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- 2021-06-16 发布
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高中同步测试卷(三)
第三单元 行星运动和万有引力定律
(时间:90 分钟,满分:100 分)
一、单项选择题(本题共 7 小题,每小题 4 分,共 28 分.在每小题给出的四个选项中,
只有一个选项正确.)
1.(2016·高考全国卷丙)关于行星运动的规律,下列说法符合史实的是( )
A.开普勒在牛顿定律的基础上,导出了行星运动的规律
B.开普勒在天文观测数据的基础上,总结出了行星运动的规律
C.开普勒总结出了行星运动的规律,找出了行星按照这些规律运动的原因
D.开普勒总结出了行星运动的规律,发现了万有引力定律
2.宇航员王亚平在“天宫 1 号”飞船内进行了我国首次太空授课,演示了一些完全失
重状态下的物理现象.若飞船质量为 m,距地面高度为 h,地球质量为 M,半径为 R,引力
常量为 G,则飞船所在处的重力加速度大小为( )
A.0 B. GM
(R+h)2
C. GMm
(R+h)2 D.GM
h2
3.两颗行星的质量分别为 m1 和 m2,绕太阳运行的轨道半长轴分别为 r1 和 r2,则它们
的公转周期之比为( )
A. r1
r2
B.r31
r32
C. r31
r32
D.无法确定
4.设想把质量为 m 的物体(可视为质点)放到地球的中心,地球质量为 M、半径为 R.则
物体与地球间的万有引力是( )
A.零 B.无穷大
C.GMm/R2 D.无法确定
5.据报道,最近在太阳系外发现了首颗“宜居”行星,其质量约为地球质量的 6.4 倍,
一个在地球表面重量为 600 N 的人在这个行星表面的重量将变为 960 N.由此可推知,该行
星的半径与地球半径之比约为( )
A.0.5 B.2
C.3.2 D.4
6.两个质量分布均匀且大小相同的实心小铁球紧靠在一起,它们之间的万有引力为 F,
若两个半径是小铁球 2 倍的实心大铁球紧靠在一起,则它们之间的万有引力为( )
A.2F B.4F
C.8F D.16F
7.英国《新科学家(New Scientist)》杂志评选出了世界 8 项科学之最,在 XTEJ1650-
500 双星系统中发现的最小黑洞位列其中.若某黑洞的半径 R 约 45 km,质量 M 和半径 R
的关系满足M
R
= c2
2G(其中 c 为光速,G 为引力常量),则该黑洞表面重力加速度的数量级为
( )
A.108 m/s2 B.1010 m/s2
C.1012 m/s2 D.1014 m/s2
二、多项选择题(本题共 5 小题,每小题 6 分,共 30 分.在每小题给出的四个选项中,
有多个选项符合题意.)
8.在力学理论建立的过程中,有许多伟大的科学家做出了贡献.关于科学家和他们的
贡献,下列说法正确的是( )
A.伽利略发现了行星运动的规律
B.卡文迪许通过实验测出了引力常量
C.牛顿最早指出力不是维持物体运动的原因
D.笛卡儿对牛顿第一定律的建立做出了贡献
9.下面说法中正确的是( )
A.F=G m1m2
r2
公式中,G 为引力常量,它是由实验测得的,而不是人为规定的
B.F=G m1m2
r2
公式中,当 r 趋近于零时,万有引力趋近于无穷大
C.F=G m1m2
r2
公式中,m1 与 m2 受到的引力总是大小相等的,而与 m1、m2 是否相等无
关
D.F=G m1m2
r2
公式中,m1 与 m2 受到的引力总是大小相等、方向相反的,是一对平衡
力
10.地球绕太阳的运行轨道是椭圆,因而地球与太阳之间的距离随季节变化.冬至这天
地球离太阳最近,夏至最远.下列关于地球在这两天绕太阳公转速度大小的说法中,不正确
的是( )
A.地球公转速度是不变的 B.冬至这天地球公转速度大
C.夏至这天地球公转速度大 D.无法确定
11.宇宙飞船绕地心做半径为 r 的匀速圆周运动,飞船舱内有一质量为 m 的人站在可
称体重的台秤上,用 R 表示地球的半径,g0 表示地球表面处的重力加速度,g′表示宇宙飞船
所在处的重力加速度,FN 表示人对台秤的压力,下列说法中正确的是( )
A.g′=0 B.g′=R2
r2 g0
C.FN=0 D.FN=mR2
r2 g0
12.小行星绕恒星运动,恒星均匀地向四周辐射能量,质量缓慢减小,可认为小行星在
绕恒星运动一周的过程中近似做圆周运动.则经过足够长的时间后,小行星运动的( )
A.半径变大 B.速率变大
C.角速度变小 D.加速度变大
题号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
答案
三、计算题(本题共 4 小题,共 42 分.解答时应写出必要的文字说明、方程式和重要的
演算步骤,只写出最后答案的不能得分,有数值计算的题,答案中必须明确写出数值和单位.)
13.(10 分)当地球的自转周期为多少时,赤道上的物体的重力恰好为零?(已知地球半
径 R=6.4×103 km,g=10 m/s2)
14.(10 分)火星半径约为地球半径的一半,火星质量约为地球质量的1
9.一位宇航员连同宇
航服在地球上的质量为 50 kg.求(取地球表面的重力加速度 g=10 m/s2):
(1)在火星上宇航员所受的重力为多少?
(2)宇航员在地球上可跳 1.5 m 高,他以相同初速度在火星上可跳多高?
15.(10 分)飞船沿半径为 R 的圆周绕地球运动的周期为 T,地球半径
为 R0,若飞船要返回地面,可在轨道上某点 A 处将速率降到适当的数值,
从而使飞船沿着以地心为焦点的椭圆轨道运行,椭圆与地球表面在 B 点相
切,求飞船由 A 点到 B 点所需要的时间?
16.(12 分)某宇航员在飞船发射前测得自身连同宇航服等随身装备共重 840 N,在火箭发
射阶段,发现当飞船随火箭以 a=g/2 的加速度匀加速竖直上升到某位置时(其中 g 为地球表
面处的重力加速度),其身下体重测试仪的示数为 1 220 N,设地球半径 R=6 400 km,地球
表面重力加速度 g 取 10 m/s2(求解过程中可能用到 19
18
=1.03, 21
20
=1.02).问:
(1)该位置处的重力加速度 g′是地面处重力加速度 g 的多少倍?
(2)该位置距地球表面的高度 h 为多大?
参考答案与解析
1.[导学号 94770033] [解析]选 B.开普勒在第谷的观测数据的基础上,总结出了行星
运动的规律,B 项正确;牛顿在开普勒总结的行星运动规律的基础上发现了万有引力定律,
找出了行星运动的原因,A、C、D 项错.
2.[导学号 94770034] [解析]选 B.飞船受的万有引力等于在该处所受的重力,即
G Mm
(R+h)2
=mg,得 g= GM
(R+h)2
,选项 B 正确.
3.[导学号 94770035] [解析]选 C.由开普勒第三定律可知:r31
T21
=r32
T22
,解得T1
T2
= r31
r32
,
故 C 正确.
4.[导学号 94770036] [解析]选 A.把物体放到地球的中心时 r=0,此时万有引力定律
不再适用.由于地球关于球心对称,所以吸引力相互抵消,整体而言,万有引力为零.
5.[导学号 94770037] [解析]选 B.若地球质量为 M0,则“宜居”行星质量为 M=6.4M0,
由 mg=G Mm
r2
得
m0g
m0g′
=M0
r20
·r2
M
=600
960
所以 r
r0
= 600M
960M0
= 600×6.4M0
960M0
=2.
6.[导学号 94770038] [解析]选 D.小铁球之间的万有引力
F=G mm
(2r)2
=Gm2
4r2
大铁球半径是小铁球的 2 倍,其质量分别为
小铁球:m=ρV=ρ
4
3πr3
大铁球:M=ρV′=ρ[4
3π(2r)3]=8ρ·4
3πr3=8m
故两个大铁球间的万有引力
F′=G MM
(2R)2
=G
(8m)2
[2(2r)]2
=16Gm2
4r2
=16F.
7.[导学号 94770039] [解析]选 C.星球表面的物体满足 mg=GMm
R2
,即 GM=R2g,由
题中所给条件 M
R
= c2
2G
推出 GM=1
2Rc2,则 g= c2
2R
,代入数据解得 g=1012 m/s2,C 正确.
8.[导学号 94770040] [解析]选 BD.行星运动的规律是开普勒发现的,A 错误;卡文迪
许通过扭秤实验测出了万有引力常量,B 正确;伽利略最早指出力不是维持物体运动的原因,
C 错误;笛卡儿的《哲学原理》中以第一和第二自然定律的形式比较完整地第一次表述了惯
性定律:只要物体开始运动,就将继续以同一速度并沿着同一直线方向运动,直到遇到某种
外来原因造成的阻碍或偏离为止,为牛顿第一定律的建立做出了贡献,D 正确.
9.[导学号 94770041] [解析]选 AC.引力常量 G 是卡文迪许利用扭秤实验测得的,A
正确.当 r 趋近于零时,物体不能看成质点,F=G m1m2
r2
不再适用,所以由它得出的结论是
错误的,B 错误.m1、m2 之间的引力是一对相互作用力,它们大小相等,方向相反,但由
于分别作用在两个物体上,所以不能平衡.C 正确,D 错误.
10.[导学号 94770042] [解析]选 ACD.冬至地球与太阳的连线短,夏至长.根据开普
勒第二定律,要在相等的时间内扫过的面积相等,则在相等的时间内冬至时地球运动的路径
就要比夏至时长,所以冬至时地球运动的速度比夏至时速度大,只有 B 项正确.
11.[导学号 94770043] [解析]选 BC.由关系式 mg=GMm
r2
,得g′
g0
=R2
r2
,故 A 错误,B
正确;由于飞船中的人处于完全失重状态,人受到的万有引力全部用来提供其做圆周运动所
需的向心力,所以对台秤没有压力,C 正确,D 错误.
12.[导学号 94770044] [解析]选 AC.根据万有引力提供向心力可得
GMm
r2
=mv2
r
=mrω2=ma 向,
解得 v= GM
r
,ω= GM
r3
,a 向=GM
r2
,
恒星质量 M 变小,对小行星的引力变小,小行星做离心运动,半径 r 变大,由此可知,
小行星的速率、角速度、加速度均变小,A、C 项正确.
13.[导学号 94770045] [解析]物体受到的万有引力全部充当随地球做圆周运动的向心
力时,重力为零.
即GMm
R2
=m4π2R
T2 (3 分)
又GMm
R2
=mg (3 分)
联立解得:T=2π R
g
=2×3.14× 6.4×106
10
s
=5 024 s=1.4 小时. (4 分)
[答案]1.4 小时
14.[导学号 94770046] [解析](1)由 mg=GMm
R2
, (1 分)
得 g=GM
R2 . (1 分)
在地球上有 g=GM
R2
, (1 分)
在火星上有 g′=
G·1
9M
1
2R 2
, (1 分)
所以 g′=40
9 m/s2, (1 分)
那么宇航员在火星上所受的重力
mg′=50×40
9 N≈222.2 N. (1 分)
(2)在地球上,宇航员跳起的高度为 h=v20
2g (1 分)
即 1.5= v20
2×10
(1 分)
在火星上,宇航员跳起的高度 h′= v20
2g′
= v20
2×40
9
, (1 分)
解得 h′=3.375 m. (1 分)
[答案](1)222.2 N (2) 3.375 m
15.[导学号 94770047] [解析]当飞船做半径为 R 的圆周运动时,由开普勒第三定律知:
R3
T2
=k (2 分)
当飞船返回地面时,从 A 处降速后沿椭圆轨道至 B.设飞船沿椭圆轨道运动的周期为 T′,
椭圆的半长轴为 a,则
a3
T′2
=k (2 分)
可解得:T′=
a
R
3
·T (2 分)
由于 a=R+R0
2
,由 A 到 B 的时间 t=T′
2 (2 分)
所以 t=1
2
R+R0
2
3
R3 ·T=(R+R0)T
4R
R+R0
2R
. (2 分)
[答案](R+R0)T
4R
R+R0
2R
16.[导学号 94770048] [解析](1)飞船起飞前,对宇航员受力分析有 G=mg,
得 m=84 kg, (2 分)
在 h 高度处对宇航员受力分析,应用牛顿第二定律有
F-mg′=ma,得g′
g
=20
21. (4 分)
(2)根据万有引力定律公式,在地面处有
GMm
R2
=mg, (2 分)
在 h 高度处有 G Mm
(R+h)2
=mg′ (2 分)
解以上两式得 h=0.02R=128 km. (2 分)
[答案](1)g′
g
=20
21 (2)128 km
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