高考物理万有引力与航天解题技巧讲解及练习题(含答案)
高考物理万有引力与航天解题技巧讲解及练习题(含答案)
一、高中物理精讲专题测试万有引力与航天
1．宇宙中存在一些离其他恒星较远的三星系统，通常可忽略其他星体对它们的引力作用，三星质量也相同．现已观测到稳定的三星系统存在两种基本的构成形式：一种是三颗星位于同一直线上，两颗星围绕中央星做囿周运动，如图甲所示；另一种是三颗星位于等边三角形的三个顶点上，并沿外接于等边三角形的囿形轨道运行，如图乙所示．设这三个 星体的质量均为 m ，且两种系统中各星间的距离已在图甲、图乙中标出，引力常量为 G ， 则: （1）直线三星系统中星体做囿周运动的周期为多少? （2）三角形三星系统中每颗星做囿周运动的角速度为多少?
【答案】（1）3
45L
Gm
23
3Gm L 【解析】 【分析】
（1）两侧的星由另外两个星的万有引力的合力提供向心力，列式求解周期； （2）对于任意一个星体，由另外两个星体的万有引力的合力提供向心力，列式求解角速度； 【详解】
（1）对两侧的任一颗星，其它两个星对它的万有引力的合力等于向心力，则：
222
22
2()(2)Gm Gm m L L L T
π+= 3
45L T Gm
∴=（2）三角形三星系统中星体受另外两个星体的引力作用，万有引力做向心力，对任一颗
星，满足：2
222cos30()cos30L
Gm m L ω?=?
解得：3
3Gm L ω
2．中国计划在2017年实现返回式月球软着陆器对月球进行科学探测，宇航员在月球上着陆后，自高h 处以初速度v 0水平抛出一小球，测出水平射程为L （这时月球表面可以看作是平坦的），已知月球半径为R ，万有引力常量为G ，求：
（1）月球表面处的重力加速度及月球的质量M 月；
（2）如果要在月球上发射一颗绕月球运行的卫星，所需的最小发射速度为多大？ （3）当着陆器绕距月球表面高H 的轨道上运动时，着陆器环绕月球运动的周期是多少?
【答案】（1）22
02
2hV R M GL =（2
3
）T =
【解析】 【详解】
（1）由平抛运动的规律可得：
2
12
h gt =
0L v t =
2022hv g L
=
由
2
GMm
mg R = 2202
2hv R
M GL
= （2）
1v =
==（3）万有引力提供向心力，则
()
()2
2
2GMm
m R H T R H π??=+ ???
+
解得：
T =
3．一宇航员站在某质量分布均匀的星球表面上沿竖直方向以初速度v 0抛出一个小球，测得小球经时间t 落回抛出点，已知该星球半径为R ，引力常量为G ，求： (1)该星球表面的重力加速度； (2)该星球的密度；
(3)该星球的“第一宇宙速度”． 【答案】(1)02v g t = (2) 0
32
πv RGt ρ=
(3)v = 【解析】
(1) 根据竖直上抛运动规律可知，小球上抛运动时间0
2v t g
= 可得星球表面重力加速度：0
2v g t
=
． (2)星球表面的小球所受重力等于星球对小球的吸引力，则有：2
GMm
mg R =
得：2
202v R gR M G Gt ==
因为3
43
R V π=
则有：032πv M V RGt
ρ=
= (3)重力提供向心力，故2
v mg m R
=
该星球的第一宇宙速度v =
=
【点睛】本题主要抓住在星球表面重力与万有引力相等和万有引力提供圆周运动向心力，掌握竖直上抛运动规律是正确解题的关键．
4．载人登月计划是我国的“探月工程”计划中实质性的目标．假设宇航员登上月球后，以初速度v 0竖直向上抛出一小球，测出小球从抛出到落回原处所需的时间为t.已知引力常量为G ，月球的半径为R ，不考虑月球自转的影响，求： (1)月球表面的重力加速度大小g 月； (2)月球的质量M ；
(3)飞船贴近月球表面绕月球做匀速圆周运动的周期T .
【答案】(1)02v t ；(2)20
2R v Gt ；(3)2【解析】 【详解】
(1)小球在月球表面上做竖直上抛运动，有0
2v t g =
月
月球表面的重力加速度大小0
2v g t
=
月 (2)假设月球表面一物体质量为m ，有
2
=Mm
G
mg R 月 月球的质量20
2R v M Gt
=
(3)飞船贴近月球表面做匀速圆周运动，有
2
22Mm
G m R R T π??= ???
飞船贴近月球表面绕月球做匀速圆周运动的周期
22Rt
T v π=
5．如图所示，宇航员站在某质量分布均匀的星球表面一斜坡上P 点沿水平方向以初速度v 0抛出一个小球，测得小球经时间t 落到斜坡上另一点Q ，斜面的倾角为α，已知该星球半径为R ，万有引力常量为G ，求：
（1）该星球表面的重力加速度； （2）该星球的密度； （3）该星球的第一宇宙速度v ；
（4）人造卫星绕该星球表面做匀速圆周运动的最小周期T ． 【答案】(1)02tan v t α；(2)03tan 2v GRt απ；02tana
v R t ；(4)0
2tan Rt v α【解析】 【分析】 【详解】
(1) 小球落在斜面上，根据平抛运动的规律可得：
2
00
12tan α2gt y gt x v t v ===
解得该星球表面的重力加速度：
02tan α
v g t
=
(2)物体绕星球表面做匀速圆周运动时万有引力提供向心力，则有：
2
GMm
mg R = 则该星球的质量：
G
gR M 2
= 该星球的密度：
33tan α34423
v M g
GR GRt R ρπππ=
=
=
(3)根据万有引力提供向心力得：
22Mm v G m R R
= 该星球的第一宙速度为：
v =
==
(4)人造卫星绕该星球表面做匀速圆周运动时，运行周期最小，则有:
2R
T v
π=
所以：
22T π==点睛：处理平抛运动的思路就是分解．重力加速度g 是天体运动研究和天体表面宏观物体运动研究联系的物理量．
6．假设在月球上的“玉兔号”探测器，以初速度v 0竖直向上抛出一个小球，经过时间t 小球落回抛出点，已知月球半径为R ，引力常数为G ． (1)求月球的密度．
(2)若将该小球水平抛出后，小球永不落回月面，则抛出的初速度至少为多大？
【答案】（1）032v GRt π （2【解析】 【详解】
(1)由匀变速直线运动规律：02
gt
v = 所以月球表面的重力加速度0
2v g t
=
由月球表面，万有引力等于重力得
2
GMm
mg R = G
gR M 2
= 月球的密度03=
2v M V GRt
ρπ= (2)由月球表面，万有引力等于重力提供向心力：2
v mg m R
=
可得：v =
7．“嫦娥一号”探月卫星在空中的运动可简化为如图5所示的过程，卫星由地面发射后，经过发射轨道进入停泊轨道，在停泊轨道经过调速后进入地月转移轨道，再次调速后进入工作轨道.已知卫星在停泊轨道和工作轨道运行的半径分别为R和R1，地球半径为r，月球半
径为r1，地球表面重力加速度为g，月球表面重力加速度为.求：
(1)卫星在停泊轨道上运行的线速度大小；
(2)卫星在工作轨道上运行的周期.
【答案】(1) (2)
【解析】
（1）卫星停泊轨道是绕地球运行时，根据万有引力提供向心力：
解得：卫星在停泊轨道上运行的线速度；
物体在地球表面上，有，得到黄金代换，代入解得；
（2）卫星在工作轨道是绕月球运行，根据万有引力提供向心力有，
在月球表面上，有，得，
联立解得：卫星在工作轨道上运行的周期．
8．2019年4月，人类史上首张黑洞照片问世，如图，黑洞是一种密度极大的星球。从黑洞出发的光子，在黑洞引力的作用下，都将被黑洞吸引回去，使光子不能到达地球，地球上观察不到这种星体，因此把这种星球称为黑洞。假设有一光子（其质量m未知）恰好沿黑洞表面做周期为T 的匀速圆周运动，求：
(1)若已知此光子速度为v ，则此黑洞的半径R 为多少？ (2)此黑洞的平均密度ρ为多少？（万有引力常量为G ） 【答案】（1）R =2vT π
（2）23GT πρ=
【解析】 【详解】
(1)此光子速度为v ，则2vT R π= 此黑洞的半径：2vT
R π
=
(2)根据密度公式得：
343
M M V R ρπ=
=
根据万有引力提供向心力，列出等式：2224GMm R
m R T
π=
解得：23
2
4R M GT π=
代入密度公式，解得：2
3GT π
ρ=
9．宇航员来到某星球表面做了如下实验：将一小钢球以v 0的初速度竖直向上抛出，测得小钢球上升离抛出点的最大高度为h （h 远小于星球半径），该星球为密度均匀的球体，引力常量为G ，求：
（1）求该星球表面的重力加速度；
（2）若该星球的半径R ，忽略星球的自转，求该星球的密度． 【答案】（1）（2）
【解析】
（1）根据速度-位移公式得：
，
得
（2）在星球表面附近的重力等于万有引力，有
及
联立解得星球密度
10．假设在宇航员登月前用弹簧秤称量一只砝码，成功登陆月球表面后，还用这一弹簧秤称量同一砝码，发现弹簧秤在月球上的示数是在地球上示数的k(k<1)倍，已知月球半径为
R ，引力常量为G ，地球表面的重力加速度大小为g ，求： （1）月球的密度；
（2）月球的第一宇宙速度和月球卫星的最小周期。 【答案】（1）34gk GR π；（2
2 【解析】 【详解】
（1）在地面上1F mg = 在月球表面上22
GMm
F R = 月球的质量3
43
M R πρ= 由于
2
1
F k F = 解得月球密度34gk
GR
ρπ=
（2）当卫星环绕月球表面飞行时的速度为第一宇宙速度，周期最小，设月球的第一宇宙速度为v ，近月卫星的周期为T ，则
2
2mv F R = 1F mg =
2R
T v
π=
解得v
22R T v π=
=