专题4-5 宇宙航行-2019高考物理一轮复习考点大通关
考点精讲
一、宇宙速度
1.第一宇宙速度(环绕速度)
(1)数值 v1=7.9 km/s,是人造卫星的最小发射速度,也是人造卫星最大的环绕速度.
(2)第一宇宙速度的计算方法
①由 G
Mm
R2=m
v2
R 得 v=
GM
R .
②由 mg=m
v2
R 得 v=.
2.第二宇宙速度(脱离速度):v2=11.2 km/s,使物体挣脱地球引力束缚的最小发射速度.
3.第三宇宙速度(逃逸速度):v3=16.7 km/s,使物体挣脱太阳引力束缚的最小发射速度.
二、人造卫星
1.卫星的轨道
(1)赤道轨道:卫星的轨道在赤道平面内,同步卫星就是其中的一种.
(2)极地轨道:卫星的轨道过南北两极,即在垂直于赤道的平面内,如极地气象卫星.
(3)其他轨道:除以上两种轨道外的卫星轨道,且轨道平面一定通过地球的球心.
2.地球同步卫星的特点
(1)轨道平面一定:轨道平面和赤道平面重合.
(2)周期一定:与地球自转周期相同,即 T=24 h=86 400 s.
(3)角速度一定:与地球自转的角速度相同.
(4)高度一定:据 G
Mm
r2 =m
4π2
T2 r 得 r=
GMT2
4π2 =4.23×104 km,卫星离地面高度 h=r-
R≈6R(为恒量).
(5)绕行方向一定:与地球自转的方向一致.
3.卫星的各物理量随轨道半径变化的规律
4.卫星运动中的机械能
(1)只在万有引力作用下卫星绕中心天体做匀速圆周运动和沿椭圆轨道运动,机械能均
守恒,这里的机械能包括卫星的动能和卫星(与中心天体)的引力势能.
(2)质量相同的卫星,圆轨道半径越大,动能越小,势能越大,机械能越大.
三、
1.解决天体圆周运动问题的两条思路
(1)在中心天体表面或附近而又不涉及中心天体自转运动时,万有引力等于重力,即 G
Mm
R2
=mg,整理得 GM=gR2,称为黄金代换.(g 表示天体表面的重力加速度)
(2)天体运动的向心力来源于天体之间的万有引力,即
G
Mm
r2=m
v2
r =mrω2=m
4π2r
T2 =man.
2.用好“二级结论”,速解参量比较问题
“二级结论”有:
(1)向心加速度 a∝
1
r2,r 越大,a 越小;
(2)线速度 v∝
1
r,r 越大,v 越小,r=R 时的 v 即第一宇宙速度(绕行天体在圆轨道上最
大的线速度,发射卫星时的最小发射速度);
(3)角速度ω∝
1
r3,r 越大,ω越小;
(4)周期 T∝,r 越大,T 越大.即“高轨低速周期长,低轨高速周期短”.
考点精练
题组 1 人造卫星
1.关于人造地球卫星,下列说法正确的是(已知地球半径为 6 400 km)( )
A.运行的轨道半径越大,线速度也越大
B.运行的速率可能等于 8.3 km/s
C.运行的轨道半径越大,周期也越大
D.运行的周期可能等于 80 min
【答案】C
2.如图所示,a、b、c、d 是在地球大气层外的圆形轨道上运行的四颗人造卫星.其中 a、c
的轨道相交于 P,b、d 在同一个圆轨道上.某时刻 b 卫星恰好处于 c 卫星的正上方,下列说
法中正确的是( )
A.a、c 的线速度大小相等,且小于 d 的线速度
B.b、c 的角速度大小相等,且小于 a 的角速度
C.a、c 的加速度大小相等,且大于 b 的加速度
D.b、c 的周期相等
【答案】C
【解析】根据 a、c 的轨道相交于 P,可知二者轨道半径相同,a、c 的线速度大小相等,且
大于 d 的线速度,选项 A 错误;b、c 的角速度大小不相等,选项 B 错误.a、c 的加速度大
小相等,且大于 b 的加速度,选项 C 正确;b 的周期大于 c 的周期,选项 D 错误。
3.关于人造地球卫星,下列说法正确的是(已知地球半径为 6 400 km)( )
A.运行的轨道半径越大,线速度也越大
B.运行的速率可能等于 8.3 km/s
C.运行的轨道半径越大,周期也越大
D.运行的周期可能等于 80 min
【答案】C
4.由于通讯和广播等方面的需要,许多国家发射了地球同步轨道卫星,这些卫星的( )
A.质量可以不同 B.轨道半径可以不同
C.轨道平面可以不同 D.速率可以不同
【答案】A
【解析】同步卫星轨道只能在赤道平面内,高度一定,轨道半径一定,速率一定,但质量可
以不同,A 项正确。
5.研究表明,地球自转在逐渐变慢,3 亿年前地球自转的周期约为 22 小时.假设这种趋势
会持续下去,地球的其他条件都不变,未来人类发射的地球同步卫星与现在的相比( )
A.距地面的高度变大 B.向心加速度变大
C.线速度变大 D.角速度变大
【答案】A
题组 2 三种宇宙速度
1.关于人造地球卫星的运行速度和发射速度,以下说法中正确的是( )
A.低轨道卫星的运行速度大,发射速度也大
B.低轨道卫星的运行速度大,但发射速度小
C.高轨道卫星的运行速度小,发射速度也小
D.高轨道卫星的运行速度小,但发射速度大
【答案】BD
【解析】对于人造地球卫星,其做匀速圆周运动的线速度由 G
Mm
r2=m
v2
r 得 v=
GM
r ,可看出线
速度随着半径的增大而减小.将卫星发射到越远的轨道上,所需要的发射速度就越大,故 B、
D 正确。
2.星球上的物体脱离星球引力所需要的最小速度称为第二宇宙速度。星球的第二宇宙速度
v2 与第一宇宙速度 v1 的关系是 v2=v1。已知某星球的半径为 r,它表面的重力加速度为地球
表面重力加速度 g 的 1/6。不计其他星球的影响。则该星球的第二宇宙速度为( )
A.
gr
3 B.
gr
6 C.
gr
3 D.
【答案】A
【解析】该星球的第一宇宙速度:G
Mm
r2=m1;在该星球表面处万有引力等于重力:G
Mm
r2=m
g
6;
由以上两式得 v1=
gr
6 ;则第二宇宙速度 v2=×
gr
6 =
gr
3 ,故 A 正确。
3.甲、乙为两颗地球卫星,其中甲为地球同步卫星,乙的运行高度低于甲的运行高度,两
卫星轨道均可视为圆轨道。以下判断正确的是( )
A.甲的周期大于乙的周期
B.乙的速度大于第一宇宙速度
C.甲的加速度小于乙的加速度
D.甲在运行时能经过北极的正上方
【答案】AC
4.若取地球的第一宇宙速度为 8 km/s,某行星的质量是地球的 6 倍,半径是地球的 1.5 倍,
该行星的第一宇宙速度约为( )
A.16 km/s B.32 km/s
C.4 km/s D.2 km/s
【答案】A 【解析】由
GMm
R2 =
mv2
R ,得 v=
GM
R =8 km/s,所以其第一宇宙速度 v=
G×6M
1.5R =
16 km/s。故 A 选项正确。
方法突破
方法 1 解决多个天体绕同一中心天体做匀速圆周运动的方法
诠释:多个天体或一个天体在不同轨道上围绕同一中心天体运动,可以从两个方面来考虑:
(1)万有引力提供向心力(2)开普勒第三定律。
题组 3 解决多个天体绕同一中心天体做匀速圆周运动的方法
1.如图所示,在同一轨道平面上的三个人造地球卫星 A、B、C 在某一时刻恰好在同一直线
上,下列说法正确的有( )
A.根据 v=,可知 vA
FB>FC
C.向心加速度 aA>aB>aC
D.运动一周后,C 先回到原地点
【答案】C
【解析】由
GMm
r2 =m
v2
r =ma 可得:v=
GM
r ,故 vA>vB>vC,故 A 错误;由 a=
GM
r2,可得 aA>aB>aC,
C 正确;万有引力 F=
GMm
r2 ,但不知各卫星的质量大小关系,无法比较 FA、FB、FC 的大小,
B 错误;由 T=
2πr
v 可知,C 的周期最大,最晚回到原地点,故 D 错误。
2.为了对火星及其周围的空间环境进行探测,我国于 2011 年 10 月发射第一颗火星探测器“萤
火一号”。假设探测器在离火星表面高度分别为 h1 和 h2 的圆轨道上运动时,周期分别为 T1
和 T2。火星可视为质量分布均匀的球体,且忽略火星的自转影响,万有引力常量为 G。仅
利用以上数据,可以计算出( )
A.火星的密度和火星表面的重力加速度
B.火星的质量和火星对“萤火一号”的引力
C.火星的半径和“萤火一号”的质量
D.火星表面的重力加速度和火星对“萤火一号”的引力
【答案】A
3.通常我们把太阳系中行星自转一周的时间称为“1 天”,绕太阳公转一周的时间称为“1
年”.与地球相比较,金星“1 天”的时间约是地球“1 天”时间的 243 倍.由此可知( )
A.金星的半径约是地球半径的 243 倍
B.金星的质量约是地球质量的 243 倍
C.地球的自转角速度约是金星自转角速度的 243 倍
D.地球表面的重力加速度约是金星表面重力加速度的 243 倍
【答案】C
【解析】 金星自转一周的时间为地球上的“243 天”,由ω=
2π
T 可知,地球的自转角速度约
是金星自转角速度的 243 倍,选项 C 正确;星球的半径、质量、表面重力加速度等无法计
算,选项 A、B、D 错误。
4.若有一颗“宜居”行星,其质量为地球的 p 倍,半径为地球的 q 倍,则该行星卫星的环绕
速度是地球卫星环绕速度的( )
A.倍 B.
q
p倍 C.
p
q倍 D.倍
【答案】C
【解析】由 G
Mm
R2=m
v2
R 可知,卫星的环绕速度 v=
GM
R ,由于“宜居”行星的质量为地球的 p 倍,
半径为地球的 q 倍,则有
v 宜
v 地=
R 地
R 宜=
1
q=
p
q,故 C 项正确。
5.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
5. 如图所示,若两颗人造卫星 a 和 b 均绕地球做匀速圆周运动,a、b 到地心 O 的距离分别
为 r1、r2,线速度大小分别为 v1、v2,则( )
A.
v1
v2=
r2
r1 B.
v1
v2=
r1
r2
C.
v1
v2=
r2
r12 D.
v1
v2=
r1
r22
【答案】A
【解析】对人造卫星,根据万有引力提供向心力
GMm
r2 =m
v2
r ,可得 v=
GM
r .所以对于 a、b 两
颗人造卫星有
v1
v2=
r2
r1,故选项 A 正确.
6.a、b、c、d 是在地球大气层外的圆形轨道上运行的四颗人造卫星.其中 a、c 的轨道相
交于 P,b、d 在同一个圆轨道上,b、c 的轨道在同一平面上.某时刻四颗卫星的运行方向
及位置如图所示.下列说法中正确的是( )
A.a、c 的加速度大小相等,且大于 b 的加速度
B.b、c 的角速度大小相等,且小于 a 的角速度
C.a、c 的线速度大小相等,且小于 d 的线速度
D.a、c 存在在 P 点相撞的危险
【答案】A
【解析】由图可知 a、c 的轨道半径大小相等,且小于 b、d 的轨道半径,由 G
Mm
r2=m
v2
r =mrω2
=mr
4π2
T2 =ma,可知 B、C 错误、A 正确;a、c 轨道相交,则轨道半径相等,则速率相等,
由图示位置可知 a、c 不会相撞,则以后也不会相撞,D 错误.
方法 2 解决不同天体绕各自中心天体做匀速圆周运动的方法
诠释:(1)万有引力提供向心力(2)天体的“黄金代换式”
题组 4 解决不同天体绕各自中心天体做匀速圆周运动的方法
1.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面上重力加速度的 4 倍,
则该星球质量是地球质量的( )
A.4 倍 B.8 倍
C.16 倍 D.64 倍
【答案】D
【解析】由 g=
GM
R2=πR3R2 =
4
3GρπR,可知 g∝R,即该星球半径是地球半径的 4 倍,由 M=ρ·
4
3πR3
可知该星球的质量是地球质量的 64 倍。
2.甲、乙两星球的平均密度相等,半径之比是 R 甲 R 乙=4 1,则同一物体在这两个星球
表面受到的重力之比是( )
A.1:1 B.4:1
C.1:16 D.1:64
【答案】B
【解析】由黄金代换式 g=
GM
R2可得 g 甲∶g 乙=M 甲·R
2
乙∶M 乙·R
2
甲,而 M=ρ·
4
3πR3.可以推得
mg 甲∶mg 乙=g 甲∶g 乙=R 甲∶R 乙=4∶1.故 B 选项正确。
3.如图所示,甲、乙两颗卫星以相同的轨道半径分别绕质量为 M 和 2M 的行星做匀速圆周
运动。下列说法正确的是( )
A.甲的向心加速度比乙的小
B.甲的运行周期比乙的小
C.甲的角速度比乙的大
D.甲的线速度比乙的大
【答案】A
4.火星探测项目是我国继神舟载人航天工程、嫦娥探月工程之后又一个重大太空探索项目。
假设火星探测器在火星表面附近圆形轨道运行的周期为 T1,神舟飞船在地球表面附近的圆
形轨道运行周期为 T2,火星质量与地球质量之比为 p,火星半径与地球半径之比为 q,则 T1
与 T2 之比为( )
A. B.
1
pq3 C.
p
q3 D.
q3
p
【答案】D
【解析】对火星探测器 G
2
1 =m1
2
1 R1 解得 T1=2π 1。对神舟飞船 G
2
2 =m2
2
2 R2 解得 T2=2π 2,
则
T1
T2=
M2
M1=
q3
p ,选项 D 正确。
5.“探路者”号宇宙飞船在宇宙深处飞行的过程中,发现 A、B 两颗均匀球形天体,两天体
各有一颗靠近其表面飞行的卫星,测得两颗卫星的周期相等,以下判断正确的是( )
A.两颗卫星的线速度一定相等 B.天体 A、B 的质量一定不相等
C.天体 A、B 的密度一定相等 D.天体 A、B 表面的重力加速度一定不相等
【答案】C
【解析】由 G
mM
R2=mR
2π
T 2,ρ=
M
V,V=
4
3πR3 可知卫星的周期 T 与天体的密度ρ成反比,两颗
卫星的周期相等,天体 A、B 的密度一定相等,选项 C 正确。
方法 3 在天体上搞“运动”
诠释:在某天体上做实验,即在天体上让物体参与某一种或多种运动形式。该天体表面处的
重力加速度是解决此类问题的突破口。
题组 5 在天体上搞“运动”
1.同重力场作用下的物体具有重力势能一样,万有引力场作用下的物体同样具有引力势能。
若取无穷远处引力势能为零,物体距星球球心距离为 r 时的引力势能为 Ep=-G
m0m
r (G 为
万有引力常量),设宇宙中有一个半径为 R 的星球,宇航员在该星球上以初速度 v0 竖直向上
抛出一个质量为 m 的物体,不计空气阻力,经 t 秒后物体落回手中,则( )
A.在该星球表面上以
2v0R
t 的初速度水平抛出一个物体,物体将不再落回星球表面
B.在该星球表面上以 2
v0R
t 的初速度水平抛出一个物体,物体将不再落回星球表面
C.在该星球表面上以
2v0R
t 的初速度竖直抛出一个物体,物体将不再落回星球表面
D.在该星球表面上以 2
v0R
t 的初速度竖直抛出一个物体,物体将不再落回星球表面
【答案】ABD
【解析】设该星球表面附近的重力加速度为 g′,物体竖直上抛运动有:0-v0=
g′t
2 ,在星
球表面有:mg′=G
m0m
R2 ,设绕星球表面做圆周运动的卫星的速度为 v1,则 m1=G
m0m
R2 ,联立
解得 v1=
2v0R
t ,A 正确;2
v0R
t >
2v0R
t ,B 正确;从星球表面竖直抛出物体至无穷远速度为
零的过程,有
1
2mv
2
2+Ep=0,即
1
2mv
2
2=G
m0m
R ,解得 v2=2
v0R
t ,C 错误,D 正确。
2.一物体从一行星表面某高度处自由下落(不计阻力)。自开始下落计时,得到物体离行星
表面高度 h 随时间 t 变化的图象如图所示,则根据题设条件可以计算出( )
A.行星表面重力加速度的大小
B.行星的质量
C.物体落到行星表面时速度的大小
D.物体受到行星引力的大小
【答案】AC
【解析】从题中图象看到,下落的高度和时间已知(初速度为 0),所以能够求出行星表面的
加速度和落地的速度,故 A、C 项正确;因为物体的质量未知,不能求出物体受到行星引力
的大小,又因为行星的半径未知,不能求出行星的质量,故 B、D 项错误。
3.模拟我国志愿者王跃曾与俄罗斯志愿者一起进行“火星 500”的实验活动.假设王跃登陆
火星后,测得火星的半径是地球半径的
1
2,质量是地球质量的
1
9。已知地球表面的重力加速度
是 g,地球的半径为 R,王跃在地面上能向上竖直跳起的最大高度是 h,忽略自转的影响,
下列说法正确的是( )
A.火星的密度为
2g
3πGR
B.火星表面的重力加速度是
2g
9
C.火星的第一宇宙速度与地球的第一宇宙速度之比为
2
3
D.王跃以与在地球上相同的初速度在火星上起跳后,能达到的最大高度是
9h
2
【答案】A
【解析】对地球表面质量为 m 的物体,由牛顿第二定律,有 G
Mm
R2=mg,则 M=
gR2
G ,火星
的密度为ρ=
R
3=
2g
3πGR,选项 A 正确;对火星表面质量为 m′的物体,由牛顿第二定律,有
G
R
2=m′g′,则 g′=
4g
9 ,选项 B 错误;火星的第一宇宙速度与地球的第一宇宙速度之比
v′1
v1 =
2=
2
3,选项 C 错误;王跃跳高时,分别有 h=
2
00 和 h′=
2
00,由以上各式解得,在火星上能
达到的最大高度是
9h
4 ,选项 D 错误。
4.我国自主研制的“嫦娥三号”携带“玉兔”月球车于 2013 年 12 月 2 日 1 时 30 分在西昌卫星
发射中心发射升空,落月点有一个富有诗意的名字——“广寒宫”.若已知月球的质量为 m 月,
半径为 R,引力常量为 G,则以下说法正确的是( )
A.若在月球上发射一颗绕月球做圆周运动的卫星,则最大运行速度为
R
Gm 月
B.若在月球上发射一颗绕月球做圆周运动的卫星,则最小周期为 2π
R
Gm 月
C.若在月球上以较小的初速度 v0 竖直上抛一个物体,则物体上升的最大高度为
2
00
D.若在月球上以较小的初速度 v0 竖直上抛一个物体,则物体从抛出到落回抛出点所用的时
间为
R2v0
Gm 月
【答案】C
方法 4 卫星变轨问题的分析方法
诠释:变轨运行分析(1)当 v 增大时,所需向心力 m
v2
r 增大,即万有引力不足以提供向心力,
卫星将做离心运动,脱离原来的圆轨道,轨道半径变大,但卫星一旦进入新的轨道运行,由
v=
GM
r 知其运行速度要减小,但重力势能、机械能均增加。(2)当卫星的速度突然减小时,
向心力
mv2
r 减小,即万有引力大于卫星所需的向心力,因此卫星将做向心运动,同样会脱离
原来的圆轨道,轨道半径变小,进入新轨道运行时由 v=
GM
r 知运行速度将增大,但重力势
能、机械能均减少。
1.从低轨变高轨(如图所示)
(1)在 P 点加速(短时)由圆轨道 1 进入椭圆轨道 2;
(2)在椭圆轨道 2 上远地点 Q 再短时加速进入圆轨道 3.
虽有两次短时加速,但卫星从近地点 P 到远地点 Q 的过程中引力做负功,由 v=
GM
r 知,卫星
的速度减小(动能减小、势能增大).
2.从高轨变低轨(如图所示)
(1)在轨道 3 上 Q 点短时制动减速由圆轨道 3 进入椭圆轨道 2;
(2)在轨道 2 上 P 点再短时制动减速进入圆轨道 1.
3.渐变转轨:在卫星受空气阻力作用轨道变化问题中,“空气阻力”是变轨的原因,一般分
析过程为:卫星在半径为 r1 的较高轨道上做圆周运动,v1=
GM
r1→空气阻力做负功→卫星动能
(速度)减小→致使 G
Mm
r2>m
v2
r →卫星做向心运动→轨道高度缓慢降低到半径为 r2 的圆轨道上
→重力做正功→卫星动能
GM
r2增大.实质上,卫星在稀薄空气阻力作用下的运动是机械能缓慢
减小、轨道半径缓慢减小、动能(速度)缓慢增大的运动.
题组 6 卫星变轨问题的分析方法
1.我国未来将建立月球基地,并在绕月轨道上建造空间站.如图所示,关闭动力的航天飞
机在月球引力作用下向月球靠近,并将与空间站在 B 处对接,已知空间站绕月轨道半径为 r,
周期为 T,万有引力常量为 G,下列说法中不正确的是( )
A.图中航天飞机正加速飞向 B 处
B.航天飞机在 B 处由椭圆轨道进入空间站轨道必须点火减速
C.根据题中条件可以算出月球质量
D.根据题中条件可以算出空间站受到月球引力的大小
【答案】D
2. 如图所示,1、3 轨道均是卫星绕地球做圆周运动的轨道示意图,1 轨道的半径为 R,2 轨
道是一颗卫星绕地球做椭圆运动的轨道示意图,3 轨道与 2 轨道相切于 B 点,O 点为地球球
心,AB 为椭圆的长轴,三轨道和地心都在同一平面内.已知在 1、2 两轨道上运动的卫星的
周期相等,引力常量为 G,地球质量为 M,三颗卫星的质量相等,则下列说法正确的是( )
A.卫星在 3 轨道上的机械能小于在 2 轨道上的机械能
B.若卫星在 1 轨道上的速率为 v1,卫星在 2 轨道 A 点的速率为 vA,则 v1<vA
C.若卫星在 1、3 轨道上的加速度大小分别为 a1、a3,卫星在 2 轨道 A 点的加速度大小为
aA,则 aA<a1<a3
D.若 OA=0.4R,则卫星在 2 轨道 B 点的速率 vB>
5GM
8R
【答案】 B
【解析】 2、3 轨道在 B 点相切,卫星在 3 轨道相对于 2 轨道是做离心运动的,卫星在 3 轨
道上的线速度大于在 2 轨道上 B 点的线速度,因卫星质量相同,所以卫星在 3 轨道上的机
械能大于在 2 轨道上的机械能,A 错误;以 OA 为半径作一个圆轨道 4 与 2 轨道相切于 A 点,
则 v4<vA,又因 v1<v4,所以 v1<vA,B 正确;加速度是万有引力产生的,只需要比较卫星
到地心的高度即可,应是 aA>a1>a3,C 错误;由开普勒第三定律可知,2 轨道的半长轴为
R,OB=1.6R,3 轨道上的线速度 v3=
5GM
8R ,又因 vB<v3,所以 vB<
5GM
8R ,D 错误.
3.如图所示,发射同步卫星的一般程序是:先让卫星进入一个近地的圆轨道,然后在 P 点
变轨,进入椭圆形转移轨道(该椭圆轨道的近地点为近地圆轨道上的 P,远地点为同步圆轨
道上的 Q),到达远地点 Q 时再次变轨,进入同步轨道。设卫星在近地圆轨道上运行的速率
为 v1,在椭圆形转移轨道的近地点 P 点的速率为 v2,沿转移轨道刚到达远地点 Q 时的速率
为 v3,在同步轨道上的速率为 v4,三个轨道上运动的周期分别为 T1、T2、T3,则下列说法正
确的是( )
A.在 P 点变轨时需要加速,Q 点变轨时要减速
B.在 P 点变轨时需要减速,Q 点变轨时要加速
C. T1v1>v4>v3
【答案】CD
【解析】卫星在椭圆形轨道的近地点 P 时做离心运动,所受的万有引力小于所需的向心力,
即
2
1v1,同理卫星在转移轨道上
Q 点做向心运动,可知 v3v4,由以上所述可知 D 选
项正确;由于轨道半径 R1
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