新高考物理一輪復(fù)習(xí)提升練習(xí)導(dǎo)學(xué)案第21講 宇宙航行與人造衛(wèi)星（原卷版）

第21講宇宙航行與人造衛(wèi)星第21講宇宙航行與人造衛(wèi)星學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo)明確目標(biāo)確定方向1理解第一宇宙速度并會(huì)推導(dǎo)同步衛(wèi)星的規(guī)律軌道參量比較衛(wèi)星變軌分析【知識(shí)回歸】回歸課本夯實(shí)基礎(chǔ)第一部分知識(shí)：基礎(chǔ)知識(shí)梳理一．宇宙速度第一宇宙速度1.推導(dǎo)方法一：由Geq\f(Mm,R2)＝meq\f(v2,R)得v＝eq\r(\f(GM,R))。方法二：mg＝meq\f(v2,R)得v＝eq\r(gR)。2第一宇宙速度又叫環(huán)繞速度，其數(shù)值為7.9km/s。3意義：①第一宇宙速度是人造衛(wèi)星的最小發(fā)射速度。②第一宇宙速度是人造衛(wèi)星最大的環(huán)繞速度。2．第二、三宇宙速度(1)第二宇宙速度(脫離速度)：v2＝11.2km/s，使物體掙脫地球引力束縛的最小發(fā)射速度。(2)第三宇宙速度(逃逸速度)：v3＝16.7km/s，使物體掙脫太陽引力束縛的最小發(fā)射速度。第二部分：重難點(diǎn)辨析一軌道參量比較：1.線速度：Geq\f(Mm,r2)＝meq\f(v2,r)?v＝eq\r(\f(GM,r))2.角速度：Geq\f(Mm,r2)＝mω2r?ω＝eq\r(\f(GM,r3))3.周期：Geq\f(Mm,r2)＝m(eq\f(2π,T))2r?T＝2πeq\r(\f(r3,GM))4.向心加速度：Geq\f(Mm,r2)＝ma?a＝eq\f(GM,r2)結(jié)論：r越大，v、ω、a越小，T越大。二．地球同步衛(wèi)星的特點(diǎn)1軌道平面一定：軌道平面和赤道平面重合。2周期一定：與地球自轉(zhuǎn)周期相同，即T＝24h＝86400s。3角速度一定：與地球自轉(zhuǎn)的角速度相同。4高度一定：根據(jù)Geq\f(Mm,r2)＝meq\f(4π2,T2)r得r＝eq\r(3,\f(GMT2,4π2))＝4.23×104km，衛(wèi)星離地面高度h＝r－R≈6R(為恒量)。5繞行方向一定：與地球自轉(zhuǎn)的方向一致。三．衛(wèi)星發(fā)射及變軌過程1人造衛(wèi)星的發(fā)射過程如圖所示。2在A點(diǎn)點(diǎn)火加速，由于速度變大，萬有引力不足以提供向心力，衛(wèi)星做離心運(yùn)動(dòng)進(jìn)入橢圓軌道Ⅱ。3在B點(diǎn)(遠(yuǎn)地點(diǎn))再次點(diǎn)火加速進(jìn)入圓形軌道Ⅲ。4三個(gè)運(yùn)行物理量的大小比較（1）速度：設(shè)衛(wèi)星在圓軌道Ⅰ和Ⅲ上運(yùn)行時(shí)的速率分別為v1、v3，在軌道Ⅱ上過A點(diǎn)和B點(diǎn)速率分別為vA、vB。在A點(diǎn)加速，則vA＞v1，在B點(diǎn)加速，則v3＞vB，又因v1＞v3，故有vA＞v1＞v3＞vB。（2）加速度：因?yàn)樵贏點(diǎn)，衛(wèi)星只受到萬有引力作用，故不論從軌道Ⅰ還是軌道Ⅱ上經(jīng)過A點(diǎn)，衛(wèi)星的加速度都相同，同理，經(jīng)過B點(diǎn)加速度也相同。(3)周期：設(shè)衛(wèi)星在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ軌道上運(yùn)行周期分別為T1、T2、T3，軌道半徑分別為r1、r2(半長(zhǎng)軸)、r3，由開普勒第三定律eq\f(r3,T2)＝k可知T1＜T2＜T3?！镜淅治觥烤x例題提高素養(yǎng)【例1】．某科幻電影中出現(xiàn)了一座在赤道上建造的垂直于水平面的“太空電梯”，如圖所示。若太空電梯成為可能，宇航員將可以乘坐電梯到達(dá)特定高度的空間站。地球的自轉(zhuǎn)不能忽略且地球視為均質(zhì)球體。若“太空電梯”停在距地面高度為h處，對(duì)“太空電梯”里的宇航員，下列說法正確的是（）A．若SKIPIF1<0，宇航員繞地心運(yùn)動(dòng)的線速度大小約為SKIPIF1<0B．h越大，宇航員繞地心運(yùn)動(dòng)的線速度越小C．h越大，宇航員繞地心運(yùn)動(dòng)的向心加速度越小D．h與地球同步衛(wèi)星距地面高度相同時(shí)，宇航員處于完全失重狀態(tài)【例2】．天文學(xué)家于2022年1月6日發(fā)現(xiàn)了小行星2022AE1，對(duì)其跟蹤觀察并完善其軌跡發(fā)現(xiàn)，小行星2022AE1的直徑約為SKIPIF1<0，質(zhì)量SKIPIF1<0，運(yùn)動(dòng)軌跡為拋物線，它將會(huì)在2023年7月4日與地球擦肩而過。把地球看作半徑為R的均質(zhì)球體，忽略地球的自轉(zhuǎn)，地球表面的重力加速度大小為g，預(yù)計(jì)小行星2022AE1距地心為SKIPIF1<0時(shí)的速度大小為SKIPIF1<0，方向與它和地心連線所成的角為SKIPIF1<0，如圖所示。已知小行星2022AE1的引力勢(shì)能SKIPIF1<0，式中r為行星2022AE1到地心的距離，小行星2022AE1與地心的連線在任意相等時(shí)間內(nèi)掃過的面積相等，忽略其他天體的影響，據(jù)此可推測(cè)出（

）A．小行星2022AE1與地心的連線在單位時(shí)間內(nèi)掃過的面積為SKIPIF1<0B．小行星2022AE1距地球表面的最小距離為SKIPIF1<0C．小行星2022AE1的最大速度為SKIPIF1<0D．小行星2022AE1的最大加速度為SKIPIF1<0【例3】多選15．我國(guó)的航天事業(yè)從1956年2月開始，經(jīng)過67年的風(fēng)雨兼程、披荊斬棘，經(jīng)歷了第一顆“東方紅”人造衛(wèi)星成功發(fā)射，載人航天、深空探測(cè)里程碑式的發(fā)展?；仡欀袊?guó)航天發(fā)展史，它是一部中華民族自主創(chuàng)新的歷史，更是一段揚(yáng)眉吐氣、壯我國(guó)威，助推中華民族走向世界舞臺(tái)的歷史。如圖所示，是某顆“北斗”衛(wèi)星從繞地飛行經(jīng)歷變軌到靜止軌道的示意圖。已知地球半徑為R，其自轉(zhuǎn)周期為T。軌道Ⅰ為該北斗衛(wèi)星的近地軌道，軌道Ⅱ?yàn)檗D(zhuǎn)移軌道，Ⅲ為靜止軌道，地球北極的重力加速度為g。下列說法中正確的是（

）A．根據(jù)題目的已知條件可以求出該北斗衛(wèi)星在靜止軌道運(yùn)動(dòng)半徑B．該北斗衛(wèi)星在近地軌道的線速度大于7.9km/sC．該顆北斗衛(wèi)星從近地軌道經(jīng)歷轉(zhuǎn)移軌道到達(dá)靜止軌道的過程中機(jī)械能守恒D．該北斗衛(wèi)星在轉(zhuǎn)移軌道B點(diǎn)的速度小于在靜止軌道B點(diǎn)的速度【例4】．據(jù)報(bào)道，中國(guó)新一代載人運(yùn)載火箭和重型運(yùn)載火箭正在研制過程中，預(yù)計(jì)到2030年左右，將會(huì)具備將航天員送上月球的實(shí)力，這些火箭不僅會(huì)用于載人登月項(xiàng)目，還將用在火星探測(cè)、木星探測(cè)以及其他小行星的探測(cè)任務(wù)中。設(shè)想中國(guó)宇航員在月球表面將小球以速度v0沿與水平面成30°角斜向上拋出，小球上升最大高度為h，已知月球的半徑為R，引力常量為G。求：（1）月球平均密度SKIPIF1<0；（2）月球第一宇宙速度v1及近月衛(wèi)星周期T?！眷柟叹毩?xí)】舉一反三提高能力1．“天宮課堂”第三課于2022年10月12日15時(shí)45分準(zhǔn)時(shí)開課。劉洋老師在運(yùn)行周期約為90分鐘、繞地球做近似圓周運(yùn)動(dòng)的“問天艙”內(nèi)給大家演示了精彩的水球變“懶”實(shí)驗(yàn)。如圖，將空心鋼球投入水球后，推動(dòng)注射器讓其內(nèi)部的空氣用同樣的力度去沖擊他們，振動(dòng)幅度變小，水球確實(shí)變“懶”了。課后同學(xué)們意猶未盡，在菏澤一中分會(huì)場(chǎng)引起激烈爭(zhēng)論：甲認(rèn)為在微重力環(huán)境下，物體幾乎不受任何力，所以宇航員飄在實(shí)驗(yàn)倉(cāng)內(nèi)，鐵球也不會(huì)從水球中掉落；乙認(rèn)為空心鋼球所受浮力與重力相等，處于平衡狀態(tài)；丙認(rèn)為水球變懶是因?yàn)殍F球投入水球后二者慣性比水球大；丁認(rèn)為劉洋老師在太空一天內(nèi)可以看到16次日出；戊認(rèn)為問天艙速度大于7.9km/s；己認(rèn)為水能成為球形主要是因?yàn)楸砻鎻埩Φ淖饔谩?duì)以上六位同學(xué)的觀點(diǎn)，你認(rèn)為較合理的是（

）A．甲、戊、己 B．乙、丙、丁 C．丙、丁、己 D．乙、戊、己2．兩衛(wèi)星SKIPIF1<0均在地球赤道平面自西向東做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。已知地球半徑為R，衛(wèi)星B為近地軌道衛(wèi)星，引力常量為G。若測(cè)得衛(wèi)星A的周期是衛(wèi)星B的2倍，且從兩衛(wèi)星與地心共線開始，每隔時(shí)間t兩衛(wèi)星就與地心再次共線，由此可知（）A．衛(wèi)星B的周期為SKIPIF1<0 B．衛(wèi)星A距地面的高度為RC．地球的平均密度為SKIPIF1<0 D．地球的第一宇宙速度為SKIPIF1<03．如圖所示為我國(guó)將在2023年底發(fā)射的巡天望遠(yuǎn)鏡。屆時(shí)巡天望遠(yuǎn)鏡將與空間站在相同軌道上近距離共軌飛行，必要時(shí)能與空間站進(jìn)行對(duì)接并保養(yǎng)維護(hù)。則巡天望遠(yuǎn)鏡（）A．發(fā)射速度為第二宇宙速度B．運(yùn)行速度大于第一宇宙速度C．運(yùn)行時(shí)離地面高度與空間站相等D．可以通過加速追上共軌的空間站實(shí)現(xiàn)對(duì)接4．2022年我國(guó)完成了空間站在軌建造，空間站在軌道上運(yùn)行時(shí)，受到稀薄大氣作用，軌道高度會(huì)逐漸下降，空間站需要不定期加速以維持軌道高度。若某時(shí)刻空間站的軌道高度為SKIPIF1<0，地球半徑為SKIPIF1<0，地球表面的重力加速度為SKIPIF1<0，圖示為空間站示意圖，各個(gè)方向均安裝有發(fā)動(dòng)機(jī)。變軌時(shí)可短時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)后方發(fā)動(dòng)機(jī)向后噴氣，該過程空間站速度的變化量為噴氣前速度的SKIPIF1<0倍；也可短時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)下方發(fā)動(dòng)機(jī)向下噴氣。若兩次噴氣結(jié)束后空間站的運(yùn)動(dòng)軌道（圓形）相同，則向下噴氣過程空間站的速度變化量的大小為（）A．SKIPIF1<0 B．SKIPIF1<0C．SKIPIF1<0 D．SKIPIF1<05．CSST是我國(guó)自己研發(fā)的大型空間天文望遠(yuǎn)鏡，它擬以“天宮”空間站為太空母港，平時(shí)觀測(cè)時(shí)遠(yuǎn)離空間站并與其共軌獨(dú)立飛行，在需要補(bǔ)給或者維修升級(jí)時(shí)，主動(dòng)與“天宮”交會(huì)對(duì)接，?？刻漳父?，其原理如圖所示。正常工作時(shí)，CSST與空間站在同一軌道上運(yùn)行，當(dāng)需要補(bǔ)給時(shí)，CSST在P位置變軌至虛線所示Ⅱ軌道，在Ⅱ軌道運(yùn)動(dòng)一圈后，與空間站恰好對(duì)接，設(shè)空間站軌道半徑為R，正常運(yùn)行時(shí)，CSST與地球連線和空間站與地球連線夾角為SKIPIF1<0，下列說法正確的是（）A．正常工作時(shí)，空間站位于CSST軌跡后方B．CSST在Ⅰ軌道P點(diǎn)的加速度大于在Ⅱ軌道P點(diǎn)的加速度C．CSST在Ⅱ軌道的半長(zhǎng)軸為SKIPIF1<0D．在完成補(bǔ)給后，CSST需要減速變軌才能回到正常工作時(shí)的位置6．2022年10月31日，中國(guó)空間站夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙搭乘長(zhǎng)征五號(hào)B遙四運(yùn)載火箭，在中國(guó)文昌航天發(fā)射場(chǎng)發(fā)射升空，11月3日，實(shí)驗(yàn)艙順利完成轉(zhuǎn)位對(duì)接到側(cè)向停泊口，空間站“T”字基本構(gòu)型在軌組裝完成。查閱軌道參數(shù)可知空間站所在軌道為圓軌道，離地高度為h=400km，運(yùn)行周期T=1.5h，軌道面與赤道面夾角SKIPIF1<0。已知地球半徑R=6400km，地球自轉(zhuǎn)周期SKIPIF1<0，地球表面重力加速度為g。下列說法正確的是（）A．空間站運(yùn)行周期SKIPIF1<0B．空間站有可能飛經(jīng)位于北緯53°的漠河正上空C．若空間站某次經(jīng)過北京上空，則每轉(zhuǎn)一周都會(huì)經(jīng)過北京上空D．若空間站某次經(jīng)過北京上空，轉(zhuǎn)一周后經(jīng)過的位置在北京西邊，與北京經(jīng)度相差約23°7．天文學(xué)家日前報(bào)告新發(fā)現(xiàn)12顆木星衛(wèi)星，使這顆行星的已知衛(wèi)星增至92顆，因此木星成為太陽系中擁有最多衛(wèi)星的行星。新發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星中一顆未命名的小質(zhì)量衛(wèi)星記為甲，它離木星非常遙遠(yuǎn)，沿逆行軌道環(huán)繞木星運(yùn)行，即運(yùn)行軌道方向與木星自轉(zhuǎn)方向相反。另一顆小衛(wèi)星記為乙，到木星的距離介于甲衛(wèi)星與環(huán)繞在木星附近的4顆較大的伽利略衛(wèi)星之間。則下列說法正確的是（）A．甲衛(wèi)星的運(yùn)行速度大于乙衛(wèi)星B．乙衛(wèi)星的角速度大于伽利略衛(wèi)星C．甲衛(wèi)星的向心加速度小于伽利略衛(wèi)星D．甲衛(wèi)星沿逆行圓周軌道運(yùn)行時(shí)，其相對(duì)木星球心的速度可大于木星的第一宇宙速度8．高中生小明是一位天文愛好者，他通過查閱資料得知，中子星是除黑洞外密度最大的星體，質(zhì)量是太陽質(zhì)量的1.4倍到3.2倍之間，而直徑僅在幾十公里左右。由于質(zhì)量極大，物體運(yùn)動(dòng)至距中子星一定距離時(shí)會(huì)由于物體各部所受引力不同而產(chǎn)生引力差，從而被中子星“撕碎”。為理解這一現(xiàn)象，小明建構(gòu)了如圖所示的物理模型。某物體質(zhì)量分別集中于a、b兩端，兩端質(zhì)量均為SKIPIF1<0，中間部分相當(dāng)于輕桿，輕桿能承受的最大拉力為SKIPIF1<0，長(zhǎng)度為10SKIPIF1<0，中子星N的質(zhì)量為SKIPIF1<0，SKIPIF1<0，當(dāng)物體a端運(yùn)動(dòng)至距中子星中心距離為R時(shí)，物體即將被“撕裂”，則R的值約為（）A．SKIPIF1<0 B．SKIPIF1<0 C．SKIPIF1<0 D．SKIPIF1<09．探測(cè)器“夸父A”在距地球約150萬公里的拉格朗日L1點(diǎn)，與地球一起以相同的公轉(zhuǎn)周期繞太陽做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，用以監(jiān)測(cè)太陽活動(dòng)的發(fā)生及其伴生現(xiàn)象，則（）A．“夸父A”處于平衡狀態(tài)B．在相同時(shí)間內(nèi)，“夸父A”的位移相同C．“夸父A”、地球繞太陽公轉(zhuǎn)的向心加速度相同D．“夸父A”繞太陽公轉(zhuǎn)的加速度小于地球公轉(zhuǎn)的加速度10．三月春來早，北斗農(nóng)機(jī)來報(bào)到，基于北斗的自動(dòng)駕駛農(nóng)機(jī)能夠按照既定路線進(jìn)行精準(zhǔn)春耕作業(yè)，精細(xì)化程度顯著提升，雖然我國(guó)的北斗系統(tǒng)起步最晚，但“后來居上”，成為可與美國(guó)GPS媲美的最先進(jìn)的全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)。如圖是北斗三號(hào)衛(wèi)星系統(tǒng)三種衛(wèi)星的參數(shù)，地球球體半徑為6400km，以下說法正確的是（）表1

北斗三號(hào)衛(wèi)星功能特點(diǎn)北斗衛(wèi)星SKIPIF1<0衛(wèi)星（24）SKIPIF1<0衛(wèi)星（3）SKIPIF1<0衛(wèi)星（3）名稱中圓軌道衛(wèi)星地球靜止軌道衛(wèi)星傾斜地球同步軌道衛(wèi)星軌道高度2萬公里左右，三個(gè)軌道面，保持55°的傾角3.6萬公里左右3.6萬公里左右星下點(diǎn)估計(jì)繞著地區(qū)劃波浪投影一個(gè)點(diǎn)鎖定區(qū)域畫8字功能特點(diǎn)環(huán)繞地球運(yùn)行實(shí)現(xiàn)全球?qū)Ш蕉ㄎ?、短?bào)文通信、國(guó)際救援承載區(qū)域短報(bào)文通信與GEO互補(bǔ)，對(duì)亞太區(qū)域可重點(diǎn)服務(wù)A．MEO衛(wèi)星速度大于7.9km/sB．GEO衛(wèi)星可以相對(duì)靜止在我國(guó)某地上空C．GEO衛(wèi)星和IGSO衛(wèi)星24h一定會(huì)相遇一次D．MEO衛(wèi)星周期T一定小于24h11．中國(guó)原創(chuàng)科幻電影《流浪地球2》近期火爆全球，片中高聳入云、連接天地的太空電梯運(yùn)行場(chǎng)景令人震撼，其通過高強(qiáng)度纜繩將地球同步軌道上的空間站與其正下方赤道上的固定物連接在一起，在引力的作用下，纜繩處于緊繃狀態(tài)。若載滿乘客的太空電梯因機(jī)械故障懸停在纜繩中間處，下列說法正確的是（）A．懸停時(shí)太空電梯所受合外力為零B．懸停時(shí)電梯內(nèi)乘客處于完全失重狀態(tài)C．懸停時(shí)太空電梯的速度大于空間站的速度D．懸停時(shí)太空電梯的速度小于在同樣高度繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星的速度12．隨著地球上的能源不斷消耗，尋找人類的第二家園也越發(fā)顯得重要，科學(xué)家在2014年6月發(fā)現(xiàn)了可能宜居的系外行星開普坦－B，該行星的質(zhì)量為地球的k倍，半徑為地球的m倍，自轉(zhuǎn)周期為地球的n倍，下列關(guān)于行星開普坦－B說法中正確的是（）A．重力加速度為地球的SKIPIF1<0倍B．第一宇宙速度為地球的SKIPIF1<0倍C．赤道上物體的向心加速度為地球的SKIPIF1<0倍D．同步衛(wèi)星的軌道半徑為地球的SKIPIF1<0倍13．2021年5月15日7時(shí)18分，我國(guó)火星探測(cè)器“天問一號(hào)”的著陸巡視器（其中巡視器就是“祝融號(hào)”火星車）成功著陸于火星烏托邦平原南部預(yù)選著陸區(qū)。著陸巡視器從進(jìn)入火星大氣層到成功著陸經(jīng)歷了氣動(dòng)減速段、傘系減速段、動(dòng)力減速段、懸停避障與緩速下降段，其過程大致如圖所示。已知火星質(zhì)量為SKIPIF1<0（約為地球質(zhì)量的0.11倍）、半徑為3395km（約為地球半徑的0.53倍），“天問一號(hào)”的著陸巡視器質(zhì)量為1.3t，地球表面重力加速度為SKIPIF1<0。試根據(jù)圖示數(shù)據(jù)計(jì)算說明下列問題：（1）著陸巡視器在動(dòng)力減速段做的是否為豎直方向的勻減速直線運(yùn)動(dòng)？（2）設(shè)著陸巡視器在傘系減速段做的是豎直方向的勻減速直線運(yùn)動(dòng)，試求火星大氣對(duì)著陸巡視器的平均阻力為多大？（結(jié)果保留1位有效數(shù)字）14．2023年年初韋伯天文望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)