,D項(xiàng)正確。

r2rG

6.答案：D

解析：本題考查萬(wàn)有引力定律。由G券=切苓r,得，=魯1,因止匕(尹嚕令，解得

；=’O.lxj)2=g,D項(xiàng)正確。

7.答案:AC

解析：本題考查萬(wàn)有引力定律、圓周運(yùn)動(dòng)和第一宇宙速度。根據(jù)萬(wàn)有引力定律，在地面上時(shí)核心

艙受地球的萬(wàn)有引力馬產(chǎn)笑，進(jìn)入軌道后核心艙受地球的萬(wàn)有引力號(hào)=增如一=(3)2尸萬(wàn)，

R-("+R)217

16

A項(xiàng)正確；由絲%=〃7匕，得丫=陛，可知r越大，V越小，第一宇宙速度7.9km/s為繞地

rrVr

球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的最大環(huán)繞速度，B項(xiàng)錯(cuò)誤；核心艙的軌道半徑遠(yuǎn)小于同步衛(wèi)星的軌道半徑，

由華=02/，得T=J3立i,r越小，T越小，核心艙的周期小于同步衛(wèi)星的周期24h,

r2TVGM

C項(xiàng)正確；加掛試驗(yàn)艙后，由萬(wàn)有引力提供向心力可知r=半，與核心艙和空間站的質(zhì)量無(wú)關(guān)，

軌道半徑不會(huì)變小，D項(xiàng)錯(cuò)誤.

8.答案：D

解析：本題考查天體運(yùn)動(dòng)、機(jī)械能守恒?？臻g站距離地面的高度是變化的，線(xiàn)速度也是變化的，

A、B項(xiàng)錯(cuò)誤；4月和5月對(duì)比，4月高度起伏變化大，說(shuō)明進(jìn)行了軌道修正，即存在發(fā)動(dòng)機(jī)做

功，機(jī)械能不守恒，C項(xiàng)錯(cuò)誤，D項(xiàng)正確。

9.答案:ACD

解析：當(dāng)發(fā)射速度大于第二宇宙速度時(shí)，探測(cè)器將脫離地球的引力在太陽(yáng)系的范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，火星

在太陽(yáng)系內(nèi)，所以火星探測(cè)器的發(fā)射速度應(yīng)大于第二宇宙速度，故A正確；第二宇宙速度是探測(cè)

器脫離地球的引力到太陽(yáng)系中的臨界條件，當(dāng)發(fā)射速度介于地球的第一和第二宇宙速度之間時(shí)，

探測(cè)器將圍繞地球運(yùn)動(dòng)，故B錯(cuò)誤；第一宇宙速度等于天體表面衛(wèi)星的速度，根據(jù)萬(wàn)有引力提供

向心力，有嗎=皿，得匕=陛，所以火星、地球的第一宇宙速度之比

R2R'VR

胎於拈X：邛,即丫火=日加'選項(xiàng),正確；根據(jù)萬(wàn)有引力近似等于重力'有

嗎=,移，得也=絲生.維=_Lxj2[=0.4,探測(cè)器在火星、地球表面的重力之比

代g地M地段「10

”=也=0.4,H[JG火=0.4G地，選項(xiàng)D正確。

*g地

10.答案：C

解析：A.嫦娥五號(hào)發(fā)射速度小于第二宇宙速度，故A錯(cuò)誤；

B.關(guān)閉動(dòng)力的宇宙飛船在月球引力作用下沿地一月轉(zhuǎn)移軌道向月球靠近過(guò)程中，宇宙飛船的機(jī)械

能不變，故B錯(cuò)誤；

C.對(duì)宇宙飛船，根據(jù)萬(wàn)有引力提供向心力GmMm=加,4儲(chǔ)r得加=賽4兀~',廠根'據(jù)空間站的軌道半

徑為r,周期為T(mén),萬(wàn)有引力常量為C可計(jì)算出月球的質(zhì)量M,故C正確;

D.著陸器承載上升器在月球正面軟著陸的落地瞬間上升器處于超重狀態(tài)，故D錯(cuò)誤。

11.答案：D

解析：設(shè)“木衛(wèi)二”的質(zhì)量為m,由牛頓第二定律有：6嗎="絆得木星的質(zhì)量：

(r+H)2T2

〃=4兀3”,對(duì)衛(wèi)星p,萬(wàn)有引力提供向心力，有：0駟=加得衛(wèi)星P的線(xiàn)速度大

GT'r2r

小:故選項(xiàng)D正確。

12.答案：C

Mm整理得g=^

解析：對(duì)于處在星體表面的物體，萬(wàn)有引力與重力的關(guān)系為G=mg,，則地

球與火星表面的重力加速度的比值為組=二，A錯(cuò)誤；對(duì)于近地衛(wèi)星，由=m鴛R,整

g火從R-T2

理得G粵=mg,則地球與火星的近地衛(wèi)星周期的比值為維=/口，B錯(cuò)誤；星球的第一宇宙速

R-般V4

度為丫=荷，則地球與火星的第一宇宙速度的比值為曳=、g，C正確；“天問(wèn)一號(hào)”在環(huán)繞火

v火

星運(yùn)動(dòng)時(shí)處于完全失重狀態(tài)，懸停時(shí)處于平衡狀態(tài)，向下加速時(shí)處于失重狀態(tài)，向下減速時(shí)處于

超重狀態(tài)，D錯(cuò)誤。

13.答案:BC

解析：在B點(diǎn)應(yīng)減速，A錯(cuò)；飛向B的過(guò)程中萬(wàn)有引力增大，加速度增大，B對(duì)；由

竿=機(jī)警「可計(jì)算M,又已知火星半徑R,則火星密度可算'C對(duì)；探測(cè)器質(zhì)量未知‘引力無(wú)

法計(jì)算,D錯(cuò)。

14.答案：B

解析：旋轉(zhuǎn)艙中的宇航員做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，圓環(huán)繞中心勻速旋轉(zhuǎn)使宇航員感受到與地球一樣的重

力是向心力所致，向心加速度大小應(yīng)為g,合力指向圓心，處于非平衡狀態(tài);

根triJ據(jù)J-J：g=co2~r=V一

r

解得：a)=J^,v=y/gr

故B正確，ACD錯(cuò)誤；

15.答案：ABD

-Mm4K2CM4

解析：A.對(duì)近地衛(wèi)星有G——=m——Rp=-V=-n/?3

R2T2V3

37T

解得：夕=而方故A正確

B