2020高考物理重難點05-天體運動與人造航天器檢測題解析

PAGEPAGE1【若缺失公式、圖片現(xiàn)象屬于系統(tǒng)讀取不成功，文檔內(nèi)容齊全完整，請放心下載?！恐仉y點05天體運動與人造航天器【知識梳理】考點一天體質(zhì)量和密度的計算1．解決天體（衛(wèi)星）運動問題的基本思路（1）天體運動的向心力來源于天體之間的萬有引力，即（2）在中心天體表面或附近運動時，萬有引力近似等于重力，即（g表示天體表面的重力加速度）．（2）利用此關(guān)系可求行星表面重力加速度、軌道處重力加速度：在行星表面重力加速度：，所以在離地面高為h的軌道處重力加速度：，得2．天體質(zhì)量和密度的計算（1）利用天體表面的重力加速度g和天體半徑R.由于，故天體質(zhì)量天體密度：（2）通過觀察衛(wèi)星繞天體做勻速圓周運動的周期T和軌道半徑r.①由萬有引力等于向心力，即，得出中心天體質(zhì)量；②若已知天體半徑R，則天體的平均密度③若天體的衛(wèi)星在天體表面附近環(huán)繞天體運動，可認為其軌道半徑r等于天體半徑R，則天體密度.可見，只要測出衛(wèi)星環(huán)繞天體表面運動的周期T，就可估算出中心天體的密度．【重點歸納】1.黃金代換公式（1）在研究衛(wèi)星的問題中，若已知中心天體表面的重力加速度g時，常運用GM＝gR2作為橋梁，可以把“地上”和“天上”聯(lián)系起來．由于這種代換的作用很大，此式通常稱為黃金代換公式．2.估算天體問題應注意三點（1）天體質(zhì)量估算中常有隱含條件，如地球的自轉(zhuǎn)周期為24h，公轉(zhuǎn)周期為365天等．（2）注意黃金代換式GM＝gR2的應用．（3）注意密度公式的理解和應用．考點二衛(wèi)星運行參量的比較與運算1．衛(wèi)星的動力學規(guī)律由萬有引力提供向心力，2．衛(wèi)星的各物理量隨軌道半徑變化的規(guī)律；；；（1）衛(wèi)星的a、v、ω、T是相互聯(lián)系的，如果一個量發(fā)生變化，其它量也隨之發(fā)生變化；這些量與衛(wèi)星的質(zhì)量無關(guān)，它們由軌道半徑和中心天體的質(zhì)量共同決定．（2）衛(wèi)星的能量與軌道半徑的關(guān)系：同一顆衛(wèi)星，軌道半徑越大，動能越小，勢能越大，機械能越大．3．極地衛(wèi)星和近地衛(wèi)星（1）極地衛(wèi)星運行時每圈都經(jīng)過南北兩極，由于地球自轉(zhuǎn)，極地衛(wèi)星可以實現(xiàn)全球覆蓋．（2）近地衛(wèi)星是在地球表面附近環(huán)繞地球做勻速圓周運動的衛(wèi)星，其運行的軌道半徑可近似認為等于地球的半徑，其運行線速度約為7.9km/s.（3）兩種衛(wèi)星的軌道平面一定通過地球的球心．【重點歸納】1．利用萬有引力定律解決衛(wèi)星運動的一般思路（1）一個模型天體（包括衛(wèi)星）的運動可簡化為質(zhì)點的勻速圓周運動模型．（2）兩組公式衛(wèi)星運動的向心力來源于萬有引力：在中心天體表面或附近運動時，萬有引力近似等于重力，即：（g為星體表面處的重力加速度）2．衛(wèi)星的線速度、角速度、周期與軌道半徑的關(guān)系考點三宇宙速度衛(wèi)星變軌問題的分析1．第一宇宙速度v1＝7.9km/s，既是發(fā)射衛(wèi)星的最小發(fā)射速度，也是衛(wèi)星繞地球運行的最大環(huán)繞速度．2．第一宇宙速度的兩種求法：（1），所以（2），所以.3．第二、第三宇宙速度也都是指發(fā)射速度．4.當衛(wèi)星由于某種原因速度突然改變時（開啟或關(guān)閉發(fā)動機或空氣阻力作用），萬有引力不再等于向心力，衛(wèi)星將變軌運行：（1）當衛(wèi)星的速度突然增加時，，即萬有引力不足以提供向心力，衛(wèi)星將做離心運動，脫離原來的圓軌道，軌道半徑變大，當衛(wèi)星進入新的軌道穩(wěn)定運行時由可知其運行速度比原軌道時減?。?）當衛(wèi)星的速度突然減小時，，即萬有引力大于所需要的向心力，衛(wèi)星將做近心運動，脫離原來的圓軌道，軌道半徑變小，當衛(wèi)星進入新的軌道穩(wěn)定運行時由可知其運行速度比原軌道時增大．衛(wèi)星的發(fā)射和回收就是利用這一原理．【重點歸納】1.處理衛(wèi)星變軌問題的思路和方法（1）要增大衛(wèi)星的軌道半徑，必須加速；（2）當軌道半徑增大時，衛(wèi)星的機械能隨之增大．2.衛(wèi)星變軌問題的判斷：（1）衛(wèi)星的速度變大時，做離心運動，重新穩(wěn)定時，軌道半徑變大．（2）衛(wèi)星的速度變小時，做近心運動，重新穩(wěn)定時，軌道半徑變?。?）圓軌道與橢圓軌道相切時，切點處外面的軌道上的速度大，向心加速度相同.3.特別提醒:“三個不同”（1）兩種周期——自轉(zhuǎn)周期和公轉(zhuǎn)周期的不同（2）兩種速度——環(huán)繞速度與發(fā)射速度的不同，最大環(huán)繞速度等于最小發(fā)射速度（3）兩個半徑——天體半徑R和衛(wèi)星軌道半徑r的不同【限時檢測】（建議用時：30分鐘）1．（2019·新課標全國Ⅰ卷）在星球M上將一輕彈簧豎直固定在水平桌面上，把物體P輕放在彈簧上端，P由靜止向下運動，物體的加速度a與彈簧的壓縮量x間的關(guān)系如圖中實線所示。在另一星球N上用完全相同的彈簧，改用物體Q完成同樣的過程，其a–x關(guān)系如圖中虛線所示，假設兩星球均為質(zhì)量均勻分布的球體。已知星球M的半徑是星球N的3倍，則A．M與N的密度相等B．Q的質(zhì)量是P的3倍C．Q下落過程中的最大動能是P的4倍D．Q下落過程中彈簧的最大壓縮量是P的4倍【答案】AC【解析】A、由a–x圖象可知，加速度沿豎直向下方向為正方向，根據(jù)牛頓第二定律有：，變形式為：，該圖象的斜率為，縱軸截距為重力加速度。根據(jù)圖象的縱軸截距可知，兩星球表面的重力加速度之比為：；又因為在某星球表面上的物體，所受重力和萬有引力相等，即：，即該星球的質(zhì)量。又因為：，聯(lián)立得。故兩星球的密度之比為：，故A正確；B、當物體在彈簧上運動過程中，加速度為0的一瞬間，其所受彈力和重力二力平衡，，即：；結(jié)合a–x圖象可知，當物體P和物體Q分別處于平衡位置時，彈簧的壓縮量之比為：，故物體P和物體Q的質(zhì)量之比為：，故B錯誤；C、物體P和物體Q分別處于各自的平衡位置（a=0）時，它們的動能最大；根據(jù)，結(jié)合a–x圖象面積的物理意義可知：物體P的最大速度滿足，物體Q的最大速度滿足：，則兩物體的最大動能之比：，C正確；D、物體P和物體Q分別在彈簧上做簡諧運動，由平衡位置（a=0）可知，物體P和Q振動的振幅A分別為和，即物體P所在彈簧最大壓縮量為2，物體Q所在彈簧最大壓縮量為4，則Q下落過程中，彈簧最大壓縮量時P物體最大壓縮量的2倍，D錯誤；故本題選AC。2．（2019·新課標全國Ⅱ卷）2019年1月，我國嫦娥四號探測器成功在月球背面軟著陸，在探測器“奔向”月球的過程中，用h表示探測器與地球表面的距離，F(xiàn)表示它所受的地球引力，能夠描述F隨h變化關(guān)系的圖像是【答案】D【解析】根據(jù)萬有引力定律可得：，h越大，F(xiàn)越大，故選項D符合題意。3．由于地球?qū)χ車矬w的吸引，而使物體具有的引力勢能可表示為（選無限遠引力勢能為0），其中G為引力常量、M為地球質(zhì)量、m為物體質(zhì)量、r為物體到地心的距離?，F(xiàn)利用火箭將質(zhì)量為的人造地球衛(wèi)星從地面發(fā)射到距地心為R1的回形軌道上做勻速圓周運動。已知地球質(zhì)量為M、地球半徑為R，忽略地球自轉(zhuǎn)及空氣阻力作用，則在此過程中，火箭至少做功為A． B．C． D．【答案】C【解析】衛(wèi)星在地面時，重力勢能，人造地球衛(wèi)星在距地心為R1的圓形軌道運動時，由，得，重力勢能，發(fā)射過程由功能關(guān)系有，選項C正確，ABD錯誤。故選C。4．2019年4月20日，我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長征三號乙運載火箭，成功發(fā)射第44顆北斗導航衛(wèi)星，拉開了今年北斗全球高密度組網(wǎng)的序幕．北斗系統(tǒng)主要由離地而高度約為6R（R為地球半徑）同步軌道衛(wèi)星和離地面高度約為3R的中圓軌道衛(wèi)星組成，已知地球表面重力加速度為g，忽略地球自轉(zhuǎn)。則下列說法正確的是A．中圓軌道衛(wèi)星的運行周期為12小時B．中圓軌道衛(wèi)星的向心加速度約為C．同步軌道衛(wèi)星受到的向心力小于中圓軌道衛(wèi)星受到的向心力D．因為同步軌道衛(wèi)星的速度小于中圓軌道衛(wèi)星的速度，所以衛(wèi)星從中圓軌道變軌到同步軌道，需向前方噴氣減速【答案】B【解析】A．M表示地球的質(zhì)量，m表示衛(wèi)星的質(zhì)量，根據(jù)萬有引力提供向心力，可得：，則，可知中圓軌道衛(wèi)星的運行周期不等于12小時。故A錯誤；B．在地球表面為m0的物體，有：，中圓軌道衛(wèi)星：，則其向心加速度約為，故B正確；C．同步軌道衛(wèi)星與中圓軌道衛(wèi)星的質(zhì)量關(guān)系不確定，則不能判斷所受的向心力的關(guān)系，選項C錯誤；D．因為同步軌道衛(wèi)星的軌道半徑大于中圓軌道衛(wèi)星的軌道半徑，所以衛(wèi)星從中圓軌道變軌到同步軌道，需向后方噴氣加速做離心運動，選項D錯誤。5．北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是中國自行研制的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)．由35顆衛(wèi)星組成，包括5顆靜止軌道衛(wèi)星（與地面的相對位置保持不變），3顆傾斜同步軌道衛(wèi)星（從地球上看是移動的，但卻每天同一時刻經(jīng)過同一特定地區(qū)），27顆中地球軌道衛(wèi)星，下表給出了其中三顆衛(wèi)星的信息，其中傾角為軌道平面與赤道平面的夾角，下列陳述正確的是衛(wèi)星發(fā)射日期運行軌道北斗﹣G42010年11月01日地球靜止軌道160.0°E，高度35815公里，傾角0.5°北斗﹣IGSO22010年12月18日傾斜地球同步軌道，高度35833公里，傾角54.8°北斗﹣M32012年04月30日中地球軌道，高度21607公里，傾角55.3°A．北斗–G4的線速度等于北斗–M3的線速度B．北斗–IGSO2的運行周期和地球自轉(zhuǎn)周期相等C．北斗–G4向心加速度等于地面重力加速度D．北斗–IGSO2的角速度大于北斗–M3的角速度【答案】B【解析】A．由表格可知，北斗G4為同步衛(wèi)星，北斗M3為中高衛(wèi)星，根據(jù)萬有引力提供向心力得，可知北斗G4的線速度小于北斗M3的線速度。故A錯誤。B．由表格可知，北斗IGSO2為傾斜地球同步軌道衛(wèi)星，所以其運行周期和地球自轉(zhuǎn)周期相等，故B正確。C．由萬有引力等于重力，地球半徑為R，在地表為，北斗–G4在太空中為，因為，所以，故C錯誤。D．由萬有引力提供向心力得，由于北斗–IGSO2的半徑大于北斗–M3的半徑，所以北斗–IGSO2的角速度小于北斗–M3的角速度，故D錯誤。故選B。6．據(jù)報道，2020年我國首顆“人造月亮”將完成從發(fā)射、人軌、展開到照明的整體系統(tǒng)演示驗證?！叭嗽煸铝痢笔且环N攜帶大型空間反射鏡的人造空間照明衛(wèi)星，將部署在距離地球500km以內(nèi)的低地球軌道上，其亮度是月球亮度的8倍，可為城市提供夜間照明。假設“人造月亮”繞地球做圓周運動，則“人造月亮”在軌道上運動時A．“人造月亮”的線速度等于第一宇宙速度B．“人造月亮”的角速度大于月球繞地球運行的角速度C．“人造月亮”的向心加速度大于地球表面的重力加速度D．“人造月亮”的公轉(zhuǎn)周期大于月球的繞地球運行的周期【答案】B【解析】A、第一宇宙速度是人造衛(wèi)星的最小發(fā)射速度，也是人造衛(wèi)星的最大運行速度，根據(jù)，可得，所以“人造月亮”的運行速度不可能等于第一宇宙速度，故A錯誤；B、根據(jù)，可得，由于“人造月亮”繞地球做圓周運動的半徑小于月球繞地球運行的半徑，所以“人造月亮”的角速度大于月球繞地球運行的角速度，故B正確；C、根據(jù)可得，由于“人造月亮”繞地球做圓周運動的半徑大于地球半徑，所以“人造月亮”的向心加速度小于地球表面的重力加速度，故C錯誤；D、根據(jù)，可得，由于“人造月亮”繞地球做圓周運動的半徑小于月球繞地球運行的半徑，所以“人造月亮”的公轉(zhuǎn)周期小于月球的繞地球運行的周期，故D錯誤；故選B。7．在地球表面以初速度v0豎直向上拋出一個小球，經(jīng)時間t后回到出發(fā)點假如宇航員登上某個半徑為地球半徑2倍的行星表面，仍以初速度v0豎直向上拋出一個小球，經(jīng)時間4t后回到出發(fā)點。則下列說法正確的是A．這個行星的質(zhì)量與地球質(zhì)量之比為1：2B．這個行星的第一宇宙速度與地球的第一宇宙速度之比為1：2C．這個行星的密度與地球的密度之比為1：8D．這個行星的自轉(zhuǎn)周期與地球的自轉(zhuǎn)周期之比為1：1【答案】BC【解析】A.地球表面重力加速度為：g=2v0t，未知行星表面重力加速度為：g′=2v04t=v02t，根據(jù)g=GMR2，g'=GM'8．2019年11月5日01時43分，我國在西昌衛(wèi)展發(fā)射中心用長征三號乙運載火箭，成功發(fā)射了第49顆北斗導航衛(wèi)星。該衛(wèi)星屬傾斜地球同步軌道衛(wèi)星，標志著北斗三號系統(tǒng)3顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星全部發(fā)射完畢。傾斜地球同步軌道衛(wèi)星是運轉(zhuǎn)軌道面與地球赤道面有夾角的軌道衛(wèi)星，它的運行周期與“同步衛(wèi)星”相同（T＝24h），運動軌跡如圖所示。關(guān)于該北斗導航衛(wèi)星說法正確的是A．該衛(wèi)星與地球上某一位置始終相對靜止B．該衛(wèi)星的高度與“同步衛(wèi)星”的高度相等C．該衛(wèi)星運行速度大于第一宇宙速度D．該衛(wèi)星在一個周期內(nèi)有2次經(jīng)過赤道上同一位置【答案】BD【解析】A．同步衛(wèi)星相對于地球靜止，必須為地球赤道面上的同步衛(wèi)星，因為此衛(wèi)星為傾斜軌道，因此不能與地球保持相對靜止；A錯誤；B．由公式可得，因為兩個衛(wèi)星的周期是一樣的，其他常量都相同，所以高度相同；B正確；C．地球的第一宇宙速度是最大的環(huán)繞速度，該衛(wèi)星比近地衛(wèi)星軌道半徑大，所以速度小于第一宇宙速度；C錯誤；D．此衛(wèi)星的軌道為傾斜軌道，因此當衛(wèi)星轉(zhuǎn)一周時，兩次通過赤道；D正確。故選BD。9．如圖為某著陸器經(jīng)過多次變軌后登陸火星的軌跡圖，著陸器先在軌道Ⅰ上運動，然后改在圓軌道Ⅱ上運動，最后在橢圓周軌道Ⅲ上運動，P點是軌道Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的交點，軌道上的P、S、Q三點與火星中心在同一直線上，P、Q兩點分別是橢圓軌道的遠火星點和近火星點。且PQ=2QS=2l，著陸器在軌道Ⅰ上經(jīng)過P點的速度為v1，在軌道Ⅱ上經(jīng)過P點的速度為v2，在軌道Ⅲ上經(jīng)過P點的速度為v3，下列說法正確的是A．v1>v2>v3B．著陸器在軌道Ⅰ上的機械能大于在軌道Ⅱ上的機械能C．著陸器在軌道Ⅲ上經(jīng)過P點的加速度為2D．著陸器在軌道Ⅱ上由P點運動到S點的時間與著陸器在軌道Ⅲ上由P點運動到Q點的時間之比是2【答案】ABC【解析】A、著陸器由軌道Ⅰ上運動改在圓軌道Ⅱ上運動，著陸器在P點應減速，所以著陸器在軌道Ⅰ上經(jīng)過P點的速度v1大于在軌道Ⅱ上經(jīng)過P點的速度v2，著陸器由軌道Ⅱ上運動改在圓軌道Ⅲ上運動，著陸器在P點應減速，所以在軌道Ⅱ上經(jīng)過P點的速度v2大于在軌道Ⅲ上經(jīng)過P點的速度v3，故A正確；B、著陸器由軌道Ⅰ上運動改在圓軌道Ⅱ上運動，著陸器在P點應減速，所以著陸器在軌道Ⅰ上的機械能大于在軌道Ⅱ