五年（2021-2025）高考物理真题分类汇编：专题05 万有引力与宇宙航行（全国）（解析版）

专题05万有引力与宇宙航行

考点五年考情（2021-2025）命题趋势

2025·广东卷、湖南卷仍为必考考点，注重万有引力提供向心力

考点1万有引

2024·新课标卷、山东卷、湖南卷的分析。常结合航空航天前沿科技等实际

力定律

2023山东卷、新课标卷问题考查，强调知识的应用性和创新性。

及其应用

2022·辽宁卷题型以计算题为主，也会在选择题中出现。

2021·福建卷、海南卷考查内容涵盖天体质量和密度计算、卫星

2025·山东卷、河北卷运行及变轨等，还会涉及能量知识。命题

考点2人造卫2024·福建卷、河北卷注重考查学生运用限制变量法进行定性推

星宇宙速度2023·广东卷、江苏卷、湖南卷断或定量计算的能力，引导学生关注科技

2022·浙江卷、河北卷前沿，培养学生将物理知识应用于实际情

2021·广东卷、天津卷、北京卷境的能力。

考点01万有引力定律及其应用

1．（2025·陕晋青宁卷·高考真题）我国计划于2028年前后发射“天问三号”火星探测系统，实现火星取样返

回。其轨道器将环绕火星做匀速圆周运动，轨道半径约3750km，轨道周期约2h。引力常量G取6.67×10

－11N⋅m2/kg2，根据以上数据可推算出火星的（）

A．质量B．体积C．逃逸速度D．自转周期

【答案】A

Mmv242

【详解】轨道器绕火星做匀速圆周运动，万有引力提供向心力，可得Gmm2rmrma

r2rT2

A．题中已知的物理量有轨道半径r，轨道周期T，引力常量G，可推算出火星的质量，故A正确；

B．若想推算火星的体积和逃逸速度，则还需要知道火星的半径r，故BC错误；

D．根据上述分析可知，不能通过所提供物理量推算出火星的自转周期，故D错误。

故选A。

2．（2025·安徽·高考真题）2025年4月，我国已成功构建国际首个基于DRO（远距离逆行轨道）的地月空

间三星星座，DRO具有“低能进入、稳定停泊、机动转移”的特点。若卫星甲从DRO变轨进入环月椭圆轨

道，该轨道的近月点和远月点距月球表面的高度分别为a和b，卫星的运行周期为T；卫星乙从DRO变

轨进入半径为r的环月圆形轨道，周期也为T。月球的质量为M，半径为R，引力常量为G。假设只考

虑月球对甲、乙的引力，则（）

abRab4π2r34π2R3

A．rB．rRC．MD．M

22GT2GT2

【答案】BC

ab2R3

()3

【详解】．对于题述环月椭圆轨道和环月圆轨道，根据开普勒第三定律有r

AB2

T2T2

ab

可得rR

2

故A错误，B正确；

GMm2

CD．对于环月圆轨道，根据万有引力提供向心力可得m()2r

r2T

42r3

可得M

GT2

故C正确，D错误。

故选BC。

3．（2025·山东·高考真题）轨道舱与返回舱的组合体，绕质量为M的行星做半径为r的圆周运动，轨道舱

与返回舱的质量比为5:1。如图所示，轨道舱在P点沿运动方向向前弹射返回舱，分开瞬间返回舱相对

GM

行星的速度大小为2，G为引力常量，此时轨道舱相对行星的速度大小为（）

r

2GM3GM4GMGM

A．B．C．D．

5r5r5rr

【答案】C

【详解】轨道舱与返回舱的质量比为5:1，设返回舱的质量为m，则轨道舱的质量为5m，总质量为6m；

M6mv2

根据题意组合体绕行星做圆周运动，根据万有引力定律有G6m

r2r

GM

可得做圆周运动的线速度为v

r

弹射返回舱的过程中组合体动量守恒，有6mv5mv1mv2

GM

由题意v2

2r

4GM

带入解得v

15r

故选C。

4．（2025·云南·高考真题）国际编号为192391的小行星绕太阳公转的周期约为5．8年，该小行星与太阳

系内八大行星几乎在同一平面内做圆周运动。规定地球绕太阳公转的轨道半径为1AU，八大行星绕太阳

的公转轨道半径如下表所示。忽略其它行星对该小行星的引力作用，则该小行星的公转轨道应介于

（）

行星水星金星地球火星木星土星天王星海王星

轨道半径R/AU0.390.721.01.55.29.51930

A．金星与地球的公转轨道之间B．地球与火星的公转轨道之间

C．火星与木星的公转轨道之间D．天王星与海王星的公转轨道之间

【答案】C

33

r行r地

【详解】根据开普勒第三定律可知2=2

T行T地

其中r地=1AU，T地=1年，T行=5.8年

代入解得r行3.23AU

故可知该小行星的公转轨道应介于火星与木星的公转轨道之间。

故选C。

5．（2025·海南·高考真题）载人飞船的火箭成功发射升空，载人飞船进入预定轨道后，与空间站完成自主

快速交会对接，然后绕地球做匀速圆周运动。已知空间站轨道高度低于地球同步卫星轨道，则下面说法

正确的是（）

A．火箭加速升空失重

B．宇航员在空间站受到的万有引力小于在地表受到万有引力

C．空间站绕地球做匀速圆周运动的角速度小于地球自转角速度

D．空间站绕地球做匀速圆周运动的加速度小于地球同步卫星的加速度

【答案】B

【详解】A．火箭加速升空过程，加速度方向竖直向上，则处于超重状态，故A错误；

GMm

B．根据F，宇航员与地球的质量不变，宇航员在空间站离地心更远，则受到的万有引力小于在

R2

地表受到万有引力，故B正确；

GMm2GM

C．根据mR可得，可知空间站绕地球做匀速圆周运动的角速度大于同步卫星的角速

R2R3

度，即大于地球自转角速度，故C错误；

GMmGM

D．根据ma可得a，可知空间站绕地球做匀速圆周运动的加速度大于地球同步卫星的加速

R2R2

度，故D错误。

故选B。

6．（2025·河南·高考真题）2024年天文学家报道了他们新发现的一颗类地行星Gliese12b，它绕其母恒星的

1

运动可视为匀速圆周运动。已知Gliese122b轨道半径约为日地距离的，其母恒星质量约为太阳质量的

14

2

，则Gliese122b绕其母恒星的运动周期约为（）

7

A．13天B．27天C．64天D．128天

【答案】A

2

GM0m4

【详解】地球绕太阳运行的周期约为365天，根据万有引力提供向心力得2m2r0

r0T0

12GMm42

已知rr0，MM0，同理得mr

147r2T2

23

TrM0

整理得23

T0r0M

1

带入数据得TT13天

280

故选A。

7．（2025·湖南·高考真题）我国研制的“天问二号”探测器，任务是对伴地小行星及彗星交会等进行多目标探

测。某同学提出探究方案，通过释放卫星绕小行星进行圆周运动，可测得小行星半径R和质量M。为探

测某自转周期为T0的小行星，卫星先在其同步轨道上运行，测得距离小行星表面高度为h，接下来变轨

到小行星表面附近绕其做匀速圆周运动，测得周期为T1。已知引力常量为G，不考虑其他天体对卫星的

2

a342R3

引力，可根据以上物理得到Rh，M。下列选项正确的是（）

22Gc2

b3a3

，，，，

A．a为T1b为T0c为T1B．a为T1b为T0c为T0

，，，，

C．a为T0b为T1c为T1D．a为T0b为T1c为T0

【答案】A

【详解】根据题意，卫星在同步轨道和表面附近轨道运行时轨道半径分别为Rh、R

设小行星和卫星的质量分别为M、m

（Rh)3R3

由开普勒第三定律有22

T0T1

2

3

T1

解得R22h

33

T0T1

GMm42

卫星绕小行星表面附近做匀速圆周运动，由万有引力提供向心力有2m2R

RT1

42R3

解得M2

GT1

，，

对应结果可得a为T1b为T0c为T1。

故选A。

8．（2025·广东·高考真题）一颗绕太阳运行的小行星，其轨道近日点和远日点到太阳的距离分别约为地球

到太阳距离的5倍和7倍。关于该小行星，下列说法正确的是（）

A．公转周期约为6年

B．从远日点到近日点所受太阳引力大小逐渐减小

C．从远日点到近日点线速度大小逐渐减小

1

D．在近日点加速度大小约为地球公转加速度的

25

【答案】D

5R7R

【详解】A．根据题意，设地球与太阳间距离为R，则小行星公转轨道的半长轴为a6R

2

3

6RR3

由开普勒第三定律有

22

T2T地

32

解得T6T地66年

故A错误；

Gmm

B．从远日点到近日点，小行星与太阳间距离减小，由万有引力定律F12可知，小行星受太阳引

r2

力增大，故B错误；

cC．由开普勒第二定律可知，从远日点到近日点，小行星线速度逐渐增大，故C错误。

GMm

D．由牛顿第二定律有ma

r2

GM

解得a

r2

2

a行R1

可知2

a地5R25

1

即小行星在近日点的加速度是地球公转加速度的，故D正确；

25

故选D。

9．（2025·浙江·高考真题）地球和哈雷彗星绕太阳运行的轨迹如图所示，彗星从a运行到b、从c运行到d

的过程中，与太阳连线扫过的面积分别为S1和S2，且S1S2。彗星在近日点与太阳中心的距离约为地球

公转轨道半径的0.6倍，则彗星（）

A．在近日点的速度小于地球的速度

B．从b运行到c的过程中动能先增大后减小

C．从a运行到b的时间大于从c运行到d的时间

D．在近日点加速度约为地球的加速度的0.36倍

【答案】C

【详解】A．地球绕太阳做匀速圆周运动，万有引力提供向心力

Mmv2GM

Gmv

r2rr

哈雷彗星在近日点的曲率半径小于地球半径，因此哈雷彗星在近日点的速度大于地球绕太阳的公转速度，

A错误；

B．从b运行到c的过程中万有引力与速度方向夹角一直为钝角，哈雷彗星速度一直减小，因此动能一

直减小，B错误；

C．根据开普勒第二定律可知哈雷彗星绕太阳经过相同的时间扫过的面积相同，根据S1S2可知从a运

行到b的时间大于从c运行到d的时间，C正确；

D．万有引力提供加速度

MmGM

Gmaa

r2r2

则哈雷彗星的加速度a1与地球的加速度a2比值为

2

a1r21

2

a2r10.36

D错误。

故选C。

10．（2024·天津·高考真题）卫星未发射时静置在赤道上随地球转动，地球半径为R。卫星发射后在地球同

步轨道上做匀速圆周运动，轨道半径为r。则卫星未发射时和在轨道上运行时（）

A．角速度之比为1:1B．线速度之比为r:R

C．向心加速度之比为R:rD．受到地球的万有引力之比为R2:r2

【答案】AC

【详解】A．卫星未发射时静置在赤道上随地球转动，角速度与地球自转角速度相等，卫星发射后在地

球同步轨道上做匀速圆周运动，角速度与地球自转角速度相等，则卫星未发射时和在轨道上运行时角

速度之比为1:1，故A正确；

B．根据题意，由公式vr可知，卫星未发射时和在轨道上运行时，由于角速度相等，则线速度之比

为轨道半径之比R:r，故B错误；

2

C．根据题意，由公式anr可知，卫星未发射时和在轨道上运行时，由于角速度相等，则向心加速

度之比为轨道半径之比R:r，故C正确；

GMm

D．根据题意，由公式F可知，卫星未发射时和在轨道上运行时，受到地球的万有引力之比与

r2

轨道半径的平方成反比，即r2:R2，故D错误。

故选AC。

11．（2014·广东·高考真题）如图所示，飞行器P绕某星球做匀速圆周运动，星球相对飞行器的张角为θ，

下列说法正确的是（）

A．轨道半径越大，周期越长

B．轨道半径越大，速度越大

C．若测得周期和张角，可得到星球的平均密度

D．若测得周期和轨道半径，可得到星球的平均密度

【答案】AC

【详解】A．对飞行器，根据

Mm42

Gmr

r2T2

可知轨道半径越大，周期越大，故A正确；

B．根据

Mmv2

Gm

r2r

可知道轨道半径越大，线速度越小，故B错误；

C．若测得卫星的周期T，可得

42r3

M

GT2

如果知道张角θ，则该星球半径为

Rrsin

2

可得

3

42r34

Mrsin

GT232

解得星球的密度为

3

GT2(sin)3

2

即可求出星球的平均密度，故C正确；

D．若测得周期和轨道半径，无法得到星球半径，则无法求出星球的平均密度，故D错误。

故选AC。

12．（2024·贵州·高考真题）土星的部分卫星绕土星的运动可视为匀速圆周运动，其中的两颗卫星轨道半径

、、

分别为，r1r2且r1r2，向心加速度大小分别为a1a2，则（）

aaaa

121222

A．B．22C．a1r1a2r2D．a1r1a2r2

r1r2r1r2

【答案】D

【详解】设土星的质量为M，两颗卫星的质量分别为m1、m2，对两颗卫星，根据牛顿第二定律

Mm

1

G2m1a1

r1

Mm

2

G2m2a2

r2

整理可得

22

a1r1a2r2

故选D。

13．（2024·重庆·高考真题）在万有引力作用下，太空中的某三个天体可以做相对位置不变的圆周运动，假

设a、b两个天体的质量均为M，相距为2r，其连线的中点为O，另一天体（图中未画出）质量为m（m

<<M），若c处于a、b连线的垂直平分线上某特殊位置，a、b、c可视为绕O点做角速度相同的匀速

圆周，且相对位置不变，忽略其他天体的影响。引力常量为G。则（）

A．c的线速度大小为a的3倍B．c的向心加速度大小为b的一半

GM

C．c在一个周期内的路程为2πrD．c的角速度大小为

8r3

【答案】A

【详解】D．a、b、c三个天体角速度相同，由于m<<M，则对a天体有

MM

GM2r

(2r)2

解得

GM

4r3

故D错误；

A．设c与a、b的连线与a、b连线中垂线的夹角为α，对c天体有

Mmr

2Gcosm2

r2

()tan

sin

解得

α=30°

则c的轨道半径为

r

r3r

ctan30

由v=ωr，可知c的线速度大小为a的3倍，故A正确；

B．由a=ω2r，可知c的向心加速度大小是b的3倍，故B错误；

C．c在一个周期内运动的路程为

s2r23r

故C错误。

故选A。

14．（2024·重庆·高考真题）2024年5月3日，嫦娥六号探测成功发射，开启月球背面采样之旅，探测器的

着陆器上升器组合体着陆月球要经过减速、悬停、自由下落等阶段。则组合体着陆月球的过程中（）

A．减速阶段所受合外力为0B．悬停阶段不受力

C．自由下落阶段机械能守恒D．自由下落阶段加速度大小g=9.8m/s2

【答案】C

【详解】A．组合体在减速阶段有加速度，合外力不为零，故A错误；

B．组合体在悬停阶段速度为零，处于平衡状态，合力为零，仍受重力和升力，故B错误；

C．组合体在自由下落阶段只受重力，机械能守恒，故C正确；

D．月球表面重力加速度不为9.8m/s2，故D错误。

故选C。

15．（2024·海南·高考真题）嫦娥六号进入环月圆轨道，周期为T，轨道高度与月球半径之比为k，引力常

量为G，则月球的平均密度为（）

3

3(1k)3(1k)33

A．B．C．D．(1k)

GT2k3GT23GT2kGT2

【答案】D

【详解】设月球半径为R，质量为M，对嫦娥六号，根据万有引力提供向心力

Mm42

Gm(k1)R

[(k1)R]2T2

月球的体积

4

VR3

3

月球的平均密度

M

V

联立可得

3

(1k)3

GT2

故选D。

16．（2024·广西·高考真题）潮汐现象出现的原因之一是在地球的不同位置海水受到月球的引力不相同。图

中a、b和c处单位质量的海水受月球引力大小在（）

A．a处最大B．b处最大C．c处最大D．a、c处相等，b处最小

【答案】A

【详解】根据万有引力公式

Mm

F=G

R2

可知图中a处单位质量的海水收到月球的引力最大；

故选A。

17．（2024·山东·高考真题）“鹊桥二号”中继星环绕月球运行，其24小时椭圆轨道的半长轴为a。已知地球

静止卫星的轨道半径为r，则月球与地球质量之比可表示为（）

r3a3r3a3

A．B．C．D．

a3r3a3r3

【答案】D

【详解】“鹊桥二号”中继星在24小时椭圆轨道运行时，根据开普勒第三定律

a3

k

T2

同理，对地球的静止卫星根据开普勒第三定律

r3

k

T2

又开普勒常量与中心天体的质量成正比，所以

M月k

M地k

联立可得

3

M月a

3

M地r

故选D。

18．（2024·江西·高考真题）两个质量相同的卫星绕月球做匀速圆周运动，半径分别为r1、r2，则动能和周

期的比值为（）

ErTr3ErTr3

A．k12,11B．k11,11

ErT3ErT3

k212r2k222r2

ErTr3ErTr3

C．k12,12D．k11，12

ErT3ErT3

k212r1k222r1

【答案】A

【详解】两个质量相同的卫星绕月球做匀速圆周运动，则月球对卫星的万有引力提供向心力，设月球

的质量为M，卫星的质量为m，则半径为r1的卫星有

Mmv24π2

1

G2mm2r1

r1r1T1

半径为r2的卫星有

Mmv24π2

2

G2mm2r2

r2r2T2

1

再根据动能Emv2，可得两卫星动能和周期的比值分别为

k2

ErTr3

k12，11

ErT3

k212r2

故选A。

19．（2024·湖北·高考真题）太空碎片会对航天器带来危害。设空间站在地球附近沿逆时针方向做匀速圆周

运动，如图中实线所示。为了避开碎片，空间站在P点向图中箭头所指径向方向极短时间喷射气体，

使空间站获得一定的反冲速度，从而实现变轨。变轨后的轨道如图中虚线所示，其半长轴大于原轨道

半径。则（）

A．空间站变轨前、后在P点的加速度相同

B．空间站变轨后的运动周期比变轨前的小

C．空间站变轨后在P点的速度比变轨前的小

D．空间站变轨前的速度比变轨后在近地点的大

【答案】A

【详解】A．在P点变轨前后空间站所受到的万有引力不变，根据牛顿第二定律可知空间站变轨前、后

在P点的加速度相同，故A正确；

B．因为变轨后其半长轴大于原轨道半径，根据开普勒第三定律可知空间站变轨后的运动周期比变轨前

的大，故B错误；

C．变轨后在P点因反冲运动相当于瞬间获得竖直向下的速度，原水平向左的圆周运动速度不变，因此

合速度变大，故C错误；

D．由于空间站变轨后在P点的速度比变轨前大，而比在近地点的速度小，则空间站变轨前的速度比变

轨后在近地点的小，故D错误。

故选A。

20．（2024·全国甲卷·高考真题）2024年5月，嫦娥六号探测器发射成功，开启了人类首次从月球背面采样

返回之旅。将采得的样品带回地球，飞行器需经过月面起飞、环月飞行、月地转移等过程。月球表面

1

自由落体加速度约为地球表面自由落体加速度的。下列说法正确的是（）

6

A．在环月飞行时，样品所受合力为零

B．若将样品放置在月球正面，它对月球表面压力等于零

C．样品在不同过程中受到的引力不同，所以质量也不同

D．样品放置在月球背面时对月球的压力，比放置在地球表面时对地球的压力小

【答案】D

【详解】A．在环月飞行时，样品所受合力提供所需的向心力，不为零，故A错误；

BD．若将样品放置在月球正面，它对月球表面压力大小等于它在月球表面的重力大小；由于月球表面

1

自由落体加速度约为地球表面自由落体加速度的，则样品在地球表面的重力大于在月球表面的重力，

6

所以样品放置在月球背面时对月球的压力，比放置在地球表面时对地球的压力小，故B错误，D正确；

C．样品在不同过程中受到的引力不同，但样品的质量相同，故C错误。

故选D。

21．（2024·新疆河南·高考真题）天文学家发现，在太阳系外的一颗红矮星有两颗行星绕其运行，其中行星

GJ1002c的轨道近似为圆，轨道半径约为日地距离的0.07倍，周期约为0.06年，则这颗红矮星的质量

约为太阳质量的（）

A．0．001倍B．0.1倍C．10倍D．1000倍

【答案】B

【详解】设红矮星质量为M1，行星质量为m1，半径为r1，周期为T1；太阳的质量为M2，地球质量为

m2，到太阳距离为r2，周期为T2；根据万有引力定律有

Mm42

11

G2m12r1

r1T1

Mm42

22

G2m22r2

r2T2

联立可得

32

MrT

112

M2r2T1

由于轨道半径约为日地距离的0.07倍，周期约为0.06年，可得

M

10.1

M2

故选B。

22．（2024·辽宁·高考真题）如图（a），将一弹簧振子竖直悬挂，以小球的平衡位置为坐标原点O，竖直

向上为正方向建立x轴。若将小球从弹簧原长处由静止释放，其在地球与某球状天体表面做简谐运动

的图像如（b）所示（不考虑自转影响），设地球、该天体的平均密度分别为1和2，地球半径是该

天体半径的n倍。1的值为（）

2

n21

A．2nB．C．D．

2n2n

【答案】C

【详解】设地球表面的重力加速度为g，某球体天体表面的重力加速度为g，弹簧的劲度系数为k，根

据简谐运动的对称性有

k4Amgmg

k2Amgmg

可得

2kA

g

m

kA

g

m

可得

g

2

g

设某球体天体的半径为R，在星球表面，有

43

nRm

13

G2mg

nR

43

2Rm

G3mg

R2

联立可得

2

1

2n

故选C。

【点睛】

23．（2024·浙江·高考真题）如图所示，2023年12月9日“朱雀二号”运载火箭顺利将“鸿鹄卫星”等三颗卫

星送入距离地面约500km的轨道。取地球质量6.01024kg，地球半径6.4103km，引力常量

6.671011Nm2/kg2。下列说法正确的是（）

A．火箭的推力是空气施加的B．卫星的向心加速度大小约8.4m/s2

C．卫星运行的周期约12hD．发射升空初始阶段，装在火箭上部的卫星处于失重状态

【答案】B

【详解】A．根据反冲现象的原理可知，火箭向后喷射燃气的同时，燃气会给火箭施加反作用力，即推

力，故A错误；

B．根据万有引力定律可知卫星的向心加速度大小为

FGM

a8.4m/s2

m(Rh)2

故B正确；

C．卫星运行的周期为

(Rh)3

T2π1.6h

GM

故C错误；

D．发射升空初始阶段，火箭加速度方向向上，装在火箭上部的卫星处于超重状态，故D错误。

故选B。

3

24．（2023·重庆·高考真题）某卫星绕地心的运动视为匀速圆周运动，其周期为地球自转周期T的，运

10

行的轨道与地球赤道不共面（如图）。t0时刻，卫星恰好经过地球赤道上P点正上方。地球的质量为

M，半径为R，引力常量为G。则（）

1

23

A．卫星距地面的高度为GMT

2R

4

51

B．卫星与位于P点处物体的向心加速度大小比值为180πGMT23

9πR

C．从t0时刻到下一次卫星经过P点正上方时，卫星绕地心转过的角度为20

D．每次经最短时间实现卫星距P点最近到最远的行程，卫星绕地心转过的角度比地球的多7

【答案】BCD

【详解】A．由题意，知卫星绕地球运转的周期为

3

TT

10

设卫星的质量为m，卫星距地面的高度为h，有

Mm2

Gm(Rh)()2

(Rh)2T

联立，可求得

1

9GMT23