备战2020高考物理3年高考2年模拟1年原创专题5.3天体的运动（含解析）.docx

专题5.3 天体的运动【考纲解读与考频分析】宇宙中有很多天体在运动，高考对天体的运动考查频繁。【高频考点定位】： 天体的运动考点一：天体的运动【3年真题链接】1.（2018海南高考物理）土星与太阳的距离是火星与太阳距离的6倍多。由此信息可知（ ）A.土星的质量比火星的小 B.土星运行的速率比火星的小C.土星运行的周期比火星的小 D.土星运行的角速度大小比火星的大【参考答案】B【命题意图】此题考查万有引力定律、天体的运动及其相关的知识点。【解题思路】根据题述，土星与太阳的距离是火星与太阳距离的6倍多，即土星围绕太阳做匀速圆周运动的半径是火星围绕太阳做匀速圆周运动轨道半径的6倍多，根据万有引力等于向心力，G=m可知，轨道半径越大，运行速率越小，即土星运行的速率比火星的小，选项B正确；根据万有引力等于向心力，G=mr2可知，轨道半径越大，周期越大，即土星运行的周期比火星的大，选项C错误；根据万有引力等于向心力，G=mr2可知，轨道半径越大，角速度越小，即土星运行的角速度大小比火星的小，选项D错误。根据题述信息，不能得出土星的质量比火星质量的关系，选项A错误。2.（2018高考理综II16）2018年2月，我国500 m口径射电望远镜（天眼）发现毫秒脉冲星“J0318+0253”，其自转周期T=5.19 ms，假设星体为质量均匀分布的球体，已知万有引力常量为。以周期T稳定自转的星体的密度最小值约为（ ）A BC D【参考答案】.C【命题意图】本题考查万有引力定律、牛顿运动定律、密度及其相关的知识点。【解题思路】设脉冲星质量为M，半径为R。选取脉冲星赤道上一质元，设质量为m，由万有引力定律和牛顿第二定律可得G=mR（）2，星体最小密度=M/V，星球体积V=R3，联立解得：=，代入数据得=51015kg/m，选项C正确。3.（2018年4月浙江选考）土星最大的卫星叫“泰坦”(如图)，每16天绕土星一周，其公转轨道半径为1.2脳106km.已知引力常量，则土星的质量约为（ ）A. B. C. D. 【参考答案】B【名师解析】卫星受到的万有引力提供向心力，得：其中：；T=16天=16脳24脳3600s，引力常量，代入数据可得：，故B正确，A、C、D错误。4（2019全国理综III卷15）金星、地球和火星绕太阳的公转均可视为匀速圆周运动，它们的向心加速度大小分别为a金、a地、a火，它们沿轨道运行的速率分别为v金、v地、v火。已知它们的轨道半径R金R地a地a火 Ba火a地a金 Cv地v火v金 Dv火v地v金【参考答案】A【名师解析】由G=ma，解得a=, 已知它们的轨道半径R金R地a地a火，选项A正确B错误；由G=m，解得v=, 已知它们的轨道半径R金R地R火，由此可以判定v火v地v金，选项CD错误。5.（2017年4月浙江选考）如图所示，设行星绕太阳的运动是匀速圆周运动，金星自身的半径是火星的n倍，质量为火星的k倍。不考虑行星自转的影响，则（ ）A金星表面的重力加速度是火星的倍 B金星的“第一宇宙速度”是火星的倍C金星绕太阳运动的加速度比火星小 D金星绕太阳运动的周期比火星大【参考答案】B【考点】本题主要考察知识点：天体运动【名师解析】由黄金代换公式GM=gR2可知重力加速度g=GM/R2,所以=，选项A错误，由万有引力提供近地卫星做匀速圆周运动的向心力可知G=m,解得v1=，所以=，选项B正确；由高轨道低速大周期知，金星做圆周运动的加速度较大，周期较小，选项CD错误。6.（2017全国II卷19）如图，海王星绕太阳沿椭圆轨道运动，P为近日点，Q为远日点，M，N为轨道短轴的两个端点，运行的周期为,若只考虑海王星和太阳之间的相互作用，则海王星在从P经过M、Q到N的运动过程中（ ）A.从P到M所用的时间等于 B.从Q到N阶段，机械能逐渐变大C. 从P到Q阶段，速率逐渐变小 D.从M到N阶段，万有引力对它先做负功后做正功【参考答案】CD【名师解析】由开普勒第二定律可知，则，故，选项A错误；整个过程只受太阳的万有引力作用，机械能守恒，选项B错误；从 P到Q阶段，万有引力做负功，根据动能定理，海王星的动能减小，速率逐渐减小，选项C正确；从M到Q的过程中，万有引力与海王星速度方向的夹角为钝角，万有引力做负功，从Q到N的过程，万有引力与速度方向的夹角为锐角，万有引力做正功，即从M到N阶段，万有引力对它先做负功后做正功，选项D正确。7. （2016高考海南物理）通过观察冥王星的卫星，可以推算出冥王星的质量。假设卫星绕冥王星做匀速圆周运动，除了引力常量外，至少还需要两个物理量才能计算出冥王星的质量。这两个物理量可以是（ ）A.卫星的速度和角速度 B.卫星的质量和轨道半径C.卫星的质量和角速度 D.卫星的运行周期和轨道半径.【参考答案】AD【名师解析】卫星绕冥王星做匀速圆周运动，万有引力提供向心力，由G=m，G=mr2，联立消去r，可得冥王星的质量M=，选项A正确。由G=mr()2，解得M=，选项D正确。测出卫星的质量和轨道半径或测出卫星的质量和角速度，不能计算出冥王星的质量，选项BC错误。【2年模拟再现】1.（2019福建莆田二模）从秦始皇七年（公元前240年）起，哈雷彗星的每次回归，我国均有记录，这些连续的、较精确可靠的史料在近现代的天体探索中发挥了重要的作用。已知哈雷彗星绕太阳运行的轨道为椭圆轨道，平均周期约为76年，其近日点离太阳的距离约为地球与太阳之间距离的0.6倍，下次通过近日点的时间为2061年。根据以上信息，可估算出现在哈雷彗星离太阳的距离约为地球与太阳之间距离的（）A. 30倍B. 150倍C. 600倍D. 1200倍【参考答案】A【名师解析】设地球到太阳距离为r1，周期为T1，哈雷彗星的半长轴为r2，周期为T2，由开普勒第三定律可得：=，则得：r2=r1=18r1所以远日点的距离：a远=2r2-a近=36r1=0.6r1=35.4r1现在到下次通过近日点的时间为：2061-2019=42年可知现在哈雷彗星接近在远日点，所以现在哈雷彗星离太阳的距离约为地球与太阳之间距离的30倍，故A正确，BCD错误。【关键点拨】由开普勒第三定律求出哈雷彗星的半长轴与远日点，结合几何关系即可求出。本题运用开普勒定律，利用比例关系求解哈雷彗星到太阳的距离。而不是用万有引力提供向心力来解答，那样就麻烦的多。2（6分）（2019湖南长郡中学等四校5月模拟）如图所示，地球绕太阳的运动与月亮绕地球的运动可简化成同一平面内的匀速圆周运动，农历初一前后太阳与月亮对地球的合力约为F1，农历十五前后太阳与月亮对地球的合力约为F2，则农历初八前后太阳与月亮对地球的合力表达式正确的是（）AF1+F2BCD【参考答案】D【命题意图】本题以地球绕太阳的运动与月亮绕地球的运动为情景，考查力的合成及其相关知识点。【解题思路】农历初一前后太阳与月亮对地球的合力约为：F1F日+F月，农历十五前后太阳与月亮对地球的合力约为：F2F日F月，则农历初八前后太阳与月亮对地球的合力为：F，三式联立解得：F。所以选项ABC错误、D正确。3. （2019河南示范性高中联考）已知月球绕地球做匀速圆周运动的向心加速度大小为a1，地球绕太阳做匀速圆周运动的向心加速度大小为a2，月球表面的重力加速度大小为g1，地球表面的重力加速度大小为g2，地球的半径为R，引力常量为G，则下列判断正确的是（ ）A. 月球的半径为 B. 地球的质量为C. 月球绕地球做圆周运动的轨道半径为 D. 地球绕太阳做圆周运动的轨道半径为【参考答案】C【名师解析】研究月球绕地球做匀速圆周运动，根据万有引力提供向心力解决问题地球表面的物体的重力等于万有引力.由题目的条件无法求解月球的半径和地球绕太阳做圆周运动的轨道半径，则选项AD错误；根据可得，选项B错误；月球绕地球运转：，联立解得，选项C正确；故选C.4. （2019全国考试大纲调研卷3）如图，海王星绕太阳沿椭圆轨道运动，P为近日点，Q为远日点，M、N为轨道短轴的两个端点，运行的周期为T0，若只考虑海王星和太阳之间的相互作用，则海王星在从P经过M、Q到N的运动过程中()A从P到M所用的时间等于 B从Q到N阶段，机械能逐渐变大 C从P到Q阶段，速率逐渐变小 D从M到N阶段，万有引力对它先做负功后做正功【参考答案】CD【名师解析】由行星运动的对称性可知，从P经M到Q点的时间为T0，根据开普勒第二定律可知，从P到M运动的速率大于从M到Q运动的速率，可知从P到M所用的时间小于T0，选项A错误；海王星在运动过程中只受太阳的引力作用，故机械能守恒，选项B错误；根据开普勒第二定律可知，从P到Q阶段，速率逐渐变小，选项C正确；海王星受到的万有引力指向太阳，从M到N阶段，万有引力对它先做负功后做正功，选项D正确5. （2016海南）通过观察冥王星的卫星，可以推算出冥王星的质量。假设卫星绕冥王星做匀速圆周运动，除了引力常量外，至少还需要两个物理量才能计算出冥王星的质量。这两个物理量可以是（ ）A.卫星的速度和角速度 B.卫星的质量和轨道半径C.卫星的质量和角速度 D.卫星的运行周期和轨道半径【参考答案】.AD【名师解析】卫星绕冥王星做匀速圆周运动，万有引力提供向心力，由G=m，G=mr2，联立消去r，可得冥王星的质量M=，选项A正确。由G=mr()2，解得M=，选项D正确。测出卫星的质量和轨道半径或测出卫星的质量和角速度，不能计算出冥王星的质量，选项BC错误。考点二：双星三星运动【3年真题链接】1.（2018高考全国理综I）2017年，人类第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波。根据科学家们复原的过程，在两颗中子星合并前约100 s时，它们相距约400 km，绕二者连线上的某点每秒转动12圈，将两颗中子星都看作是质量均匀分布的球体，由这些数据、万有引力常量并利用牛顿力学知识，可以估算出这一时刻两颗中子星（ ）A质量之积 B质量之和 C速率之和 D各自的自转角速度【参考答案】BC【命题意图】本题考查天体运动、万有引力定律、牛顿运动定律及其相关的知识点。【解题思路】双中子星做匀速圆周运动的频率f=12Hz（周期T=1/12s），由万有引力等于向心力，可得，G=m1r1（2f）2，G=m2r2（2f）2，r1+ r2=r=40km，联立解得：（m1+m2）=（2f）2Gr3，选项B正确A错误；由v1=r1=2f r1，v2=r2=2f r2，联立解得：v1+ v2=2f r，选项C正确；不能得出各自自转的角速度，选项D错误。2（2015安徽理综）由三颗星体构成的系统，忽略其它星体对它们的作用，存在着一种运动形式：三颗星体在相互之间的万有引力作用下，分别位于等边三角形的三个顶点上，绕某一共同的圆心O在三角形所在的平面内做相同角速度的圆周运动（图示为A、B、C三颗星体质量不相同时的一般情况）。若A星体质量为2m，B、C两星体的质量均为m，三角形的边长为a，求：OACBRARBRC（1）A星体所受合力大小FA；（2）B星体所受合力大小FB；（3）C星体的轨道半径RC；（4）三星体做圆周运动的周期T。【名师解析】（1）由万有引力定律，A星体所受B、C星体的引力大小为：FBA=G = G= FCA。方向如图。则合力的大小为：FA=2FBA cos30=2 G。（2）同上，B星体所受A、C星体的引力大小分别为：FAB=G = G， FCB= G = G。方向如图。FBx= FAB cos60+FCB=2 G。FBy= FAB sin60=G。则合力的大小为：FB= = G。（3）通过分析可知，圆心O在中垂线AD的中点，RC= =a。（4）三星体运动周期相同，对C星体，由FC= FB= G=mRC 解得：T= 。【2年模拟再现】1.（2019安徽滁州期末）2017年10月16日，美国激光干涉引力波天文台等机构联合宣布首次发现双中子星并合引力波事件。如图为某双星系统A、B绕其连线上的O点做匀速圆周运动的示意图，若A星的轨道半径大于B星的轨道半径，双星的总质量M，双星间的距离为L，其运动周期为T，则（ ）A. A的质量一定大于B的质量 B. A的线速度一定大于B的线速度C. L一定，M越大，T越大 D. M一定，L越大，T越大【参考答案】BD【名师解析】双星系统中两颗恒星间距不变，是同轴转动，角速度相等，根据，因为rBvB，故B正确；A、双星靠相互间的万有引力提供向心力，所以向心力相等，故：，因为rBmA，即B的质量一定大于A的质量，故A错误；CD、根据牛顿第二定律，有：GmAmBL2=mArA(2蟺T)2，GmAmBL2=mBrB(2蟺T)2，其中：rA+rB=L，联立解得：，故L一定，M越大，T小，故C错误；M一定，L越大，T越大，故D正确；故选：BD。【方法归纳】双星靠相互间的万有引力提供向心力，具有相同的角速度，根据牛顿第二定律列式得到周期表达式进行分析。解决本题的关键知道双星靠相互间的万有引力提供向心力，具有相同的角速度。以及会用万有引力提供向心力进行求解。2(2019吉林长春一模)如图所示，某双星系统的两星A和B各自绕其连线上的O点做匀速圆周运动，已知A星和B星的质量分别为m1和m2，相距为d.下列说法正确的是()AA星的轨道半径为d BA星和B星的线速度之比为m1：m2C若在O点放一个质点，它受到的合力一定为零D若A星所受B星的引力可等效为位于O点处质量为m的星体对它的引力，则m【参考答案】D【名师解析】双星的角速度相等，是靠它们之间的万有引力来提供向心力，Gm12r1m22r2，且r1r2d，联立解得r1，r2，故A错误；根据vr，可得，故B错误；若在O点放一个质点，此质点受到的两颗星对它的作用力大小不等，则受到的合力不为零，故C错误；若A星所受B星的引力可等效为位于O点处质量为m的星体对它的引力，则GG，得m，故D正确预测考点一：天体的运动【2年模拟再现】1. （2019南昌模拟）下表是一些有关火星和地球的数据，利用万有引力常量G和表中选择的一些信息可以完成的估算是（ ）A.选择可以估算地球质量 B选择可以估算太阳的密度 C.选择可以估算火星公转的线速度 D选择可以估算太阳对地球的吸引力【参考答案】AC【命题意图】本题以表格给出有关火星和地球的数据，考查信息筛选能力、对万有引力定律、匀速圆周运动、开普勒定律的理解和运用能力。【解题思路】由G=mg，解得地球质量M=，所以选择可以估算地球质量，选项A正确；G=mr（）2，解得M=，所以选择可以估算太阳的质量，由于不知太阳半径（太阳体积），因而不能估算太阳的密度，选项B错误；根据开普勒定律，选择可以估算火星公转轨道半径r，火星公转的线速度v=r= r（），选项C正确；选择可以估算地球围绕太阳运动的加速度，由于不知地球质量，不能估算太阳对地球的吸引力，选项D错误。【方法归纳】估算地球质量的方法有二：一是利用G=mg，解得地球质量M=，即测出地球表面的重力加速度和地球半径，可估算出地球质量；二是由G=mr（）2，解得M=，即测出围绕地球做匀速圆周运动的卫星运动周期T和轨道半径r，可估算出地球质量。若卫星的轨道半径r等于地球半径R，即卫星围绕地球表面做匀速圆周运动，由G=mR（）2，解得M=，由V=R3，密度=M/V=，即测出卫星围绕地球表面做匀速圆周运动的周期T，可估算出地球密度。2(2018南昌一模)火星被认为是太阳系中最有可能存在地外生命的行星，对人类来说充满着神秘。为了更进一步探究火星，发射一颗火星的同步卫星，已知火星的质量为地球质量的p倍，火星自转周期与地球自转周期相同，均为T，地球表面的重力加速度为g，地球的半径为R，则火星的同步卫星与火星中心的距离为()A. B. C. D. 【参考答案】C【名师解析】设地球质量为M，在地面附近万有引力等于重力，由Gmg得M。根据题述，火星的质量为地球质量的p倍，故火星的质量为M火pM。设火星的同步卫星与火星中心的距离为r，火星的同步卫星绕火星运行，由Gmr2，联立解得r，选项C正确。3.(2018广东第二次大联考)已知一质量为m的物体分别静止在北极与赤道时对地面的压力差为N，假设地球是质量分布均匀的球体，半径为R。则地球的自转周期为()AT2 BT2 CT2 DT2 【参考答案】A【名师解析】在北极，物体所受的万有引力与支持力大小相等，在赤道处，物体所受的万有引力与支持力的差值提供其随地球自转的向心力，由题意可得N mR2，解得T2 ，A正确。4（2018福建质检）位于贵州的“中国天眼”是目前世界上口径最大的单天线射电望远镜（FAST）。通过FAST测得水星与太阳的视角为（水星、太阳分别与观察者的连线所夹的角），如图所示。若最大视角的正弦值为k，地球和水星绕太阳的运动视为匀速圆周运动，则水星的公转周期为（ ）A 年 B 年 C 年 D 年 【参考答案】C【考查内容】本题以利用“中国天眼”观察水星为载体，主要考查万有引力定律及其应用。侧重考查推理能力，要求考生理解视角的定义，运用天体运动规律结合三角函数推理解决实际问题。体现运动观念、科学推理、STSE等物理核心素养的考查，彰显中国正能量，渗透爱国主义教育，增强民族自豪感。【名师解析】本题应先理解最大视角的定义，即此时观察者与水星的连线应与水星轨迹相切，由三角函数可得sin= ，结合题中已知条件sin=k，由万有引力提供向心力G= ，联立可以解得C正确；也可结合开普勒第三定理求解。若在运算过程中出错，可能错选A或B，若把最大视角错认为水星与太阳的连线垂直于观察者与太阳的连线时的视角，会错选D。本题的解题关键是正确理解最大视角的定义，运用天体运动规律结合三角函数进行推理。【1年仿真原创】1.太阳系各行星几乎在同一平面内沿同一方向绕太阳做圆周运动。当地球恰好运行到某地外行星和太阳之间，且三者几乎排成一条直线的现象，天文学称为“行星冲日”。据报道，2014年各行星冲日时间分别是：1月6日木星冲日；4月9日火星冲日；5月11日土星冲日；8月29日海王星冲日；10月8日天王星冲日。已知地球及各地外行星绕太阳运动的轨道半径如下表所示。则下列判断正确的是()地球火星木星土星天王星海王星轨道半径(AU)1.01.55.29.51930A.各地外行星每年都会出现冲日现象 B.在2015年内一定会出现木星冲日C.天王星相邻两次冲日的时间间隔为土星的一半 D.地外行星中，海王星相邻两次冲日的时间间隔最短【参考答案】BD【名师解析】设地球的运转周期为T0、角速度为0、轨道半径为r0，则其他行星的轨道半径为rkr0根据万有引力定律及牛顿第二定律得：mr0m2r联立得：0。各行星要再次冲日需满足：0tt2，即tT0，其中k1.5、5.2、9.5、19、30。根据上式结合k值并由数学知识可知：行星冲日的时间间隔一定大于1年，并且k值越大时间间隔越短，所以选项B、D正确，A、C错误。2.火星（如图所示）是太阳系中与地球最为类似的行星，人类对火星生命的研究在今年因“火星表面存在流动的液态水”的发现而取得了重要进展。若火星可视为均匀球体，火星表面的重力加速度为g火星半径为R，火星自转周期为T，万有引力常量为G。求：(1)火星的平均密度。(2)火星的同步卫星距火星表面的高度h。【名师解析】 (15分)(1)在火星表面，对质量为m的物体有mg=G又M=V=联立两式解得=(2)同步卫星的周期等于火星的自转周期T万有引力提供向心力，有G=m(R+h)联立两式解得:h=-R预测考点二：双星三星系统（考向点拨）【2年模拟再现】1. （2019贵州等四省名校大联考）在宇宙中，单独存在的恒星占少数，更多的是双星、三星甚至多星系统。如图所示为一个简化的直线三星系统模型：三个星球的质量均为m，a、b两个星球绕处于二者中心的星球c做半径为r的匀速圆周运动。已知引力常量为G，忽略其他星体对他们的引力作用，则下列说法正确的是（）A星球a做匀速圆周运动的加速度大小为B. 星球a做匀速圆周运动的线速度大小为C. 星球b做匀速圆周运动的周期为4D. 若因某种原因中心星球c的质量缓慢减小，则星球a、b的线速度均将缓慢增大【参考答案】C【名师解析】对星球a，由牛顿第二定律，ma=G+G解得a=，选项A错误；对星球a，由G+G=m，解得v=，选项B错误；对星球b，由G+G=mr，解得T=4，选项C正确；若因某种原因中心星球c的质量缓慢减小，则星球a，b做离心运动，线速度均将缓慢减小，选项D错误。【关键点拨】明确研究对象，对研究对象受力分析，找到做圆周运动所需向心力的来源，根据牛顿第二定律列式分析即可。万有引力定律和牛顿第二定律是力学的重点，在本题中有些同学找不出什么力提供向心力，关键在于进行正确受力分析。2.（2018广东湛江质检）.三颗相同的质量都是M的星球位于边长为L的等边三角形的三个顶点上。如果它们中的每一颗都在相互的引力作用下沿外接于等边三角形的圆轨道运行而保持等边三角形不变，下列说法正确的是A其中一个星球受到另外两个星球的万有引力的合力大小为B其中一个星球受到另外两个星球的万有引力的合力指向圆心O C它们运行的轨道半径为LD它们运行的速度大小为【参考答案】B 【名师解析】根据万有引力定律，任意两颗星球之间的万有引力为F1=G，方向沿着它们的连线。其中一个星球受到另外两个星球的万有引力的合力为F=2 F1cos30=G，方向指向圆心，选项A错误B正确；由r cos30=L/2，解得它们运行的轨道半径r=L，选项C错误；由G=M可得v= ，选项D错误。3(2019苏北五校联考)某同学学习了天体运动的知识后，假想宇宙中存在着由四颗星组成的孤立星系如图所示，一颗母星处在正三角形的中心，三角形的顶点各有一颗质量相等的小星围绕母星做圆周运动如果两颗小星间的万有引力为F，母星与任意一颗小星间的万有引力为9F.则()A每颗小星受到的万有引力为(9)F B每颗小星受到的万有引力为FC母星的质量是每颗小星质量的2倍 D母星的质量是每颗小星质量的3 倍【参考答案】A【名师解析】每颗小星受到的万有引力的合力为9F2Fcos 30(9)F，选项A正确B错误由FG和9FG得：3(倍)，选项CD错误【1年仿真原创】1双星系统由两颗恒星组成，两恒星在相互引力的作用下，分别围绕其连线上的某一点做周期相同的匀速圆周运动。研究发现，双星系统演化过程中，两星的总质量、距离和周期均可能发生变化。若某双星系统中两星做圆周运动的周期为T,，经过一段时间演化后，两星总质量变为原来的k倍，两星之间的距离变为原来的n倍，则此时圆周运动的周期为（ ）AT BT C T D T 【参考答案】B【名师解析】设两恒星中一个恒星的质量原来为m，围绕其连线上的某一点做匀速圆周运动的半径为r，两星总质量为M，两星之间的距离为R，圆周运动的周期为T，由G=mr，G=(M-m)(R-r)，联立解得：T=2.经过一段时间演化后，两星总质量变为原来的k倍，即为kM，两恒星中一个恒星的质量变为m，