2021新高考物理二轮总复习热点情境预测练 热点五　航天技术类 Word版含解析

2021新高考物理二轮总复习热点情境预测练 热点五　航天技术类 Word版含解析

www.ks5u.com 热点五　航天技术类 背景资料 一、火箭发射技术 资料一　中国的航天事业起步于20世纪五六十年代。1970年4月24日,第一颗人造地球卫星“东方红”1号在酒泉发射成功,中国成为世界上第五个发射卫星的国家。近10年来,中国的航天科技取得了举世瞩目的成就,在卫星发射技术、探月技术和载人航天方面有着国际领先水平。中国的“长征”系列火箭是世界上发射成功率最高的运载火箭之一,可与美国的“大力神”和俄罗斯的“质子”系列火箭相媲美。‎ 二、空间站建设 资料二　中国在2011年9月29日发射了天宫一号目标飞行器。天宫一号分别与随后发射的神舟八号、神舟九号、神舟十号飞船交会对接。2016年9月15日22时04分12秒在酒泉卫星发射中心成功发射天宫二号空间实验室。2017年,天舟一号货运飞船与天宫二号对接。从而使中国掌握了交会对接技术,为开展中国的空间站建设奠定了基础。‎ ‎2020年6月初,中国国家航天局公布了建设空间站的新计划。‎ 三、探月工程 资料三　中国探月工程分“绕、落、回”三步走,2019年1月3日,嫦娥四号探测器成功着陆在月球背面,标志着绕月和落月任务已圆满完成。嫦娥五号将完成我国探月工程三步走中“回”的任务。嫦娥五号将突破一系列关键技术,并携带月球岩石样本回到地球。嫦娥五号探测器全重8.2吨,由轨道器、返回器、着陆器、上升器四个部分组成。‎ 四、中国北斗卫星导航系统 资料四　2020年6月23日,北斗三号最后一颗全球组网卫星在西昌卫星发射中心点火升空。这颗在北斗卫星家族排名55位的北斗三号最后一星,也是北斗三号系列的第三颗地球同步轨道卫星。‎ 中国北斗卫星导航系统是中国自行研制的全球卫星导航系统。北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成,可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务,并具有短报文通信能力,已经具备区域导航、定位和授时能力,定位精度10米,测速精度0.2米/秒,授时精度10纳秒。‎ 五、天问一号、天眼、黑洞、宇宙探索 资料五　2020年4月24日第五个中国航天日启动仪式上,国家航天局正式发布备受瞩目的中国首次火星探测任务被命名为“天问一号”。火星是太阳系中距离地球较近、自然环境与地球最为类似的行星之一,一直以来都是人类深空探测的热点。‎ 资料六　由我国天文学家南仁东于1994年提出构想,历时22年建成的500米口径球面射电望远镜被誉为“中国天眼”,于2016年9月25日落成启用。它是由中国科学院国家天文台主导建设,具有我国自主知识产权、世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜。综合性能是著名的射电望远镜阿雷西博的十倍。截至2019年8月28日,500米口径球面射电望远镜已发现132颗优质的脉冲星候选体,其中有93颗已被确认为新发现的脉冲星。2020年1月11日,500米口径球面射电望远镜通过国家验收,正式投入运行。‎ ‎2019年11月28日凌晨,国际科学期刊《自然》发布了中国科学院国家天文台刘继峰、张昊彤研究团队的一项重大发现。依托我国自主研制的国家重大科技基础设施郭守敬望远镜(LAMOST),研究团队发现了一颗迄今为止质量最大的恒星级黑洞,并提供了一种利用LAMOST巡天优势寻找黑洞的新方法。这颗70倍太阳质量的黑洞远超理论预言的质量上限,颠覆了人们对恒星级黑洞形成的认知,有望推动恒星演化和黑洞形成理论的革新。‎ 命题预测 ‎【预测1】(2020北京卷)【考查角度:宇宙速度】我国首次火星探测任务被命名为“天问一号”。已知火星质量约为地球质量的10%,半径约为地球半径的50%,下列说法正确的是(　　)‎ A.火星探测器的发射速度应大于地球的第二宇宙速度 B.火星探测器的发射速度应介于地球的第一和第二宇宙速度之间 C.火星的第一宇宙速度大于地球的第一宇宙速度 D.火星表面的重力加速度大于地球表面的重力加速度 ‎【预测2】【考查角度:同步卫星、圆周运动追及相遇问题、万有引力与重力的关系问题】2020年6月23日,北斗三号最后一颗全球组网卫星在西昌卫星发射中心点火升空,它是北斗三号系列的第三颗地球同步轨道卫星(GEO卫星)。‎ ‎(1)若已知地球的平均半径为R0,自转周期为T0,地表的重力加速度为g,试求这颗同步卫星的轨道半径R;‎ ‎(2)有一颗与上述同步卫星在同一轨道平面的低轨道卫星,自西向东绕地球运行,其运行半径为同步轨道半径R的四分之一,试求该卫星的周期T是多少?该卫星至少每隔多长时间才在同一城市的正上方出现一次。(计算结果只能用题中已知物理量的字母表示)‎ ‎(3)若已知地球质量M=6.0×1024 kg,地球半径R=6 400 km,其自转周期T=24 h,引力常量G=6.67×10-11 N·m2/kg2。在赤道处地面有一质量为m的物体A,用W0表示物体A在赤道处地面上所受的重力,F0表示其在赤道处地面上所受的万有引力。请求出F‎0‎‎-‎W‎0‎F‎0‎的值(结果保留1位有效数字),并以此为依据说明在处理万有引力和重力的关系时,为什么经常可以忽略地球自转的影响。‎ ‎【预测3】‎ 甲 ‎(2020北京高三模拟)【考查角度:结合嫦娥四号、拉格朗日点考查动量定理及圆周运动等综合问题】2019年1月3日,嫦娥四号探测器成功着陆在月球背面,并通过“鹊桥”中继卫星传回了世界上第一张近距离拍摄月球背面的图片。此次任务实现了人类探测器首次在月球背面软着陆、首次在月球背面通过中继卫星与地球通信,因而开启了人类探索月球的新篇章。‎ ‎(1)为了尽可能减小着陆过程中月球对飞船的冲击力,探测器在距月面非常近的距离h处才关闭发动机,此时速度相对月球表面竖直向下,大小为v,然后仅在月球重力作用下竖直下落,接触月面时通过其上的“四条腿”缓冲,平稳地停在月面,缓冲时间为t,如图甲所示。已知月球表面附近的重力加速度为g0,探测器质量为m0,求:‎ ‎①探测器与月面接触前瞬间相对月球表面的速度v'的大小。‎ ‎②月球对探测器的平均冲击力F的大小。‎ ‎(2)探测器在月球背面着陆的难度要比在月球正面着陆大很多,其主要的原因在于:由于月球的遮挡,着陆前探测器将无法和地球之间实现通信。2018年5月,我国发射了一颗名为“鹊桥”的中继卫星,在地球和月球背面的探测器之间搭了一个“桥”,从而有效地解决了通信的问题。为了实现通信和节约能量,“鹊桥”的理想位置就是围绕“地—月”系统的一个拉格朗日点运动,如图乙所示。所谓“地—月”系统的拉格朗日点是指空间中的某个点,在该点放置一个质量很小的天体,该天体仅在地球和月球的万有引力作用下保持与地球和月球的相对位置不变。‎ 乙 ‎①设地球质量为M,月球质量为m,地球中心和月球中心间的距离为L,月球绕地心运动,图乙中所示的拉格朗日点到月球球心的距离为r,请写出r与M、m与L之间的关系式。‎ 丙 ‎②地球和太阳组成的“日—地”系统同样存在拉格朗日点,图丙为“日—地”系统示意图,请在图中太阳和地球所在直线上用符号“*”标记出几个可能为拉格朗日点的大概位置。‎ ‎【预测4】【考查角度:结合万有引力与牛顿定律、功能关系的综合问题】嫦娥三号接近月球表面过程可简化为三个阶段:一、距离月球表面一定的高度以v=1.7 km/s的速度环绕运行,此时,打开推力发动机减速,下降到距月球表面H=100 m高处时悬停,寻找合适落月点;二、找到落月点后继续下降,距月球表面h=4 m时速度再次减为0;三、此后,关闭所有发动机,使它做自由落体运动落到月球表面。已知嫦娥三号着陆时的质量为1 200 kg,月球表面重力加速度g'为1.6 m/s2,月球半径为R,引力常量为G,(计算保留2位有效数字)求:‎ ‎(1)月球的质量(用g'、R、G字母表示)。‎ ‎(2)从悬停在100 m处到落至月球表面,发动机对嫦娥三号做的功。‎ ‎(3)从v=1.7 km/s到悬停,若用10分钟时间,设轨迹为直线,则减速过程的平均加速度为多大?若减速接近悬停点的最后一段,在垂直月面的方向下落,且加速度大小为上述减速过程的平均值,求此时发动机的平均推力为多大。‎ ‎【预测5】(2020河南高三模拟)【考查角度:测量天体质量和密度】被誉为“中国天眼”的射电望远镜FAST自工作以来,已经发现一百多颗脉冲星,为我国天文观测做出了巨大的贡献。脉冲星实质是快速自转的中子星,中子星每自转一周,它的磁场就会在空间划一个圆,而且扫过地球一次,地球就会接收到一个射电脉冲。若观测到某个中子星的射电脉冲周期为T,中子星的半径为R,引力常量为G,则下列说法正确的是(　　)‎ A.中子星的质量为‎4‎π‎2‎R‎3‎GT‎2‎ B.中子星的密度为‎3πGT‎2‎ C.中子星的第一宇宙速度为‎2πRT D.若上述中子星赤道上的物体恰好处于完全失重状态,则该中子星的密度为‎3πGT‎2‎ ‎【预测6】(2020河南高三模拟)【考查角度:黑洞、双星问题】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,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Fa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。‎ 素养点拨通过前面的专题复习我们知道天体运动规律及万有引力定律的应用是高考每年必考内容,考查方向很广泛;在备考中要注重复习解答天体运动的思路。‎ 从前面几个典例预测我们看到,站在新高考的角度,除了要关注“从天体质量或密度的计算、行星运动规律的分析,到同步卫星、双星、宇宙速度的求解、变轨问题”这些动力学问题外,还要多关注一些涉及功能关系和动量的新情境问题,关注宇宙认识的前沿知识点,关注近几年我国及世界空间技术和宇宙探索为背景的题目。‎ 总　结 随着新课程标准进一步实施和高考评价体系的推行,高考越来越强调应用所学知识对自然现象进行系统的分析和多角度、多层次的描述,多与高科技以及科学前沿相结合,多与生产生活实际结合,即所谓新情境问题,如:卫星登陆、黑洞探寻、暗物质和宇宙起源、探索反物质、太阳同步轨道、质谱仪,速度选择器,回旋加速器、交通运输、通信、物联、自动控制等问题。该类试题往往以信息给予的方式命题。‎ 新情境问题,虽然“新”,然而同样是依赖于我们熟悉的基础知识,一般具有“起点高,落点低”的特点,因此在处理这类问题时应做到:不要紧张,仔细分析,逐步解决。‎ ‎1.解此类问题的一般思路 ‎(1)读懂问题的情境,在问题给出的信息中,提取有用信息,把实际问题转化为正确的物理模型;(2)合理选取对象;(3)分析对象的受力情况和运动情况;(4)运用牛顿定律和运动学的规律列式求解。具体流程如下:‎ 明确物理情境→创建物理模型→转化为数学问题→还原为物理结论 ‎2.重点破解 解这类问题流程中,根据问题的情境创建出物理模型,即把实际问题转化为物理问题,是最关键的、也是较困难的环节,为实现这一转化,应重视以下几点:‎ ‎(1)应从最基本的概念、规律和方法出发考虑问题。以实际情境立意的题目,往往不落俗套、不同于常见题型,由“题海”中总结出来的套路一般很难应用。这时应从最基本的概念、规律和方法出发分析、思考。‎ ‎(2)要树立提出疑问,并探求结果的意识。面对题目给出的实际现象,应能抓住现象的本质特征,找出原因,抓住了因果联系,实际上就是找到了解题思路,向物理问题的转化也就自然实现了。‎ ‎(3)要画示意图,而且要选好的角度。这可以大大降低思考的难度,尤其对于空间想象能力要求较高的题目。‎ ‎(4)要重视课本的阅读教材及有关的科普知识。平时要认真读好课本和课后阅读教材及小实验的内容,在报刊中找些与之相关的材料阅读。经常性、针对性搜集与中学物理知识相关的科普材料进行阅读理解。根据这些材料自己试编、试解应用型试题,从中体会到这种题型的特点和规律,做到融会贯通。‎ 参考答案 热点五　航天技术类 ‎【预测1】A　解析当发射速度大于第二宇宙速度时,探测器将脱离地球的引力在太阳系的范围内运动,火星在太阳系内,所以火星探测器的发射速度应大于第二宇宙速度,故A正确;第二宇宙速度是探测器脱离地球的引力到太阳系中的临界条件,当发射速度介于地球的第一和第二宇宙速度之间时,探测器将围绕地球运动,故B错误;万有引力提供向心力,则有GMmR‎2‎‎=‎mv‎1‎‎2‎R,解得第一宇宙速度为v1=GMR,所以火星的第一宇宙速度为v火=‎10%‎‎50%‎v地=‎5‎‎5‎v地,所以火星的第一宇宙速度小于地球的第一宇宙速度,故C错误;万有引力近似等于重力,则有GMmR‎2‎=mg,解得火星表面的重力加速度g火=GM火R火‎2‎‎=‎‎10%‎‎(50%‎‎)‎‎2‎g地=‎2‎‎5‎g地,所以火星表面的重力加速度小于地球表面的重力加速度,故D错误。‎ ‎【预测2】答案(1)R=‎3‎gR‎0‎‎2‎T‎0‎‎2‎‎4‎π‎2‎　(2)T'=T‎0‎‎8‎,t=T‎0‎‎7‎　(3)F‎0‎‎-‎W‎0‎F‎0‎=3×10-3　原因见解析 解析(1)设地球的质量为M,同步卫星的质量为m,运动周期为T,因为卫星做圆周运动的向心力由万有引力提供,故GMmR‎2‎=m‎2πT2R①‎ 同步卫星T=T0②‎ 而在地表面mg=GMmR‎0‎‎2‎③‎ 由①②③式解得R=‎‎3‎gR‎0‎‎2‎T‎0‎‎2‎‎4‎π‎2‎ ‎(2)由①式可知T2∝R3,设低轨道卫星的周期为T',‎T‎'‎‎2‎T‎2‎‎=‎‎(R‎4‎)‎‎ ‎‎3‎R‎3‎ 解得T'=‎T‎0‎‎8‎ 设卫星每隔t时间在同一地点的正上方出现一次,根据圆周运动规律可得‎2πT'‎t=2π+‎2πT‎0‎t 解得t=‎T‎0‎‎7‎ ‎(3)物体A在赤道处地面上所受的万有引力F0=GMmR‎2‎ 对于物体A在赤道处地面上随地球运动的过程,设其所受地面的支持力为FN,根据牛顿第二定律有:‎ F0-FN=m‎4‎π‎2‎T‎2‎R 物体A此时所受重力的大小为:‎ W0=FN=GMmR‎2‎-m‎4‎π‎2‎T‎2‎R 所以F‎0‎‎-‎W‎0‎F‎0‎‎=‎m‎4‎π‎2‎T‎2‎RGMmR‎2‎ 代入数据解得:F‎0‎‎-‎W‎0‎F‎0‎=3×10-3‎ 这一计算结果说明,地球自转对物体所受重力与所受地球引力大小差别的影响很小,所以通常情况下可以忽略地球自转造成的地球引力与重力大小的区别。‎ ‎【预测3】答案(1)①‎v‎2‎‎+2g‎0‎h ‎②m‎0‎tv‎2‎‎+2g‎0‎h+m0g0　(2)①mr‎2‎‎+M‎(L+r‎)‎‎2‎=‎ML‎3‎(L+r)　②见解析 解析(1)①由运动学公式v'2-v2=2g0h得v'=‎v‎2‎‎+2g‎0‎h ‎②设平均冲击力为F,以竖直向上为正方向,据动量定理得 ‎(F-m0g0)t=0-(-m0v')‎ 解得F=m‎0‎tv‎2‎‎+2g‎0‎h+m0g0‎ ‎(2)①设在图中的拉格朗日点有一质量为m'的物体(m'≪m),则月球对其的万有引力F1=Gmm'‎r‎2‎ 地球对其的万有引力F2为 F2=GMm'‎‎(L+r‎)‎‎2‎ 质量为m'的物体以地球为中心做圆周运动,向心力由F1和F2的合力提供,设圆周运动的角速度为ω,则 F1+F2=m'ω2(L+r)‎ 根据以上三个式子可得 Gmr‎2‎+GM‎(L+r‎)‎‎2‎=ω2(L+r)‎ 月球绕地球做匀速圆周运动,它们之间的万有引力提供向心力,有 GMmL‎2‎=mω2L 联立以上两式子可得 mr‎2‎‎+M‎(L+r‎)‎‎2‎=‎ML‎3‎‎(L+r)‎ ‎②对于“日—地”系统,在太阳和地球连线上共有3个可能的拉格朗日点,其大概位置如图所示。‎ ‎【预测4】答案(1)g'‎R‎2‎G　(2)-1.8×105 J　(3)2.8 m/s2　5.3×103 N 解析(1)由于mg'=‎GMmR‎2‎ 可求M=g'‎R‎2‎G。‎ ‎(2)由100m下降过程中到4m前发动机会做功,取100m和4m为初末状态,前后动能没变,用动能定理mg'(H-h)+W=0‎ 所以W=-mg'(H-h)=-1200×1.6×96J=-1.8×105J 即发动机做功为-1.8×105J。‎ ‎(3)减速过程的平均加速度 a=vt‎=‎‎1.7×1‎‎0‎‎3‎‎10×60‎m/s2≈2.8m/s2‎ 根据牛顿第二定律可得F=m(a+g')=5.3×103N。‎ ‎【预测5】D　解析根据题意条件,仅知道中子星的自转周期、半径和引力常量,是不能计算中子星的质量和密度的,故选项A、B错误;用‎2πRT计算天体的第一宇宙速度时,周期必须是近球卫星的公转周期,而不是天体的自转周期,故选项C错误;当中子星赤道上的物体完全失重时有GMmR‎2‎=m‎4π‎2‎RT‎2‎ 同时有M=ρV=ρ×‎4‎‎3‎πR3‎ 联立得中子星的密度为ρ=‎‎3πGT‎2‎ 故选项D正确。‎ ‎【预测6】答案(1)m'=‎m‎2‎‎3‎‎(m‎1‎+‎m‎2‎‎)‎‎2‎ ‎(2)‎m‎2‎‎3‎‎(m‎1‎+‎m‎2‎‎)‎‎2‎‎=‎v‎3‎T‎2πG 解析(1)设A、B两颗星的轨道半径分别为r1、r2,由题意可知,A、B两颗星做匀速圆周运动的角速度相同,设其为ω,由牛顿第二定律可知,有 FA=m1ω2r1,FB=m2ω2r2,FA=FB。‎ 设A、B两颗星之间的距离为r,又r=r1+r2,由上述各式得 r=m‎1‎‎+‎m‎2‎m‎2‎r1①‎ 由万有引力定律,有FA=Gm‎1‎m‎2‎r‎2‎,将①代入得FA=Gm‎1‎m‎2‎‎3‎‎(m‎1‎+‎m‎2‎‎)‎‎2‎r‎1‎‎2‎。‎ 令FA=Gm‎1‎m'‎r‎1‎‎2‎,比较可得m'=m‎2‎‎3‎‎(m‎1‎+‎m‎2‎‎)‎‎2‎②‎ ‎(2)由牛顿第二定律,有 Gm‎1‎m'‎r‎1‎‎2‎=m1v‎2‎r‎1‎③‎ 又可见星A的轨道半径r1=vT‎2π④‎ 由②③④式解得m‎2‎‎3‎‎(m‎1‎+‎m‎2‎‎)‎‎2‎=v‎3‎T‎2πG⑤‎