2021年高考真題和模擬題分類匯編物理專題06萬有引力定律與航天

2021年高考真題和模擬題分類匯編物理專題06萬有引力定律與航天選擇題1.(2021·浙江卷)空間站在地球外層的稀薄大氣中繞行，因氣體阻力的影響，軌道高度會發(fā)生變化?？臻g站安裝有發(fā)動機，可對軌道進行修正。圖中給出了國際空間站在期間離地高度隨時間變化的曲線，則空間站()

A.繞地運行速度約為B.繞地運行速度約為C.在4月份繞行的任意兩小時內(nèi)機械能可視為守恒D.在5月份繞行的任意兩小時內(nèi)機械能可視為守恒答案D解析：在5月份軌道半徑基本不變，故可視為機械能守恒，故D正確。故選D。2.(2021·全國乙卷)科學家對銀河系中心附近的恒星S2進行了多年的持續(xù)觀測，給出1994年到2002年間S2的位置如圖所示?？茖W家認為S2的運動軌跡是半長軸約為(太陽到地球的距離為)的橢圓，銀河系中心可能存在超大質(zhì)量黑洞。這項研究工作獲得了2020年諾貝爾物理學獎。若認為S2所受的作用力主要為該大質(zhì)量黑洞的引力，設(shè)太陽的質(zhì)量為M，可以推測出該黑洞質(zhì)量約為()

A.B.C.D.答案B解析：可以近似把S2看成勻速圓周運動，由圖可知，S2繞黑洞的周期T=16年，地球的公轉(zhuǎn)周期T0=1年，S2繞黑洞做圓周運動的半徑r與地球繞太陽做圓周運動的半徑R關(guān)系是地球繞太陽的向心力由太陽對地球的引力提供，由向心力公式可知解得太陽的質(zhì)量為同理S2繞黑洞的向心力由黑洞對它的萬有引力提供，由向心力公式可知解得黑洞的質(zhì)量為綜上可得故選B。3.(2021·全國甲卷)2021年2月，執(zhí)行我國火星探測任務的“天問一號”探測器在成功實施三次近火制動后，進入運行周期約為1.8×105s的橢圓形停泊軌道，軌道與火星表面的最近距離約為2.8×105m。已知火星半徑約為3.4×106m，火星表面處自由落體的加速度大小約為3.7m/s2，則“天問一號”的停泊軌道與火星表面的最遠距離約為A.6×105mB.6×106mC.6×107mD.6×10答案C解析：忽略火星自轉(zhuǎn)則①可知設(shè)與為1.8×105s的橢圓形停泊軌道周期相同的圓形軌道半徑為，由萬引力提供向心力可知②設(shè)近火點到火星中心為③設(shè)遠火點到火星中心為④由開普勒第三定律可知⑤由以上分析可得故選C。4.(2021·湖南卷)2021年4月29日，中國空間站天和核心艙發(fā)射升空，準確進入預定軌道。根據(jù)任務安排，后續(xù)將發(fā)射問天實驗艙和夢天實驗艙，計劃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。下列說法正確的是A.核心艙進入軌道后所受地球的萬有引力大小約為它在地面時的倍B.核心艙在軌道上飛行的速度大于C.核心艙在軌道上飛行的周期小于D.后續(xù)加掛實驗艙后，空間站由于質(zhì)量增大，軌道半徑將變小答案AC解析：根據(jù)萬有引力定律有核心艙進入軌道后的萬有引力與地面上萬有引力之比為所以A正確；根據(jù)可知軌道半徑越大周期越大，則其周期比同步衛(wèi)星的周期小，小于24h，所以C正確；故選AC。5.(2021·河北卷)“祝融號”火星車登陸火星之前，“天問一號”探測器沿橢圓形的停泊軌道繞火星飛行，其周期為2個火星日，假設(shè)某飛船沿圓軌道繞火星飛行，其周期也為2個火星日，已知一個火星日的時長約為一個地球日，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.B.C.D.答案D解析：繞中心天體做圓周運動，根據(jù)萬有引力提供向心力，可得則，由于一個火星日的時長約為一個地球日，火星質(zhì)量約為地球質(zhì)量的0.1倍，則飛船的軌道半徑則故選D。6.(2021春·浙江卷)嫦娥五號探測器是我國首個實施月面采樣返回的航天器，由軌道器、返回器、著陸器和上升器等多個部分組成。為等待月面采集的樣品，軌道器與返回器的組合體環(huán)月做圓周運動。已知引力常量G=6.67×1011N?m2/kg2地球質(zhì)量m=6.0×1024kg，月球質(zhì)量m2=7.3×1022kg，月地距離r1=3.8×105km，月球半徑r2=1.7×103A.16m/sB.1.1×102m/sC.1.6×103m/s【答案】C【解析】根據(jù)可得故選C。7.(2021·廣東卷)2021年4月，我國自主研發(fā)的空間站“天和”核心艙成功發(fā)射并入軌運行，若核心艙繞地球的運行可視為勻速圓周運動，已知引力常量，由下列物理量能計算出地球質(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.核心艙的繞地線速度和繞地半徑答案D解析：根據(jù)核心艙做圓周運動向心力由地球的萬有引力提供，可得可得可知已知核心艙的質(zhì)量和繞地半徑、已知核心艙的質(zhì)量和繞地周期以及已知核心艙的角速度和繞地周期，都不能求解地球的質(zhì)量；若已知核心艙的繞地線速度和繞地半徑可求解地球的質(zhì)量。故選D。8.(2021·四川瀘州三模)12月17日凌晨1時59分，嫦娥五號返回器攜帶月球樣品，采用“半彈道跳躍”方式返回地球，圓滿完成了月球取樣任務。如圖虛線為大氣層邊界，返回器從a點關(guān)閉發(fā)動機無動力滑入大氣層，然后從c點“跳”出，再從e點“躍”入，實現(xiàn)多次減速，可避免損壞返回器。d點為軌跡的最高點，離地心的距離為r，返回器在d點時的速度大小為v，地球質(zhì)量為M，引力常量為G。則返回器(A.在d點處于完全失重狀態(tài)B.在d點時的速度大小v=C.在d點時的加速度大小為D.從a點到c點的過程中，只有重力在做功【答案】A【解析】A．在d點返回器只受地球的引力作用，所以返回器處于完全失重狀態(tài)，則A正確；B．在d點做勻速圓周運動時返回器的速度大小為v=，但返回器在d點做近心運動，則在d點時的速度大小v<，所以B錯誤；C．在d點時的加速度大小為所以C錯誤；D．從a點到c點過程中，除了重力在做功還有空氣阻力做功，所以D錯誤；故選A。9．(2021·北京海淀一模)2020年12月17日凌晨，嫦娥五號返回器在我國內(nèi)蒙古中部四子王旗著陸場成功著陸，這一事件標志著我國首次月球采樣任務取得圓滿成功。此次任務中，為了節(jié)省燃料、保證返回器的安全，也為之后的載人登月返回做準備，返回器采用了半彈道跳躍返回方式，具體而言就是返回器先后經(jīng)歷兩次“再入段”，利用大氣層減速。返回器第一次再入過程中，除受到大氣阻力外還會受到垂直速度方向的大氣升力作用，使其能再次跳躍到距地面高度120km以上的大氣層，做一段跳躍飛行后，又再次進入距地面高度120km以下的大氣層，使再入速度達到安全著陸的要求。這一返回過程如圖10所示。若不考慮返回器飛行中質(zhì)量的變化，從以上給出的信息，可以判斷下列說法中正確的是A．若沒有大氣層的減速作用，返回器返回著陸點時的速度等于第一宇宙速度B．返回器在第一次再入段，經(jīng)過軌道最低點前已開始減速C．返回器在第一次再入段，經(jīng)過軌道最低點時所受大氣升力與萬有引力大小相等D．返回器從第一次再入至著陸過程中與大氣摩擦產(chǎn)生的熱量等于其第一次再入時的動能【答案】B【解析】因為第一宇宙速度是繞地球的環(huán)繞速度，若沒有大氣層的減速作用，返回器返回時，重力做正功，它的速度增大，它的速度也可能大于第一宇宙速度，速度大之所以落地面上了，是因為返回器的方向是指向地球的，選項A錯誤；由于大氣的阻力與速度的方向是相反的，起減速的作用，而還有一個垂直速度方向的大氣升力，它是改變運動方向的，返回器第一次再進入時段，經(jīng)過軌道最低點前，重力做正功，阻力做負功，升力不做功，故是不是開始減速了，需要知道重力做的功與阻力做功的關(guān)系，二者的關(guān)系不好直接判斷，但是我們可以通過第一次再入階段時指定回器受到的合力情況判斷，由軌跡可知，此時它受到的合力是向上的，該力與它的位移方向夾角大于90度，故合力對它做負功，如圖所示，所以其速度是減小的，選項B正確；xxF合返回器在第一次再入段，經(jīng)過軌道最低點時，它相當于做圓周運動的一部分，此時需要向上的向心力，即升力要大于重力才可以，故升力與萬有引力不相等，選項C錯誤；利用能量守恒可知，設(shè)著陸點返回器的速度為0，則返回器在第一次再入至著陸過程中，mgh+Ek=Q，返回器與大氣層摩擦而產(chǎn)生的熱量不等于其第一次再入時的動能，而是大于這個動能，故選項D錯誤。10.(2021·河北唐山一模)假設(shè)在月球表面將物體以某速度豎直上拋，經(jīng)過時間t物體落回地面，上升的最大高度為h。已知月球半徑為R、萬有引力常量為G，不計一切阻力。則月球的密度為()A.B.C.D.【答案】C【解析】由自由落體公式得設(shè)月球質(zhì)量為M，月球表面質(zhì)量為m的物體所受重力設(shè)月球體積為V則月球密度為聯(lián)立以上各式得故選C。11.(2021·云南曲靖一模)“嫦娥四號”已成功降落月球背面，未來中國還將建立繞月軌道空間站。如圖所示，關(guān)閉動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，并將與空間站在A處對接。已知空間站繞月軌道半徑為r，周期為T，萬有引力常量為G，月球的半徑為R，下列說法正確的是()A.宇宙飛船A處由橢圓軌道進入空間站軌道必須點火減速B.宇宙飛船在A處由橢圓軌道進入空間站軌道必須點火加速C.月球的第一宇宙速度為D.月球的第一宇宙速度為【答案】AC【解析】【詳解】AB．宇宙飛船在橢圓軌道的A點做近心運動，只有在點火減速后，才能進入圓軌道的空間站軌道，故A正確，B錯誤；CD．對空間站，根據(jù)萬有引力提供向心力解得月球的第一宇宙速度為故C正確，D錯誤。故選AC。12．(2021·江蘇常州一模)“遂古之初，誰傳道之？上下未形，何由考之？”2020年7月23日，我國探測飛船天問一號飛向火星！偉大詩人屈原的“天問”夢想正成為現(xiàn)實。圖中虛線為天問一號的“地”“火”轉(zhuǎn)移軌道，下列說法正確的是()A．天問一號發(fā)射速度為大于7.9km/s小于11.2km/sB．天問一號的在軌速度總大于地球繞太陽的公轉(zhuǎn)速度C．天問一號的在軌加速度總小于火星繞太陽的加速度D．天問一號從地球飛到火星軌道的時間小于半個火星年【分析】7.9km/s是衛(wèi)星繞地球表面飛行的環(huán)繞速度，11.2km/s是衛(wèi)星脫離地球引力的束縛的最小發(fā)射速度；根據(jù)萬有引力提供向心力，即可判斷出加速度和速度的的變化關(guān)系，根據(jù)開普勒第三定律求得周期即可判斷。【解答】解：A、“天問一號”最終繞火星飛行，脫離了地球引力的束縛，故最小發(fā)射速度為11.2km/s，故A錯誤；B、在地火轉(zhuǎn)移軌道上，太陽對衛(wèi)星的萬有引力提供向心力，根據(jù)，解得v＝，軌道半徑越大，速度越小，天問一號的在軌速度總小于地球繞太陽的公轉(zhuǎn)速度，故B錯誤；C、根據(jù)可得a＝，軌道半徑越大，加速度越小，但在天問一號與火星軌道相切位置，加速度大小相同，故C錯誤；D、根據(jù)開普勒第三定律可得：，由于天問一號的半長軸小于火星的半長軸，故天文一號的周期小于火星的周期，天問一號從地球飛到火星軌道的時間小于半個火星年，故D正確；故選：D。【點評】本題考查了萬有引力定律的應用，解決本題的關(guān)鍵是理解衛(wèi)星的變軌過程，以及萬有引力定律的靈活運用，這類問題也是高三高考的熱點問題。13.(2021·河北石家莊一模)如圖所示，人造衛(wèi)星甲、乙分別繞地球做勻速圓周運動，衛(wèi)星甲、乙軌道平面互相垂直，乙的軌道半徑是甲軌道半徑的倍，某時刻兩衛(wèi)星和地心在同一直線上，且乙在甲的正上方(稱為相遇)。在這以后，甲運動6周的時間內(nèi)，它們相遇了()A.1次B.2次C.3次D.4次【答案】B【解析】對于衛(wèi)星，根據(jù)萬有引力提供向心力可得根據(jù)題意知乙的軌道半徑是甲軌道半徑的倍，可得故在甲運動6周的時間內(nèi)，乙轉(zhuǎn)動1.2圈；從圖示時刻開始，乙轉(zhuǎn)半圈時，甲轉(zhuǎn)動2.5圈，相遇一次；此后每次乙轉(zhuǎn)動半圈，兩個衛(wèi)星就相遇一次；故一共相遇2次，故B正確，ACD錯誤。故選B。14.(2021·河北石家莊一模)1687年牛頓在總結(jié)了前人研究成果的基礎(chǔ)上提出了萬有引力定律，并通過月—地檢驗證明了地球?qū)Φ孛嫖矬w的引力與行星對衛(wèi)星的引力具有相同的性質(zhì)。當時牛頓掌握的信息有：地球表面的重力加速度g，月球軌道半徑為地球半徑的60倍，月球的公轉(zhuǎn)周期約為27.3天。下列關(guān)于月一地檢驗的說法中正確的是()A.牛頓計算出了地球?qū)υ虑虻娜f有引力的數(shù)值，從而完成了月—地檢驗B.牛頓計算出了月球?qū)υ虑虮砻嫖矬w的萬有引力的數(shù)值，從而完成了月—地檢驗C.牛頓計算出了月球表面的重力加速度約為地球表面重力加速度的，從而完成了月—地檢驗D.牛頓計算出了月球繞地球做圓周運動的加速度約為地球表面重力加速度的，從而完成了月—地檢驗【答案】D【解析】AB．牛頓當時還沒有測量出萬有引力常量，后來卡文迪許測出的萬有引力常量，所以牛頓并沒有計算出地球?qū)υ虑虻娜f有引力的數(shù)值和月球?qū)υ虑虮砻嫖矬w的萬有引力的數(shù)值，故AB錯誤；C．對任一物體在星球表面受到的重力等于星球?qū)ξ矬w的萬有引力，即根據(jù)題意無法知道地球質(zhì)量與月球的質(zhì)量關(guān)系以及地球半徑與月球的半徑關(guān)系，故無法求出月球表面的重力加速度與地球表面的重力