专题6.5 宇宙航行-2020届高中物理同步讲义 人教版(必修2)
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1、第六章 万有引力与航天第5节 宇宙航行一、人造卫星1牛顿对人造卫星原理的描绘设想在高山上有一门大炮,水平发射炮弹,初速度越大,水平射程就越大。可以想象,当初速度_时,这颗炮弹将不会落到地面,将和月球一样成为地球的一颗卫星。2人造卫星绕地球运行的动力学原因人造卫星在绕地球运行时,只受到地球对它的万有引力作用,人造卫星做圆周运动的向心力由_提供。二、宇宙速度1_的速度,叫做第一宇宙速度,也叫地面附近的环绕速度。2近地卫星的轨道半径为r=R,万有引力提供向心力,则有=。从而第一宇宙速度为v=_=_km/s。3第二宇宙速度的大小为_km/s。若在地面附近发射飞行器,发射速度v大于第一宇宙速度,小于第二
2、宇宙速度,则它绕地面运行的轨迹是_。4第三宇宙速度的大小为_km/s。若在地面附近发射一个物体,使物体能够挣脱太阳引力的束缚,飞到太阳系外,则必须使它的速度不小于第三宇宙速度。足够大 万有引力 物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动 7.9 11.2 椭圆 16.7一、卫星变轨在人造卫星的运行过程中,由中心天体对卫星的万有引力充当向心力。当万有引力恰好充当向心力时,卫星在原轨道上运动;若所需向心力大于或小于万有引力时,卫星就会脱离原轨道,发生变轨。(1)当卫星速度变小时,由F向=知其绕行所需向心力减小,小于万有引力,故卫星做近心运动,轨道半径减小。(2)当卫星速度变大时,其绕行所需向心力增大,大于
3、万有引力,故卫星做离心运动,轨道半径增大。注意:人造地球卫星的运动情况(线速度、角速度、周期等)是由其轨道半径r唯一决定的,与卫星自身的质量等因素无关。在轨道半径、线速度、角速度和周期这四个物理量中,当一个量发生变化时,另外三个量会同时发生变化。【例题1】如图所示是“嫦娥一号”奔月示意图,卫星发射后通过自带的小型火箭多次变轨,进入地月转移轨道,最终被月球引力捕获,成为绕月卫星,并开展对月球的探测。下列说法正确的是A发射“嫦娥一号”的速度必须达到第三宇宙速度B在绕月圆轨道上,卫星周期与卫星质量有关C卫星受月球的引力与它到月球中心距离的平方成反比D在绕月圆轨道上,卫星受地球的引力大于受月球的引力参
4、考答案:C试题解析:第三宇宙速度是卫星脱离太阳系的最小发射速度,“嫦娥一号”卫星的发射速度一定小于第三宇宙速度,A错误;设卫星轨道半径为r,由万有引力定律知卫星受到的引力F=,C正确;设卫星的周期为T,由=得T=2r,卫星的周期与月球质量有关,与卫星质量无关,B错误;卫星在绕月轨道上运行时,由于离地球很远,受到地球引力很小,卫星做圆周运动的向心力主要是月球引力提供,D错误。二、宇宙速度卫星与地心的距离越远,由v=可知,运动的速度越小,当r=R时,v最大,是人造卫星环绕地球的最大运动速度,叫第一宇宙速度,也叫环绕速度。它是人造卫星的最小发射速度。(1)如果卫星的发射速度小于第一宇宙速度,卫星将落
5、回地面而不能绕地球运转。(2)如果卫星的发射速度等于第一宇宙速度,卫星刚好能在地球表面附近做匀速圆周运动。(3)如果卫星的发射速度大于第一宇宙速度而小于第二宇宙速度,卫星将沿椭圆轨道绕地球运行,地心为椭圆轨道的一个焦点。注意:宇宙速度是指在地球上满足不同要求的发射速度,不能理解成运行速度。卫星的发射速度不小于7.9 km/s,卫星的运行速度不大于7.9 km/s。【例题2】2013年12月,嫦娥三号经过地月转移轨道在P点调整后进入环月圆形轨道1,进一步调整后进入环月椭圆轨道2。下列有关嫦娥三号的说法中正确的是A在地球的发射速度一定大于第二宇宙速度B由轨道1进入轨道2需要在P点处减速C在轨道2经
6、过P点时速度大于经过Q点时速度D分别在轨道1与轨道2经P点时,向心加速度相同参考答案:BD试题解析:第二宇宙速度是航天器挣脱地球引力进入太阳系的最小发射速度,而嫦娥三号并没有进入太阳系绕太阳运行,所以在地球的发射速度不需要大于第二宇宙速度,A错误;在轨道1做匀速圆周运动,经过P点有=,在轨道2经过P点时做近心运动,有,v1v2,所以由轨道1进入轨道2需要在P点处减速,B正确;在椭圆轨道2上,从P点到Q点,即从远月点到近月点,速度增大,C错误;无论在哪个轨道经过P点,受到的万有引力都相同,向心加速度相同,D正确。1(2019辽宁省大连渤海高级中学高一下学期期中考试)当人造卫星已进入预定运行轨道后
7、,下列叙述中正确的是A卫星及卫星内一切物体均不受重力作用B仍受重力作用,并可用弹簧秤直接称出物体所受重力的大小C如果在卫星内有物体自由释放,则卫星内观察者将可以看到物体做自由落体运动D如果卫星自然破裂成质量不等的两块,则该两块仍按原来的轨道和周期运行2由于通讯和广播等方面的需要,许多国家发射了地球同步卫星,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3(2019广西桂林市第十八中学高一下学期期中段考)由于某种原因,人造地球卫星的轨道半径减小了,那么卫星的A速率变大,周期变小B速率变小,周期变大C速率变大,周期变大D速率变小,周期变小4关于宇宙速度,下列说法正确
8、的是A第一宇宙速度是能使人造地球卫星飞行的最小发射速度B第一宇宙速度是人造地球卫星绕地球飞行的最小速度C第二宇宙速度是卫星在椭圆轨道上运行时的最大速度D第三宇宙速度是发射人造地球卫星的最小速度5(2019辽宁省辽河油田第二高级中学高一4月月考)关于地球的同步卫星,下列说法正确的是A同步卫星绕太阳转动B同步卫星距离地面的高度可以调节C同步卫星的运行轨迹可以通过北极上空D同步卫星周期与地球自转周期相同62013年12月2日1时30分,“嫦娥三号”月球探测器搭载长征三号乙火箭发射升空。该卫星将在距月球表面高度为h的轨道上做匀速圆周运动,其运行的周期为T;最终在月球表面实现软着陆。若以R表示月球的半径
9、,忽略月球自转及地球对卫星的影响。则A“嫦娥三号”绕月运行时的向心加速度为B月球的第一宇宙速度为C“嫦娥三号”降落月球时,通常使用降落伞减速从而实现软着陆D物体在月球表面自由下落的加速度大小为7在太空运行了15年的俄罗斯“和平号”轨道空间站已于2000年3月23日坠毁,其残骸洒落在南太平洋预定海域。坠毁前,因受高空稀薄空气阻力和地面控制作用的影响,空间站在绕地球运转(可看作做圆周运动)的同时逐渐地向地球靠近,这个过程中空间站运动的A角速度逐渐减小 B线速度逐渐减小C加速度逐渐减小 D周期逐渐减小8(2019学科网高三第三次全国大联考)我国于2018年11月1日成功发射了第四十一颗北斗导航卫星,
10、是地球静止轨道卫星,此轨道的高度约36 000 km,地球半径约6 400 km。2020年,我国将发射首颗“人造月亮”,部署“人造月亮”在地球低轨道上运行,其亮度是月球亮度的8倍,可为城市提供夜间照明。假设“人造月亮”在距离地球表面约384 km高度处绕地球做圆周运动,则“人造月亮”在轨道上运行时的周期约为A1.5 hB2.0 hC3.8 hD9.6 h9(2019黑龙江省牡丹江市第一高级中学高一下学期期中考试)飞船B与空间站A交会对接前绕地球做匀速圆周运动的位置如图所示,虚线为各自的轨道,则AA的周期大于B的周期BA的加速度大于B的加速度CA的运行速度大于B的运行速度DA、B的运行速度大于
11、第一宇宙速度10如图所示,科学家设想在拉格朗日点L建立空间站,使其与月球同周期绕地球运动,拉格朗日点L位于地球和月球连线上,处在该点的空间站在地球和月亮引力的共同作用下,可与月球一起以相同的周期绕地球运动。以v1、1、a1分别表示近地卫星的线速度、角速度、向心加速度的大小,以v2、2,a2分别表示该空间站的线速度、角速度、向心加速度的大小,以v3、3、a3分别表示月亮的线速度、角速度、向心加速度的大小。则正确的是Av1v3v2 B12=3Ca1a2a3 Da1a3a211(2019四川省绵阳市江油中学高三下学期第一次月考)2016年10月19日凌晨,神舟十一号飞船与天宫二号自动交会对接成功,航
12、天员开始为期30天的太空驻留生活。已知地球表面的重力加速度g,地球半径R,神舟十一号飞船对接后随天宫二号做匀速圆周运动的周期T及引力常量G,下列说法中正确的是A要完成对接,应先让神舟十一号飞船和天宫二号处于同一轨道上,然后点火加速B若对接前飞船在较低轨道上做匀速圆周运动,对接后飞船速度和运行周期都增大C由题给条件可求出神舟十一号飞船的质量D由题给条件可求出神舟十一号飞船对接后距离地面的高度h12(2019山东省德州市高三第二次模拟考试)天文学家发现,三颗行星A、B、C绕着仙女座厄普西伦星做匀速圆周运动,如图所示,行星A周期为4.6170天,轨道半径为0.059AU(地球与太阳之间的距离为1AU
13、,1AU=1.496108km),引力常量G=6.67l0-11Nm2/kg2,根据题中数据可得A厄普西伦星的质量B厄普西伦星的第一宇宙速度C行星B的周期小于4.6170天D行星C的加速度大于A的加速度13下面关于同步通信卫星的说法中错误的是A同步通信卫星和地球自转同步,卫星的高度和速率都是确定的B同步通信卫星的角速度虽已被确定,但高度和速率可以选择C我国发射第一颗人造地球卫星的周期是114 min,比同步通信卫星的周期短,所以第一颗人造卫星离地面的高度比同步卫星低D同步通信卫星的速率比我国发射的第一颗人造卫星的速率小14(2019广东省佛山一中、珠海一中、金山中学高一下学期期中考试)发射地球
14、同步卫星时,先将卫星发射至近地圆轨道1,然后经点火,使其沿椭圆轨道2运行,最后再次点火,将卫星送入同步圆轨道3,轨道1、2相切于Q点,轨道2、3相切于P点,如图所示,则当卫星分别在1、2、3轨道上正常运行时,以下说法正确的A卫星在轨道3上的速率大于在轨道1上的速率B卫星在轨道3上经过P点的速率小于在轨道2上经过P点的速率C卫星在轨道2上运动的周期大于它在轨道3上运动的周期D卫星在轨道1上经过Q点时的向心加速度等于它在轨道2上经过Q点时的向心加速度15(2019河北省承德市第一中学高一下学期期中考试)2016年10月19日,“神舟十一号”飞船与“天宮二号”成功对接;2017年6月,我国又成功发射
15、“量子科学实验卫星”,实现了远距高量子纠缠,刷新世界纪录。已知“墨子号”的轨道高度为100 km,“天宮二号”的轨道高度为393 km,两者都围绕地球做匀速圆周运动,可以推断A“墨子号”的线速度小于“天宫二号”的线速度B“墨子号”的周期小于“天宫二号”的周期C“墨于号”相对地面是静止的D地球对“墨子号”的万有引力大于地球对“天宫二号”的万有引力16如图所示,在同一轨道平面上,有绕地球做匀速圆周运动的卫星a、b、c,某时刻在同一直线上,则A经过一段时间,它们将同时第一次回到原位置B卫星c受到的向心力最小C卫星b的周期比c小D卫星a的角速度最大17(2019学科网高三第三次全国大联考)科学家们正研
16、究将两颗卫星用悬绳连接使它们在不同轨道上同向运行,运行过程中两颗卫星始终与地心在同一直线上。如图所示,卫星乙的轨道半径为r,甲、乙两颗卫星的质量均为m,悬绳的长度为,其重力不计,地球质量为M,引力常量为G,则悬线间的张力为ABCD18有四颗地球卫星,还未发射,在地球赤道上随地球表面一起转动,是处于地面附近轨道的近地卫星,是地球同步卫星,是高空探测卫星,已知地球自转周期为24 h,所有卫星的运动均视为匀速圆周运动,各卫星排列位置如图所示,则A的向心加速度等于重力加速度gB在相同时间内b转过的弧长最长Cc在4 h内转过的圆心角是Dd的运动周期可能是23 h19如图所示为北斗导航系统的部分卫星,每颗
17、卫星的运动可视为匀速圆周运动。下列说法错误的是A在轨道运行的两颗卫星a、b的周期相等B在轨道运行的两颗卫星a、c的线速度大小C在轨道运行的两颗卫星b、c的角速度大小D在轨道运行的两颗卫星a、b的向心加速度大小20(2019黑龙江省牡丹江市第一高级中学高一下学期期中考试)如图所示,为赤道上随地球自转的物体A、赤道上空的近地卫星B和地球的同步卫星C的运动示意图,若它们的运动都可视为匀速圆周运动,则比较三个物体的运动情况,以下判断正确的是A三者的周期关系为B三者向心加速度的大小关系为C三者角速度的大小关系为D三者线速度的大小关系为21已知地球半径为R,引力常量为G,地球表面的重力加速度为g。不考虑地
18、球自转的影响。(1)推导第一宇宙速度v的表达式;(2)若卫星绕地球做匀速圆周运动,运行轨道距离地面高度为h,飞行n圈,所用时间为t,求地球的平均密度。22(2019河南省开封市、商丘市高一下学期期中)如图所示,两颗卫星在同一轨道平面内绕地球做顺时针匀速圆周运动,地球半径为R,a卫星离地面的高度等于R,周期为Ta,b卫星离地面高度为3R,则:(1)a,b两卫星运行周期之比Ta:Tb是多少?(2)若某时刻两卫星正好同时通过地面同一点正上方,则a至少经过多长时间与b相距最远?23(2019湖北省宜昌市部分示范高中教学协作体高一下学期期中)已知地球半径为R,地球表面重力加速度为g,引力常量为G。某人造
19、卫星绕地球做圆周运动的轨道离地高度等于地球半径;忽略地球自转的影响,求:(1)地球的密度;(2)地球的第一宇宙速度;(3)该人造卫星绕地球做圆周运动的周期;(4)该人造卫星所在轨道处的重力加速度。24(2019福建省宁德市霞浦第一中学高三上学期第三次月考)我国第一颗月球探测卫星“嫦娥一号”在西昌卫星发射中心发射成功,使“嫦娥奔月”这一古老的神话变成了现实。嫦娥一号发射后先绕地球做圆周运动,经多次变轨,最终进入距月球表面h=200公里的圆形工作轨道,开始进行科学探测活动。设月球半径为R,月球表面的重力加速度为g,引力常量为G,则下列说法正确的是A嫦娥一号绕月球运行的周期为B由题目条件可知月球的平
20、均密度为C嫦娥一号在工作轨道上的绕行速度为D在嫦娥一号的工作轨道处的重力加速度为25某人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动,实施变轨后卫星的线速度减小到原来的,此时卫星仍做匀速圆周运动,则A卫星的向心加速度减小到原来的B卫星的角速度减小到原来的C卫星的周期增大到原来的8倍D卫星的半径增大到原来的2倍26(2019辽宁省辽河油田第二高级中学高一4月月考)某卫星距地面的高度为h,地球半径为R,地球表面的重力加速度为g,则卫星的A线速度为B角速度为C周期为D加速度为27(2019河北省承德市第一中学高一下学期期中考试)探测火星一直是人类的梦想,假设宇航员乘飞船到达火星时贴着火星表面飞行一周所用时间为T1
21、,已知火星的自转周期为T2,火星的半径为R,则要在火星上发射一颗同步卫星,此同步卫星在轨道上运行时离火星表面的高度为ABRCD28使物体脱离星球的引力束缚,不再绕星球运行,而从星球表面发射所需的最小速度为第二宇宙速度。星球的第二宇宙速度v2与第一宇宙速度v1的关系为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。不计其他星球的影响,则该星球的第二宇宙速度为A BC D29(2019宁夏宁川市兴庆区长庆高级中学高一下学期期中考试)如图所示,A为静止于地球赤道上的物体(图中未画出),B为绕地球做椭圆轨道运行的卫星,C为绕地球做圆周运动的卫星,P为B、C两卫星轨道的交点
22、。已知A、B、C绕地心运动的周期相同,相对于地心,下列说法中正确的是A卫星C一定是同步卫星B可能在每天的同一时刻卫星B在A的正上方C物体A和卫星C具有相同大小的加速度D卫星B在P点的加速度与卫星C在P点的加速度大小相等30假设将来一艘飞船靠近火星时,经历如图所示的变轨过程,则下列说法正确的是A飞船在轨道上运动到P点的速度小于在轨道轨道上运动到P点的速度B若轨道I贴近火星表面,测出飞船在轨道I上运动的周期,就可以推知火星的密度C飞船在轨道I上运动到P点时的加速度大于飞船在轨道上运动到P点时的加速度D飞船在轨道上运动时的周期小于在轨道I上运动时的周期31如图所示,a、b、c是在地球大气层外圆形轨道
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