2025年高考试题7.3有引力理论的成就（原卷版）

高中物理一轮复习页题型一.环绕法求解万有引力问题典型例题典例1已知地球表面重力加速度为g，地球半径为R，在地面附近，物体受到地球的万有引力近似等于物体在地面上的重力，又知月球绕地球运动的周期为T，万有引力常量为G，则（1）地球的质量为多少？（2）地月之间的距离约为多少？典例2高空遥感探测卫星在距地球表面高为R处绕地球做圆周运动，已知该卫星的质量为m，地球半径为R，地球表面重力加速度大小为g，万有引力常量为G。求：（1）这颗卫星运行的运行速度大小v；（2）这颗卫星绕地球做圆周运动的周期T；典例3“嫦娥四号”探测器于2019年1月在月球背面成功着陆，着陆前曾绕月球飞行，某段时间可认为绕月做匀速圆周运动，圆周半径为月球半径的K倍。已知地球半径R是月球半径的P倍，地球质量是月球质量的Q倍，地球表面重力加速度大小为g。则“嫦娥四号”绕月球做圆周运动的速率为（）A.RKgQP B.RPKgQ C.RQg巩固提升巩固12020年7月23日，中国首个火星探测器“天问一号”从海南文航天发射场升空，2021年春节前后进入环火轨道，将依次完成“绕、着、巡”三大任务。若“天问一号”进行“火星环绕”时的某阶段可视为匀速圆周运动，其轨道半径与地球同步卫星的轨道半径相等，已知火星质量是地球质量的1/9，则该阶段“天问一号”的绕行周期为（）A．72h B．27h C．24h D．8h巩固22020年7月23日12时41分，火星探测器“天问一号”成功发射，标志着我国已经开启了探索火星之旅。“天问一号”首先进入圆轨道环绕火星做匀速圆周运动，然后调整姿态悬停在火星上空，再向下加速、减速，“天问一号”着陆火星表面并执行任务。已知地球与火星的质量比为a，地球与火星的半径比为b。则下列说法正确的是（）A．地球与火星表面的重力加速度比值为 B．地球与火星的近地卫星周期的比值为 C．地球与火星的第一宇宙速度的比值为 D．“天问一号”在环绕火星运动、悬停、向下加速以及减速的过程中，处于失重状态巩固3木星有4颗卫星是伽利略发现的，称为伽利略卫星。已知木卫二的质量m、绕木星做匀速圆周运动的轨道半径r，木星的质量M、半径R、自转周期T，万有引力常量G。根据万有引力的知识计算木卫二绕木星运动的周期T′，下列表达式中正确的是（）A．T′＝2π B．T′＝T C．T′＝2π D．T′＝2π拓展拔高拓展1设想在赤道上建造如图甲垂直于水平面的“太空电梯”，宇航员通过电梯直通太空站。图乙中r为宇航员到地心的距离，R为地球半径，曲线A为地球引力对宇航员产生的加速度大小与r的关系；直线B为宇航员由于地球自转而产生的向心加速度大小与r的关系，关于相对地面静止在不同高度的宇航员，下列说法正确的有（）A．随着r增大，宇航员的线速度也增大B．宇航员在r=R处的线速度等于第一宇宙速度C．图中r0为地球同步卫星的轨道半径D．随着r增大，宇航员感受到“重力”也增大拓展2如图所示，A、B两卫星绕地球做匀速圆周运动，它们的轨道在同一平面内且绕行方向相同。若A离地面的高度为h，运行周期为T，根据观测记录可知，A观测B的最大张角θ=60°。设地球的半径为R，则下列说法中不正确的是（）A．卫星B的运行轨道半径为R+B．卫星A与B的加速度之比为1：4C．卫星A与B运行的周期之比为2D．若某时刻卫星A和B相距最近，则再经过时间T，它们又相距最近拓展32020年7月23日，中国“天问一号”探测器发射升空，开启了火星探测之旅。已知火星的直径约为地球的一半，质量约为地球的，自转轴倾角、自转周期与地球很接近，但公转周期是地球的两倍。由以上信息判断下列说法正确的是（）A．火星的表面重力加速度约为地球的0.8倍B．火星的第一宇宙速度约为3.7km/s C．火星公转轨道的半长轴约为地球的2倍 D．火星的同步卫星轨道半径约为地球的题型二.借助外援法求质量与密度经典例题典例12021年2月10日19时52分，我国首次火星探测任务“天问一号”探测器实施近火捕获制动，成功实现环绕火星运动，成为我国第一颗人造火星卫星。我国航天局发布了由“天问一号”拍摄的首张火星图像（如图）。在“天问一号”环绕火星做匀速圆周运动时，周期为T，轨道半径为r，已知火星的半径为R，引力常量为G，不考虑火星的自转。下列说法正确的是（）A．火星的质量M＝ B．火星的质量M＝ C．火星表面的重力加速度的大小g＝ D.火星表面的重力加速度的大小g＝典例2假设在半径为R的某天体上发射一颗该天体的卫星，已知引力常量为G，忽略该天体自转．(1)若卫星距该天体表面的高度为h，测得卫星在该处做圆周运动的周期为T1，则该天体的密度是多少？(2)若卫星贴近该天体的表面做匀速圆周运动的周期为T2，则该天体的密度是多少？典例3(多选)假设公元2100年，航天员准备登陆木星，为了更准确了解木星的一些信息，到木星之前做一些科学实验，当到达与木星表面相对静止时，航天员对木星表面发射一束激光，经过时间t，收到激光传回的信号，又测得相邻两次看到日出的时间间隔是T，测得航天员所在航天器的速度为v，已知引力常量G，激光的速度为c，则()A．木星的质量M＝eq\f(v3T,2πG)B．木星的质量M＝eq\f(π2c3t3,2GT2)C．木星的质量M＝eq\f(4π2c3t3,GT2)D．根据题目所给条件，可以求出木星的密度巩固提升巩固1“嫦娥二号”是我国月球探测第二期工程的先导星。若测得“嫦娥二号”在月球(可视为密度均匀的球体)表面附近圆形轨道运行的周期为T，已知引力常量为G，则可估算月球的eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(半径为R的球体体积公式V＝\f(4,3)πR3))()A．密度B．质量C．半径D．自转周期巩固2德国天文学家们曾于2008年证实，位于银河系中心，与地球相距2.6万光年的“人马座A”其实是一个质量超大的黑洞．假设银河系中心仅此一个黑洞，太阳系绕该黑洞中心做匀速圆周运动，则根据下列哪组数据可以估算出该黑洞的质量(引力常量已知)()A．太阳系的质量和太阳系绕该黑洞公转的周期B．太阳系的质量和太阳系到该黑洞的距离C．太阳系的运行速度和该黑洞的半径D．太阳系绕该黑洞的公转周期和公转半径巩固32020年7月23日，我国在海南文昌发射中心成功发射了“天问一号”火星探测器。假设“天问一号”绕火星做匀速圆周运动，除了引力常量G外，至少还需要两个物理量才能计算出火星的质量，这两个物理量可以是（）A．“天问一号”的质量和轨道半径 B．“天问一号”的运行周期和轨道半径 C．“天问一号”的质量和角速度 D．“天问一号”的质量和线速度拓展拔高拓展1观察“神舟十号”在圆轨道上的运动，发现其每经过时间2t通过的弧长为l，该弧长对应的圆心角为θ(弧度)，如图所示，已知引力常量为G，由此可推导出地球的质量为()A.eq\f(l3,4Gθt2)B.eq\f(2l3θ,Gt2)C.eq\f(l,4Gθt2)D.eq\f(2l2,Gθt2)拓展2(多选)被誉为嫦娥5号“探路尖兵”的载人返回飞行试验返回器在内蒙古四子王旗预定区域顺利着陆，标志着我国已全面突破和掌握航天器以接近第二宇宙速度的高速载人返回关键技术，为嫦娥5号任务顺利实施和探月工程持续推进奠定了坚实基础。已知人造航天器在月球表面上空绕月球做匀速圆周运动，经过时间t(t小于航天器的绕行周期)，航天器运动的弧长为s，航天器与月球的中心连线扫过的角度为θ，引力常量为G，则()A．航天器的轨道半径为eq\f(θ,s) B．航天器的环绕周期为eq\f(2πt,θ)C．月球的质量为eq\f(s3,Gt2θ) D．月球的密度为eq\f(3θ2,4πGt2)拓展3假设宇宙中有两颗相距无限远的行星A和B，自身球体半径分别为RA和RB。两颗行星各自周围的卫星的轨道半径的三次方（r3）与运行公转周期的平方（T2）的关系如图所示，T0为卫星环绕各自行星表面运行的周期。则（）A．行星A的质量小于行星B的质量 B．行星A的密度小于行星B的密度 C．行星A的第一宇宙速度大于行星B的第一宇宙速度 D．当两行星周围的卫星的运动轨道半径相同时，行星A的卫星的向心加速度小于行星B的卫星的向心加速度题型三.自力更生法求质量与密度经典例题典例1地球表面的重力加速度为g，地球半径为R，引力常量为G，可估算地球的平均密度为()A.eq\f(3g,4πRG) B.eq\f(3g,4πR2G)C.eq\f(g,RG) D.eq\f(g,RG2)典例22018年7月25日消息称，科学家们在火星上发现了第一个液态水湖，这表明火星上很可能存在生命．美国的“洞察”号火星探测器曾在2018年11月降落到火星表面．假设该探测器在着陆火星前贴近火星表面运行一周用时为T，已知火星的半径为R1，地球的半径为R2，地球的质量为M，地球表面的重力加速度为g，引力常量为G，则火星的质量为()A.eq\f(4π2R\o\al(13)M,gR\o\al(22)T2)B.eq\f(gR\o\al(22)T2M,4π2R\o\al(13))C.eq\f(gR\o\al(12),G) D.eq\f(gR\o\al(22),G)典例3有一星球的密度跟地球密度相同，但它表面处的重力加速度是地球表面处重力加速度的4倍，则该星球的质量是地球质量的(忽略其自转影响)()A．eq\f(1,4)B．4倍C．16倍 D．64倍巩固提升巩固1天文学家新发现了太阳系外的一颗行星，这颗行星的体积是地球的4.7倍，质量是地球的25倍。已知某一近地卫星绕地球运动的周期约为1.4小时，引力常量G＝6.67×10－11N·m2/kg2，由此估算该行星的平均密度为()A．1.8×103kg/m3 B．5.6×103kg/m3C．1.1×104kg/m3 D．2.9×104kg/m3巩固2(多选)若宇航员在月球表面附近自高h处以初速度v0水平抛出一个小球，测出小球的水平射程为L。已知月球半径为R，万有引力常量为G。则下列说法正确的是()A．月球表面的重力加速度g月＝eq\f(2hv\o\al(2,0),L2)B．月球的质量m月＝eq\f(2hR2v\o\al(2,0),GL2)C．月球的自转周期T＝eq\f(2πR,v0)D．月球的平均密度ρ＝eq\f(3hv\o\al(2,0),2πGL2)拓展拔高拓展1宇航员在地球表面以一定初速度竖直上抛一小球，经过时间t小球落回原处；若他在某星球表面以相同的初速度竖直上抛同一小球，需经过时间5t小球落回原处．(取地球表面重力加速度g＝10m/s2，空气阻力不计)(1)求该星球表面附近的重力加速度g′；(2)已知该星球的半径与地球半径之比为R星:R地＝1:4，求该星球的质量与地球质量之比M星拓展2宇航员站在星球表面上的某高处，沿水平方向抛出一小球。经过时间t，小球落回到星球表面，测得抛出点与落地点之间的距离为L。若抛出时的初速度增大到2倍，则抛出点与落地点之间的距离为3L。已知两落地点在同一水平面上，该星球的半径为R，万有引力常量为G。求该星球的质量M拓展3在星球P和星球Q的表面，以相同的初速度v0竖直上抛一小球，小球在空中运动时的v﹣t图像分别如图所示。假设两星球均为质量均匀分布的球体，星球P的半径是星球Q半径的3倍，下列说法正确的是（）A．星球P和星球Q的质量之比为3：1 B．星球P和星球Q的密度之比为1：1 C．星球P和星球Q的第一宇宙速度之比为3：1 D．星球P和星球Q的近地卫星周期之比为1：3题型四.赤道上的失重问题（地球自转影响）经典例题典例1设地球自转周期为T，质量为M，引力常量为G。假设地球可视为质量均匀分布的球体，半径为R。同一物体在南极和赤道水平面上静止时所受到的支持力之比为()A．eq\f(GMT2,GMT2－4π2R3) B．eq\f(GMT2,GMT2＋4π2R3)C．eq\f(GMT2－4π2R3,GMT2) D．eq\f(GMT2＋4π2R3,GMT2)典例2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ΔN,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 ()A.T=2π B.T=2πC.T=2π D.T=2π典例3假设地球可视为质量均匀分布的球体。已知地球表面重力加速度在两极的大小为g0，在赤道上的大小为g；地球自转周期为T，引力常量为G。地球的密度（A．3πGT2g0-gg0B．巩固提升巩固12018年2月，我国500m口径射电望远镜(天眼)发现毫秒脉冲星“J0318＋0253”，其自转周期T＝5.19ms。假设星体为质量均匀分布的球体，已知万有引力常量为6.67×10－11N·m2/kg2。以周期T稳定自转的星体的密度最小值约为()A．5×109kg/m3B．5×1012kg/m3C．5×1015kg/m3D．5×1018kg/m3巩固2(多选)由于地球自转的影响,地球表面的重力加速度会随纬度的变化而有所不同。已知地球表面两极处的重力加速度大小为g0,在赤道处的重力加速度大小为g,地球自转的周期为T,引力常量为G。假设地球可视为质量均匀分布的球体。下列说法正确的是()A.质量为m的物体在地球北极受到的重力大小为mgB.质量为m的物体在地球赤道上受到的万有引力大小为mg0C.地球的半径为D.地球的密度为巩固3如图所示，如果把地球表面看成一座巨大的拱形桥，若汽车速度足够大就可以飞离地面而成为人造地球卫星。已知地球自转周期为T，赤道上的重力加速度为g赤，万有引力常量为G，地球的半径为R。则下列说法正确的是（）A．汽车相对地心的速度至少应为2πB．地球的质量为gC．地球两极处的重力加速度为2D．为了使汽车更容易飞离地面，汽车应该在低纬度地区自东向西加速运动拓展拔高拓展1某星球“一天”的时间是T＝6h，用弹簧测力计在星球的“赤道”上比在“两极”处测同一物体的重力时读数小10%，设想该星球自转的角速度加快，使赤道上的物体会自动飘起来，这时星球的“一天”是多少小时?题型五.双星系统经典例题典例1(多选)有一对相互环绕旋转的超大质量双黑洞系统，如图7所示．若图中双黑洞的质量分别为M1和M2，它们以两者连线上的某一点为圆心做匀速圆周运动．根据所学知识，下列说法中正确的是()A．双黑洞的角速度之比ω1∶ω2＝M2∶M1B．双黑洞的轨道半径之比r1∶r2＝M2∶M1C．双黑洞的线速度大小之比v1∶v2＝M1∶M2D．双黑洞的向心加速度大小之比a1∶a2＝M2∶M1典例2.两个星球组成双星，它们在相互之间的万有引力作用下，绕连线上某点做周期相同的匀速圆周运动。现测得两星中心相距R，其运动周期为T，求两星的总质量。典例3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()A．A星的轨道半径为eq\f(m1,m1＋m2)dB．A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′＝eq\f(meq\o\al(3,2),（m1＋m2）2)巩固提升巩固1双星系统由两颗恒星组成，两恒星在相互引力作用下，分别围绕其连线上某一点做周期相同的匀速圆周运动。某双星质量分别为m1、m2，做圆周运动的轨道半径分别为R1、R2，周期为T，则下列正确的是（）A．两星向心加速度大小一定相等 B．两星质量之比为＝ C．两星质量之比为＝ D．两星质量之和为m1+m2＝巩固2(多选)天文学家通过观测两个黑洞并合的事件，间接验证了引力波的存在。该事件中甲、乙两个黑洞的质量分别为太阳质量的36倍和29倍，假设这两个黑洞绕它们连线上的某点做圆周运动，且两个黑洞的间距缓慢减小。若该双星系统在运动过程中，各自质量不变且不受其他星系的影响，则关于这两个黑洞的运动，下列说法正确的是（）A．甲、乙两个黑洞运行的线速度大小之比为36∶29B．甲、乙两个黑洞运行的角速度大小始终相等C．随着甲、乙两个黑洞的间距缓慢减小，它们运行的周期也在减小D．甲、乙两个黑洞做圆周运动的向心加速度大小始终相等巩固32020年诺贝尔物理学奖授予黑洞研究。黑洞是宇宙空间内存在的一种密度极大而体积较小的天体，黑洞的引力很大，连光都无法逃逸。在两个黑洞合并过程中，由于彼此间的强大引力作用，会形成短时间的双星系统。如图所示，黑洞A、B可视为质点，不考虑其他天体的影响，两者围绕连线上O点做匀速圆周运动，O点离黑洞B更近，黑洞A质量为m1，黑洞B质量为m2，AB间距离为L。下列说法正确的是（）A．黑洞A与B绕行的向心加速度大小相等 B．黑洞A的质量m1大于黑洞B的质量m2 C．若两黑洞质量保持不变，在两黑洞间距L减小后，两黑洞的绕行周期变小 D．若两黑洞质量保持不变，在两黑洞间距L减小后，两黑洞的向心加速度变小拓展拔高拓展1以两天体A、B中心连线为底的等边三角形的第三个顶点被称为“三角拉格朗日点”。如果在该点有一颗质量远小于A、B的卫星C，则三者可以组成一个稳定的三星系统，如图所示。由于C对A、B的影响很小，故A、B又可视作双星系统绕连线上某定点P（未画出）做匀速圆周运动。已知天体A、B、C的质量分布均匀，且分别为m1、m2、m3，已知m1＝2m2，两天体A、B中心间距为L，万有引力常量为G，则下列说法正确的是（）A．天体A做匀速圆周运动的轨道半径为 B．天体A、B需要向心力大小之比为2：1 C．卫星C所受合力恰好指向P点 D．卫星C的周期为2π拓展2(多选)为简单计，把地-月系统看成地球静止不动而月球绕地球做匀速圆周运动，如图所示，虚线为月球轨道。在地月连线上存在一些所谓“拉格朗日点”的特殊点。在这些点，质量极小的物体（如人造卫星）仅在地球和月球引力共同作用下可以始终和地球、月球在同一条线上。图中四个点可能是“拉格朗日点”的是（）A．A点 B．B点 C．C点 D．D点拓展3在新中国成立70周年之际，航天国乐为“一带一路”倡议起点而创作的《2013阿斯塔纳》等12首乐曲“探访”嫦娥四号“鹊桥”中继星，音乐余韵在40万公里的月球深空飘扬，为鹊桥“中继星”送去祝福。如图所示，“鹊桥”中继星处于地月拉格朗日点L2上时，会和月球、地球两个大天体保持相对静止的状态。设地球的质量为M，“鹊桥”中继星的质量为m，地月间距为L，拉格朗日L2点与月球间距为d，地球、月球和“鹊桥”中继星均可视为质点，忽略太阳对”鹊桥”中继星的引力，忽略“鹊桥”中继星对月球的影响。则“鹊桥”中继星处于L2点上时，下列选项正确的是（）A．地球对月球的引力和“鹊桥”中继星对月球的引力之比为1：1B．“鹊桥”中继星与月球的线速度之比为LC．“鹊桥”中继星与月球的向心加速度之比L:(L+d)D．月球与地球质量之比为(L+d)题型六.多星系统经典例题典例1（多选）图示是由质量相等的三颗星组成的三星系统，其他星体对它们的引力作用可忽略。设每颗星体的质量均为m，三颗星分别位于边长为r的等边三角形的三个顶点上，它们绕某一共同的圆心O在三角形所在的平面内以相同的角速度做匀速圆周运动。已知引力常量为G，下列说法正确的是（）A．每颗星体受到的向心力大小为Gm2rC．每颗星体运行的周期均为2πr33Gm典例2宇宙空间存在一些离其他恒星较远的三星系统，其中有一种三星系统如图所示，三颗质量均为m的星体位于等边三角形的三个顶点，三角形边长为L。忽略其他星体对它们的引力作用，三星在同一平面内绕三角形中心O做匀速圆周运动，引力常量为G。下列说法正确的是（）A．每颗星做圆周运动的线速度为3GmB．每颗星做圆周运动的加速度与三星的质量无关C．若距离L和每颗星的质量m都变为原来的2倍，则周期变为原来的2倍D．若距离L和每颗星的质量m都变为原来的2倍，则线速度变为原来的2倍巩固提升巩固1宇宙中存在着上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个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12F。则（）A．每颗小星受到的万有引力为（+12）FB．每颗小星受到的万有引力（+12）F C．母星的质量是每颗小星质量的4倍 D．母星的质量是每颗小星质量的9倍巩固2宇宙中存在一些质量相等且离其他恒星较远的四颗星组成的四星系统，通常可忽略其他星体对它们的引力作用，如图所示，设四星系统中每个星体的质量均为m，半径均为R，四颗星稳定分布在边长为L的正方形的四个顶点上、已知引力常量为G，关于四星系统，下列说法正确的是（）A．四颗星的向心加速度的大小均为2B．四颗星运行的线速度大小均为1C．四颗星运行角速度大小均为1D．四颗星运行的周期均为2拓展拔高拓展1太空中存在一些离其他恒星较远的、由质重相等的三颗星组成的三星系统，通常可忽略其他星体对它们的引力作用。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，两颗星围绕中央星在同一半径为R的圆轨道上运行：另一种形式是三颗星位于边长为L的等边三角形的三个顶点上，并沿外接于等边三角形的圆形轨道运行。设这三个星体的质量均为M，并设两种系统的运动周期相同，引力常量为G，则（）A．直线三星系统中甲星和丙星线速度相同B．直线三星系统的运动周期为T=4C．三角形三星系统中星体的间距为L=D．三角形三星系统线速度大小为v=拓展2(多选)宇宙中存在一些离其他恒星较远的四颗星组成的系统，通常可忽略其他星体对它们的引力作用。天眼在观察中发现三颗质量均为m的星球A、B、C恰构成一个边长为L的正三角形，在它们的中心O处还有一颗质量为3m的星球，如图所示。已知引力常量为G，四个星球的密度相同，每个星球的半径均远小于L。对于此系统，若忽略星球自转，则下列说法正确的是（）A．A、B、C三颗星球的线速度大小均为(1+3B．A、B、C三颗星球的加速度大小均为(2C．星球A和中心O处的星球表面的重力加速度之比为1∶2D．若O处的星球被均分到A、B、C三颗星球上，A、B、C三颗星球仍按原轨道运动，则A、B、C三颗星球运动的周期将变大题型七.有关万有引力的综合计算（涉及动力学以及功能关系）典型例题典例1空间站在地球外层的稀薄大气中绕行，因气体阻力的影响，轨道高度会发生变化。空间站安装有发动机，可对轨道进行修正。图中给出了国际空间站在2020.02-2020.08期间离地高度随时间变化的曲线，则空间站（）A.绕地运行速度约为2.0km/sB.绕地运行速度约为8.0km/sC.在4月份绕行的任意两小时内机械能可视为守恒D.在5月份绕行的任意两小时内机械能可视为守恒典例2