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考点五：万有引力与航天——（2020—2023）四年高考物理真题专项汇编【新高考版】
一、单选题
1．【2023年新课标综合卷】2023年5月，世界现役运输能力最大的货运飞船天舟六号，携带约5800 kg的物资进入距离地面约400 km（小于地球同步卫星与地面的距离）的轨道，顺利对接中国空间站后近似做匀速圆周运动。对接后，这批物资( )
A.质量比静止在地面上时小
B.所受合力比静止在地面上时小
C.所受地球引力比静止在地面上时大
D.做圆周运动的角速度大小比地球自转角速度大
2．【2023年浙江高考真题】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，称为“行星冲日”。已知地球及各地外行星绕太阳运动的轨道半径如下表：
行星名称 地球 火星 木星 土星 天王星 海王星
轨道半径R/AU 1.0 1.5 5.2 9.5 19 30
则相邻两次“冲日”时间间隔约为( )
A.火星365天 B.火星800天 C.天王星365天 D.天王星800天
3．【2022年浙江高考真题】天问一号从地球发射后，在如图甲所示的P点沿地火转移轨道到Q点，再依次进入如图乙所示的调相轨道和停泊轨道，则天问一号( )
A.发射速度介于7.9 km/s与11.2 km/s之间
B.从P点转移到Q点的时间小于6个月
C.在环绕火星的停泊轨道运行的周期比在调相轨道上小
D.在地火转移轨道运动时的速度均大于地球绕太阳的速度
4．【2023年江苏高考真题】设想将来发射一颗人造卫星，能在月球绕地球运动的轨道上稳定运行，该轨道可视为圆轨道。该卫星与月球相比，一定相等的是( )
A.质量 B.向心力大小
C.向心加速度大小 D.受到地球的万有引力大小
5．【2023年新课标综合卷】2022年10月9日，我国综合性太阳探测卫星“夸父一号”成功发射，实现了对太阳探测的跨越式突破。“夸父一号”卫星绕地球做匀速圆周运动，距地面高度约为720 km，运行一圈所用时间约为100分钟。如图所示，为了随时跟踪和观测太阳的活动，“夸父一号”在随地球绕太阳公转的过程中，需要其轨道平面始终与太阳保持固定的取向，使太阳光能照射到“夸父一号”。下列说法正确的是( )
A.“夸父一号”的运行轨道平面平均每天转动的角度约为1°
B.“夸父一号”绕地球做圆周运动的速度大于7.9 km/s
C.“夸父一号”绕地球做圆周运动的向心加速度大于地球表面的重力加速度
D.由题干信息，根据开普勒第三定律，可求出日地间平均距离
6．【2023年新课标综合卷】如图（a）所示，太阳系外的一颗行星P绕恒星Q做匀速圆周运动.由于P的遮挡，探测器探测到Q的亮度随时间做如图（b）所示的周期性变化，该周期与P的公转周期相同.已知Q的质量为M，引力常量为G.关于P的公转，下列说法正确的是( )
A.周期为 B.半径为
C.角速度的大小为 D.加速度的大小为
7．【2023年新课标综合卷】运行周期为24 h的北斗卫星比运行周期为12 h的( )
A.加速度大 B.角速度大 C.周期小 D.线速度小
8．【2021年天津高考真题】2021年5月15日，天问一号探测器着陆火星取得成功，迈出了我国星际探测征程的重要一步，在火星上首次留下中国人的印迹。天问一号探测器成功发射后，顺利被火星捕获，成为我国第一颗人造火星卫星。经过轨道调整，探测器先沿椭圆轨道Ⅰ运行，之后进入称为火星停泊轨道的椭圆轨道Ⅱ运行，如图所示，两轨道相切于近火点P，则天问一号探测器( )
A.在轨道Ⅱ上处于受力平衡状态 B.在轨道Ⅰ运行周期比在Ⅱ时短
C.从轨道Ⅰ进入Ⅱ在P处要加速 D.沿轨道Ⅰ向P飞近时速度增大
9．【2022年天津高考真题】2022年3月，中国空间站“天宫课堂”再次开讲，授课期间利用了我国的中继卫星系统进行信号传输，天地通信始终高效稳定。已知空间站在距离地面400 km左右的轨道上运行，其运动视为匀速圆周运动，中继卫星系统中某卫星是距离地面36000 km左右的地球静止轨道卫星（同步卫星），则该卫星( )
A.授课期间经过天津正上空 B.加速度大于空间站的加速度
C.运行周期大于空间站的运行周期 D.运行速度大于地球的第一宇宙速度
10．【2022年湖北高考真题】2022年5月，我国成功完成了天舟四号货运飞船与空间站的对接，形成的组合体在地球引力作用下绕地球做圆周运动，周期约90分钟。下列说法正确的是( )
A.组合体中的货物处于超重状态
B.组合体的速度大小略大于第一宇宙速度
C.组合体的角速度大小比地球同步卫星的大
D.组合体的加速度大小比地球同步卫星的小
11．【2020年天津高考真题】北斗问天，国之夙愿。我国北斗三号系统的收官之星是地球静止轨道卫星，其轨道半径约为地球半径的7倍。与近地轨道卫星相比，地球静止轨道卫星( )
A.周期大 B.线速度大 C.角速度大 D.加速度大
12．【2021年江苏高考真题】我国航天人发扬“两弹一星”精神砥砺前行，从“东方红一号”到“北斗”不断创造奇迹。“北斗”第49颗卫星的发射迈出组网的关键一步。该卫星绕地球做圆周运动，运动周期与地球自转周期相同，轨道平面与地球赤道平面成一定夹角。该卫星( )
A.运动速度大于第一宇宙速度
B.运动速度小于第一宇宙速度
C.轨道半径大于“静止”在赤道上空的同步卫星
D.轨道半径小于“静止”在赤道上空的同步卫星
二、多选题
13．【2022年全国高考真题】如图所示，行星绕太阳的公转可以看作匀速圆周运动，在地面上容易测得地球-水星连线与地球-太阳连线夹角α，地球-金星连线与地球-太阳连线夹角β。两角最大值分别为，则( )
A.水星的公转周期比金星的大
B.水星的公转向心加速度比金星的大
C.水星与金星的公转轨道半径之比为
D.水星与金星的公转线速度之比为
14．【2023年重庆高考真题】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，运行的轨道与地球赤道不共面（如图）。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( )
A.卫星距地面的高度为
B.卫星与位于P点处物体的向心加速度大小比值为
C.从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
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
15．【2023年海南高考真题】如图所示，1、2轨道分别是天宫二号飞船在变轨前、后的轨道，下列说法正确的是( )
A.飞船从1轨道变到2轨道要点火加速 B.飞船在1轨道周期大于2轨道的
C.飞船在1轨道速度大于2轨道的 D.飞船在1轨道加速度大于2轨道的
参考答案
1．答案：D
解析：质量是物体的一个基本属性，由物体本身决定，与其所处位置、状态均无关，A错误；物资所受地球引力的大小，物资静止在地面时到地心的距离为地球半径，物资与空间站对接后，到地心的距离大于地球半径，故其所受地球引力比静止在地面上时小，C错误；空间站轨道半径小于地球同步卫星轨道半径，由开普勒第三定律可知，物资做圆周运动的周期小于地球同步卫星的周期，所以物资做圆周运动的角速度一定大于地球自转角速度，D正确；物资所受合力即为其做圆周运动的向心力，由向心力公式可知，对接后物资所受合外力比静止在地面上时大，B错误。
2．答案：B
解析：
3．答案：C
解析：天问一号发射后要脱离地球引力束缚，则发射速度要超过11.2 km/s，故选项A错误；由题图甲可知地火转移轨道的半长轴长度比地球轨道半径要大，根据开普勒第三定律可知，天问一号在地火转移轨道上运行的周期大于12个月，因此从P到Q的时间大于6个月，故选项B错误；同理根据开普勒第三定律，并结合停泊轨道、调相轨道的半长轴长度关系可知，天问一号在环绕火星的停泊轨道运行的周期比在调相轨道上小，故选项C正确；天问一号在P点点火加速，做离心运动进入地火转移轨道，故在地火转移轨道上P点的速度比地球环绕太阳的速度大，但在到达Q点之后，要加速进入火星轨道，即，根据可知地球绕太阳的速度大于火星绕太阳的速度，即，所以，即天问一号在地火转移轨道上并不是每一点的速度都比地球绕太阳的速度大，故选项D错误。
4．答案：C
解析：
5．答案：A
解析：“夸父一号”的运行轨道平面始终与太阳保持固定的取向，由几何关系可知，其转动的角度与地球绕太阳公转的角度一致，地球绕太阳一周转动360°，运行周期约为365天，则“夸父一号”的运行轨道平面平均每天转动角度约为1°，A对；“夸父一号”绕地球做圆周运动时，万有引力提供向心力，即，可知，地球的第一宇宙速度为卫星轨道半径等于地球半径R时的速度，而“夸父一号”的运行轨道半径大于R，则其运行速度小于7.9 km/s，B错；地球表面的重力加速度满足，解得，“夸父一号”绕地球做圆周运动的向心加速度满足，解得，又“夸父一号”的运行轨道半径大于R，则其向心加速度小于地球表面的重力加速度，C错；“夸父一号”绕行的中心天体为地球，地球绕行的中心天体为太阳，中心天体不同，开普勒第三定律不适用，D错。
6．答案：B
解析：A.由图（b）可知探测器探测到Q的亮度随时间变化的周期为
则P的公转周期为，故A错误；
B.P绕恒星Q做匀速圆周运动，由万有引力提供向心力可得
解得半径为
故B正确；
C.P的角速度为
故C错误；
D.P的加速度大小为
故D错误。
故选B。
7．答案：D
解析：根据万有引力提供向心力有
可得
因为北斗卫星周期大,故运行轨道半径大,则线速度小,角速度小,加速度小。故选D。
8．答案：D
解析：曲线运动是变速运动，物体所受合力必不为零，故A错误。根据开普勒第三定律可知，围绕同一中心天体运行的物体，轨道半长轴大的周期长，故B错误。探测器从轨道Ⅰ进入Ⅱ，半长轴减小，做近心运动，需减速，探测器在P点所受万有引力（不变）大于其所需向心力，引力将探测器拉向半长轴较小的轨道，故C错误。根据开普勒第二定律，探测器从远火点飞向近火点，速度增大，故D正确。
9．答案：C
解析：同步卫星始终在赤道正上方，所以不会经过天津正上空，A错误；由得，由于该卫星的轨道半径大于空间站的轨道半径，所以该卫星的运行周期大于空间站的运行周期，该卫星的加速度小于空间站的加速度，C正确，B错误；第一宇宙速度为卫星绕地球运行的最大环绕速度，所以该卫星的运行速度不会大于第一宇宙速度，D错误。
10．答案：C
解析：组合体中的货物处于完全失重状态，选项A错误；第一宇宙速度是最大环绕速度，故组合体的速度不可能大于第一宇宙速度，选项B错误；地球同步卫星的运行周期为24 h，大于组合体的运行周期，根据“高轨低速大周期”的结论可知，组合体的角速度和加速度均比地球同步卫星的大，选项C正确，D错误。
11．答案：A
解析：由万有引力提供向心力，可得，解得线速度，由于地球静止轨道卫星的轨道半径大于近地轨道卫星的轨道半径，所以地球静止轨道卫星的线速度较小，选项B错误；由万有引力提供向心力，可得，解得周期，所以地球静止轨道卫星的周期较大，选项A正确；由，可知地球静止轨道卫星的角速度较小，选项C错误；由万有引力提供向心力，可得，解得加速度，所以地球静止轨道卫星的加速度较小，选项D错误。
12．答案：B
解析：AB.第一宇宙速度是指绕地球表面做圆周运动的速度，是环绕地球做圆周运动的所有卫星的最大环绕速度，该卫星的运转半径远大于地球的半径，可知运行线速度小于第一宇宙速度，选项A错误B正确；
CD.根据，可知，因为该卫星的运动周期与地球自转周期相同，等于“静止”在赤道上空的同步卫星的周期，可知该卫星的轨道半径等于“静止”在赤道上空的同步卫星的轨道半径，选项CD错误。
故选B。
13．答案：BC
解析：行星环绕太阳做圆周运动，万有引力提供其做圆周运动的向心力，由公式得，由题图可知金星的轨道半径大于水星的轨道半径，因此金星的环绕周期大于水星的环绕周期，A错误；又由公式得，所以水星的公转向心加速度大于金星的公转向心加速度，B正确；由题意可知当地球与行星的连线与行星的运行轨道相切时，该连线与地球和太阳连线的夹角最大，如图所示，假设地球的轨道半径为r，由图可知水星和金星的轨道半径分别为，则，C正确；由公式得，解得，D错误。
14．答案：BCD
解析：A.由题意,知卫星绕地球运转的周期为
设卫星的质量为m,卫星距地面的高度为h,有
联立,可求得
故A错误;
B.卫星的向心加速度大小
位于P点处物体的向心加速度大小
可得
故B正确;
CD.要想卫星再次在P点的正上方,则只能是题中两个轨道的交点,因此要实现出现在正上方,第一种情形是经过一段时间都回到了当前点,即各自转动整数圈,最小公倍数为3,此时卫星转动10圈,即转动角度为,第二种情形是都转动整数圈加半圈,此时最小公倍数为1.5,卫星转动五圈,此时相距最远,转动角度相差,故CD正确;多。故D正确。
故选BCD。
15．答案：ACD
解析：卫星变轨卫星从低轨道向高轨道变轨时，需要点火加速，A对；由“高轨低速大周期”的卫星运动规律可知，飞船在1轨道上的线速度、角速度、向心加速度均大于在2轨道上的，周期小于在2轨道上的，B错，CD对。

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