（完整版）高中物理天体运动真题

天体运动

1. 2017年12月，在距地球25光年的恒星“开普勒-90”周围，发现了其第8颗行星“开普勒90i”。它绕“开普勒90”公转的周期约为地球绕太阳公转周期的251，而其公转轨道半径约为地球公转轨道半径的8

1．则“开普勒90”的质量与太阳质量的比值约为（ ） A ．1：5 B ．1：4 C ．1：1 D ．2：1

2. 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

3. 我国高分系列卫星的高分辨对地观察能力不断提高。今年5月9日发射的“高分五号”轨道高度约为705km ，之前已运行的“高分四号”轨道高度约为36000km ，它们都绕地球做圆周运动。与“高分四号”相比，下列物理量中“高分五号”较小的是（ ）

A ．周期 B ．角速度 C ．线速度 D ．向心加速度

4. 2018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?m 2/kg 2．以周期T 稳定自转的星体的密度最小

值约为（ ）

A ．5×104kg/m3 B ．5×1012kg/m3 C ．5×1015kg/m3 D ．5×1018kg/m3

5. 为了探测引力波，“天琴计划”预计发射地球卫星P ，其轨道半径约为地球半径的16倍；另一地球卫星Q 的轨道半径约为地球半径的4倍。P 与Q 的周期之比约为（ ）

A ．2：1 B ．4：1 C ．8：1 D ．16：1

6. 若想检验“使月球绕地球运动的力”与“使苹果落地的力”遵循同样的规律，在已知月地距离约为地球半径60倍的情况下，需要验证（ ）

A ．地球吸引月球的力约为地球吸引苹果的力的260 1 B ．月球公转的加速度约为苹果落向地面加速度的260 1 C ．自由落体在月球表面的加速度约为地球表面的 61 D ．苹果在月球表面受到的引力约为在地球表面的60

1 7. 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100s 时，它们相距约400km ，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

8. 利用引力常量G 和下列某一组数据，不能计算出地球质量的是（ ）

A ．地球的半径及地球表面附近的重力加速度（不考虑地球自转的影响）

B ．人造卫星在地面附近绕地球做圆周运动的速度及周期 C ．月球绕地球做圆周运动的周期及月球与地球间的距离 D ．地球绕太阳做圆周运动的周期及地球与太阳间的距离 9. 已知地球质量为月球质量的81倍，地球半径约为月球半径的4倍。若在月球和地球表面同样高度处，以相同的初速度水平抛出物体，抛出点与落地点间的水平距离分别为s 月和s 地，则s 月：s 地约为（ ）

A ．9：4 B ．6：1 C ．3：2 D ．1：1

10.2017年4月，我国成功发射的天舟一号货运飞船与天宫二号空间实验室完成了首次交会对接，对接形成的组合体仍沿天宫二号原来的轨道（可视为圆轨道）运行．与天宫二号单独运行相比，组合体运行的（ ）

A ．周期变大 B ．速率变大 C ．动能变大 D ．向心加速度变大

11.“天舟一号”货运飞船于2017年4月20日在文昌航天发射中心成功发射升空，与“天宫二号”空间实验室对接前，“天舟一号”在距离地面约380km 的圆轨道上飞行，则其（ ）

A ．角速度小于地球自转角速度 B ．线速度小于第一宇宙速度 C ．周期小于地球自转周期

D ．向心加速度小于地面的重力加速度

12. 我国将发射“天宫二号”空间实验室，之后发射“神州十一号”飞船与“天宫二号”对接。假设“天宫二号”与“神州十一号”都围

绕地球做匀速圆周运动，为了实现飞船与空间实验室的对接，下列措施可行的是（ ）

A ．使飞船与空间实验室在同一轨道上运行，然后飞船加速追上空间实验室实现对接

B ．使飞船与空间实验室在同一轨道上运行，然后空间实验室减速等待飞船实现对接

C ．飞船先在比空间实验室半径小的轨道上加速，加速后飞船逐渐靠近空间实验室，两者速度接近时实现对接

D ．飞船先在比空间实验室半径小的轨道上减速，减速后飞船逐渐靠近空间实验室，两者速度接近时实现对接

13. 利用三颗位置适当的地球同步卫星，可使地球赤道上任意两点之间保持无线电通讯，目前地球同步卫星的轨道半径为地球半径的6.6倍，假设地球的自转周期变小，若仍仅用三颗同步卫星来实现上述目的，则地球自转周期的最小值约为（ ）

A ．1h B ．4h C ．8h D ．16h

14. 批复，自2016年起将4月24日设立为“中国航天日”。1970年4月24日

我国首次成功发射的人造卫星东方红一号，目前仍然在椭圆轨道上运行，其轨道近

地点高度约为440km ，远地点高度约为2060km ；1984年4月8日成功发射的东方

红二号卫星运行在赤道上空35786km 的地球同步轨道上。设东方红一号在远地点的

加速度为a 1，东方红二号的加速度为a 2，固定在地球赤道上的物体随地球自转的加

速度为a 3，则a 1、a 2、a 3的大小关系为（ ） A ．a 2＞a 1＞a 3

B ．a 3＞a 2＞a 1 C ．a 3＞a 1＞a 2 D ．a 1＞a 2＞a 3

15.如图所示，两质量相等的卫星A 、B 绕地球做匀速圆周运动，用R 、T 、E k 、S 分

别表示卫星的轨道半径、周期、动能、与地心连线在单位时间内扫过的面积。下列关

系式正确的有（ ） A ．T A ＞T B B ．E kA ＞E kB C ．S A =S B D ．2B 3B 2A 3 A T R T R

16.由于卫星的发射场不在赤道上，同步卫星发射后需要从转移轨道经过调整

再进入地球同步轨道．当卫星在转移轨道上飞经赤道上空时，发动机点火，

给卫星一附加速度，使卫星沿同步轨道运行．已知同步卫星的环绕速度约为

3.1×103m/s ，某次发射卫星飞经赤道上空时的速度为1.55×103m/s ，此时卫星

的高度与同步轨道的高度相同，转移轨道和同步轨道的夹角为30°，如图所示，

发动机给卫星的附加速度的方向和大小约为（ ） A ．西偏北方向，1.9×103m/s B ．东偏南方向，1.9×103m/s C ．西偏北方向，2.7×103m/s D ．东偏南方向，2.7×103m/s

17.如图，拉格朗日点L 1位于地球和月球连线上，处在该点的物体在地球和月球引力的共同作用下，可与月球一起以相同的周期绕地

球运动。据此，科学家设想在拉格朗日点L 1建立空间站，使其与月球同周期绕地球运动，以a 1、a 2分别表示该空间站和月球向心加速度的大小，a 3表示地球同步卫星向心加速度的大小。以下判断正确的是（ ）

A ．a 2＞a 3＞a 1 B ．a 2＞a 1＞a 3 C ．a 3＞a 1＞a 2 D ．a 3＞a 2＞a 1

18. 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

19. 如图所示，三颗质量均为m 的地球同步卫星等间隔分布在半径为r 的圆轨道上，设地球质量为M ，半径为R ．下列说法正确的是（ ）

A ．地球对一颗卫星的引力大小为2R ）（r GMm B ．一颗卫星对地球的引力小于 2r

GMm C ．两颗卫星之间的引力大小为22 r

3Gm D ．三颗卫星对地球引力的合力大小为2

r 3GMm 20. 迄今发现的二百余颗太阳系外行星大多不适宜人类居住，绕恒星“Gliese581”运行的行星“G1-58lc”却很值得我们期待．该行星的温度在O℃到40℃之间、质量是地球的6倍、直径是地球的1.5倍、公转周期为13个地球日．“Gliese581”的质量是太阳质量的0.31倍．设该行星与地球均视为质量分布均匀的球体，绕其中心天体做匀速圆周运动，则（ ）

A ．在该行星和地球上发射卫星的第一宇宙速度相同 B ．如果人到了该行星，其体重是地球上的23 2倍 C ．该行星与“Gliese581”的距离是日地距离的

36513倍 D ．由于该行星公转速率比地球大，地球上的米尺如果被带上该行星，其长度一定会变短

21. “北斗”卫星导航定位系统由地球静止轨道卫星（同步卫星）、中轨道卫星和倾斜同步卫星组成。地球静止轨道卫星和中轨道卫星都在圆轨道上运行，它们距地面的高度分别约为地球半径的6倍和3.4倍，下列说法中正确的是（ ）

A ．静止轨道卫星的周期约为中轨道卫星的2倍 B ．静止轨道卫星的线速度大小约为中轨道卫星的2倍 C ．静止轨道卫星的角速度大小约为中轨道卫星的7 1 D ．静止轨道卫星的向心加速度大小约为中轨道卫星的 7

1 22. a 是地球赤道上一栋建筑，b 是在赤道平面内作匀速圆周运动、距地面9.6×106m 的卫星，c 是地球同步卫星，某一时刻b 、c 刚好位于a 的正上方（如图甲所示），经48h ，a 、b 、c 的大致位置是图乙中的（取地球半径R=6.4×106m ，地球表面重力加速度g=10m/s 2，π= 10 ）（ ） A ． B ． C ． D ．

23. 宇宙飞船以周期为T 绕地球作圆周运动时，由于地球遮挡阳光，会经历“日全食”过程，如图所示。已知地球的

半径为R ，地球质量为M ，引力常量为G ，地球自转周期为T 0．太阳光可看作平行光，宇航员在A 点测出的张角为α，则（ ）

A ．飞船绕地球运动的线速度为2αTsin 2R π B ．一天内飞船经历“日全食”的次数为0T T C ．飞船每次“日全食”过程的时间为

2παT 0 D ．飞船周期为T=2αGMsin R 2αsin 2R π

24.2013年我国相继完成“神十”与“天宫”对接，“嫦娥”携“玉兔”落月两大航天工程，某航天爱好者提出“玉兔”回家的设想：如图，将携带“玉兔”的返回系统由月球表面发射到h 高度的轨道上，

与在该轨道绕月球做圆周运动的飞船对接，然后由飞船送“玉兔”返回地球，设“玉兔”质量为m ，月球半径为R ，月面的重力加速度为g 月．以月面为零势

能面，“玉兔”在h 高度的引力势能可表示为E p = ）

h R （R GMmh +，其中G 为引力常量，M 为月球质量，若忽略月球的自转，从开始发射到对接完成需要对“玉兔”做的功为（ ）

A ． 2R ）（h h

R R mg 月++ B ． ）R 2h （h R R mg 月++ C ． ）R 2

2h （h R R mg 月++ D ． ）R 2

1h （h R R mg 月++ 24. 石墨烯是近些年发现的一种新材料，其超高强度及超强导电、导热等非凡的物理化学性质有望使21世纪的世界发生性变化，其发现者由此获得2010年诺贝尔物理学奖．用石墨烯制作超级缆绳，人类搭建“太空电梯”的梦乡有望在本世纪实现．科学家们设想，通过地球同步轨道站向地面垂下一条缆绳至赤道基站，电梯沿着这条缆绳运行，实现外太空和地球之间便捷的物资交换．

（1）若“太空电梯”将货物从赤道基站运到距地面高度为h 1的同步轨道站，求轨道站内质量为m 1的货物相对地心运动的动能．设地球自转角速度为ω，地球半径为R ．

（2）当电梯仓停在距地面高度h 2=4R 的站点时，求仓内质量m 2=50kg 的人对水平地板的压力大小．取地面附近重力加速度g=10m/s 2，地球自转角速度ω=7.3×10-5rad/s ，地球半径R=6.4×103km ．

25. 万有引力定律揭示了天体运动规律与地上物体运动规律具有内在的一致性．

（1）用弹簧秤称量一个相对于地球静止的小物体的重量，随称量位置的变化可能会有不同的结果．已知地球质量为M ，自转周期为T ，万有引力常量为G ．将地球视为半径为R 、质量均匀分布的球体，不

考虑空气的影响．设在地球北极地面称量时，弹簧秤的读数是F 0

a ．若在北极上空高出地面h 处称量，弹簧秤读数为F 1，求比值01F F 的表达式，并就h=1.0%R 的情形算出具体数值（计算结果保留两位有效数字）；

b ．若在赤道地面称量，弹簧秤读数为F 2，求比值0

2F F 的表达式． （2）设想地球绕太阳公转的圆周轨道半径为r 、太阳的半径为R s 和地球的半径R 三者均减小为现在的1.0%，而太阳和地球的密度均匀且不变．仅考虑太阳和地球之间的相互作用，以现实地球的1年为标准，计算“设想地球”的一年将变为多长？

26. 如图所示为“嫦娥三号”探测器在月球上着陆最后阶段的示意图，首先在发动机作用下，探测器受到推力在距月面高度为h 1处悬停（速度为0，h 1远小于月球半径），接着推力改变，探测器开始竖直下降，到达距月面高度为h 2处的速度为v ，此后发动机关闭，探测器仅受重力下落至月面．已知探测器总质量为m （不包括燃料），地球和月球的半径比为k 1，质量比为k 2，地球表面附近的重力加速度为g ，求：

（1）月球表面附近的重力加速度大小及探测器刚接触月球时的速度大小；

（2）从开始竖直下降到接触月面时，探测器机械能的变化． 27. 如图所示，质量分别为m 和M 的两个星球A 和B 在引力作用下都绕O 点做匀速圆周运动，星球A 和B 两者中心之间的距离为L ．已知A 、B 的中心和O 三点始终共线，A 和B 分别在O 的两侧，引力常数为G 。

（1）求两星球做圆周运动的周期；

（2）在地月系统中，若忽略其它星球的影响，可以将月球和地球看成上述星球A 和B ，月球绕其轨道中心运行的周期记为T 1．但在近似处理问题时，常常认为月球是绕地心做圆周运动的，这样算得的运行周期记为T 2．已知地球和月球的质量分别为5.98×1024 kg 和7.35×1022 kg ．求T 2与T 1两者平方之比。（结果保留3位小数）

28. 卡文迪许利用如图所示的扭秤实验装置测量了引力常量G 。

（1）（多选题）为了测量石英丝极微小的扭转角，该实验装置中采取使“微小量放大”的主要措施是

（A ）减小石英丝的直径 （B ）增大T 型架横梁的长度 （C ）利用平面镜对光线的反射 （D ）增大刻度尺与平面镜的距离

（2）已知T 型架水平横梁长度为l ，质量分别为m 和m’的球，位于同一水平面内，

当横梁处于力矩平衡状态时，测得m 、m’连线长度为r ，且与水平横梁垂直，同时

测得石英丝的扭转角度为θ，由此得到扭转力矩kθ（k 为扭转系数且已知），则引

力常量的表达式G=__________。

29. 如图，P 、Q 为某地区水平地面上的两点，在P 点正下方一球形区域内储藏有石油，假定区域周围岩石均匀分布，

密度为ρ；石油密度远小于ρ，可将上述球形区域视为空腔。如果没有这一空腔，则该地区重力加速度（正常值）沿竖直方向；当存在空腔时，该地区重力加速度的大小和方向会与正常情况有微小偏离。重力加速度在原竖直方向（即PO方向）上的投影相对于正常值的偏离叫做“重力加速度反常”。为了探寻石油区域的位置和石油储量，常利用P点附近重力加速度反常现象。已知引力常数为G。

（1）设球形空腔体积为V，球心深度为d（远小于地球半径），PQ=x，求空腔所引起的Q点处的重力加速度反常。（2）若在水平地面上半径L的范围内发现：重力加速度反常值在δ与kδ（k＞1）之间变化，且重力加速度反常的最大值出现在半径为L的范围的中心，如果这种反常是由于地下存在某一球形空腔造成的，试求此球形空腔球心的深度和空腔的体积。

30.2008年12月，天文学家们通过观测的数据确认了银河系的黑洞“人马座A*”的质量与太阳质量的倍数关系．研究发现，有一星体S2绕人马座A*做椭圆运动，其轨道半长轴为9.50×102天文单位

（地球公转轨道的半径为一个天文单位），人马座A*就处在该椭圆的一个焦点上．观测得到S2星的运行周期为15.2年．

（1）若将S2星的运行轨道视为半径r=9.50×102天文单位的圆轨道，试估算人马座A*的质量M A是太阳质量M s的多少倍（结果保留一位有效数字）；

（2）黑洞的第二宇宙速度极大，处于黑洞表面的粒子即使以光速运动，其具有的动能也不足以克服黑洞对它的引力束缚．由于引力的作用，黑洞表面处质量为m的粒子具有势能为E p=-GMmR（设粒子在离黑洞无限远处的势能为零），式中M、R分别表示黑洞的质量和半径．已知引力常量G=6.7×10-11N?m2/kg2，光速c=3.0×108m/s，太阳质量M s=2.0×1030kg，太阳半径R s=7.0×108m，不考虑相对论效应，利用上问结果，在经典力学范围内求人马座A*的半径R A与太阳半径R g之比应小于多少（结果按四舍五入保留整数）．

31.神奇的黑洞是近代引力理论所预言的一种特殊天体，探寻黑洞的方案之一是观测双星系统的运动规律．天文学家观测河外星系大麦哲伦云时，发现了LMCX-3双星系统，它由可见星A和不可见的暗星B构成．将两星视为质点，不考虑其他天体的影响，A、B围绕两者连线上的O点做匀速圆周运动，它们之间的距离保持不变，（如图）所示．引力常量为G，由观测能够得到可见星A的速率v和运行周期T．

（1）可见星A所受暗星B的引力F A可等效为位于O点处质量为m′的星体（视为质点）对它的引力，设A和B的质量分别为m1、m2，试求m′（用m1、m2表示）；

（2）求暗星B的质量m2与可见星A的速率v、运行周期T和质量m1之间的关系式；

（3）恒星演化到末期，如果其质量大于太阳质量m s的2倍，它将有可能成为黑洞．若可见星A的速率v=2.7×105 m/s，运行周期T=4.7π×104s，质量m1=6m s，试通过估算来判断暗星B有可能是黑洞吗？（G=6.67×10-11N?m2/kg2，m s=2.0×1030 kg）

32.一宇航员到达半径为R、密度均匀的某星球表面，做了如下实验：用不可伸长的轻

绳拴一质量为m 的小球，上端固定于O 点，如图甲所示，在最低点给小球某一初速度，使其绕O 点的竖直面内做圆周运动，测得绳的拉力F 大小随时间t 的变化规律如图乙所示。F 1=4F 2，设R 、m 、引力常量G 和F 1为已知量，忽略各种阻力。则下列说法正确的是（ ）

A ．该星球表面的重力加速度为4m F 1 B ．卫星绕该星球的第一宇宙速度为 R Gm C ．星球的密度为32GmR π 3F 1 D ．小球过最高点的最小速度为0

33. 科技日报北京2017年9月6日电，英国《自然?天文学》杂志发表的一篇论文称，某科学家在银河系中心附近的一团分子气体云中发现了一个黑洞。科学研究表明，当天体的逃逸速度（即第二宇宙速度，为第一宇宙速度的2倍）超过光速时，该天体就是黑洞。己知某天体与地球的质量之比为k 。地球的半径为R ，地球卫星的环绕速度（即第一宇宙速度）为v 1，光速为c ，则要使该天体成为黑洞，其半径应小于（ ）

A ．221kc R v B ．221c R 2kv C ．22

1c R kv D ．212v R 2kc 34.2016年10月19日，我国发射的“神舟十一号”载人飞船与“天宫二号”空间实验室成功实现交会对接。随后，航天员景海鹏、陈冬先后进入“天宫二号”空间实验室，开启30天的太空生活，将在舱内按计划开展相关空间科学实验和技术试验。假设对接前“天宫二号”与“神舟十一号”在同一轨道围绕地球做匀速圆周运动，轨道距地面高度为h ，如图所示。已知地球的质量为M ，地球的半径为R ，引力常量为G 。

（1）求“天宫二号”在轨道上做圆周运动的线速度大小v 。 （2）若“神舟十一号”在图示位置，欲与前方的“天宫二号”对接，只通过向后方喷气能否实现成功对接？请说明理由。

（3）在牛顿力学体系中，当两个质量分别为m 1、m 2的质点相距为r 时具有的势能，称为引力势能，其大小为E p =- r m Gm 21

（规定无穷远处势能为零）。试证明“天宫二号”的机械能与-h

R 1 成正比。（R+h 为“天宫二号”圆周运动的轨道半径） 35.如图所示，宇航员站在某质量分布均匀的星球表面一斜坡上P 点沿水平方向以初速度v 0抛出一个小球，测得小

球经时间t 落到斜坡上另一点Q ，斜面的倾角为α，已知该星球半径为R ，万有引力常量为G ，求：

（1）该星球表面的重力加速度； （2）该星球的密度；

（3）人造卫星绕该星球表面做匀速圆周运动的周期T 。 36. 英国某媒体推测：在2020年之前，人类有望登上火星，而登上火星的第一人很可能是中国人。假如你有幸成为人类登陆火星的第一人，乘坐我国自行研制的、代表世界领先水平的神舟x 号宇宙飞船，通过长途旅行，可以亲眼目睹美丽的火星。为了熟悉火星的环境，你的飞船绕火星做匀速圆周运动，离火星表面的高度为H ，飞行了n 圈，测得所用的时间为t ，已知火星半径为R 。

（1）试求火星表面的重力加速度g 。

（2）登陆火星后，假设荡秋千是你喜爱的一项体育活动，（可将人视为质点，秋千质量不计、摆长不变、摆角小于90°）当你经过最低位置的速度为v 0，你能上升的最大高度是多少？

37. 有人设想：可以在飞船从运行轨道进入返回地球程序时，借飞船需要减速的机会，发射一个小型太空探测器，从而达到节能的目的．如图所示，飞船在圆轨道℃上绕地球飞行，其轨道半径为地球半径的k 倍（k ＞1）．当飞船通过轨道℃的A 点时，飞船上的发射装置短暂工作，将探测器沿飞船原运动方向射出，并使探测器恰能完全脱离地球的引力范围，即到达距地球无限远时的速度恰好为零，而飞船在发射探测器后沿椭圆轨道℃向前运动，其近地点B 到地心的距离近似为地球半径R ．以上过程中飞船和探测器的质量均可视为不变．已知地球表面的重力加速度为g ．

（1）求飞船在轨道℃运动的速度大小；

（2）若规定两质点相距无限远时引力势能为零，则质量分别为

M 、m 的两个质点相距为r 时的引力势能Ep=-

r

GMm ，式中G 为引力常量．在飞船沿轨道℃和轨道℃的运动过程，其动能和引力势能之和保持不变；探测器被射出后的运动过程中，其动能和引力势能之和也保持不变．

℃求探测器刚离开飞船时的速度大小；

℃已知飞船沿轨道℃运动过程中，通过A 点与B 点的速度大小与这两点到地心的距离成反比．根据计算结果说明为实现上述飞船和探测器的运动过程，飞船与探测器的质量之比应满足什么条件．