高中物理人教版 (2019)必修 第二册4 宇宙航行课时练习

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2020-2021学年人教版（2019）必修第二册7.4宇宙航行 课时作业13（含解析）  1．2013年我国相继完成“神十”与“天宫”对接、“嫦娥”携“玉兔”落月两大航天工程．某航天爱好者提出“玉兔”回家的设想：如图，将携带“玉兔”的返回系统由月球表面发射到h高度的轨道上，与在该轨道绕月球做圆周运动的飞船对接，然后由飞船送“玉兔”返回地球．设“玉兔”质量为m，月球为R，月面的重力加速度为g月．以月面为零势能面．“玉兔”在h高度的引力势能可表示为，其中G为引力常量，M为月球质量，若忽略月球的自转，从开始发射到对接完成需要对“玉兔”做的功为（ ）A． B．C． D．2．为了探测引力波，“天琴计划”预计发射地球卫星P，其轨道半径约为地球半径的16倍；另一地球卫星Q的轨道半径约为地球半径的9倍。P与Q的周期之比约为（　　）A．16∶9 B．64∶27 C．4∶3 D．27∶643．2016年11月24日，我国成功发射了天链一号04星。天链一号04星是我国发射的第4颗地球同步卫星，它与天链一号02星、03星实现组网运行，为我国神舟飞船、空间实验室天宫二号提供数据中继与测控服务。如图所示，轨道1是天宫二号绕地球稳定运行的轨道，轨道2是天链一号绕地球稳定运行的轨道。下列说法正确的是（　　） A．为了便于测控，可以使天链一号04星相对于地面静止于北京飞控中心正上方B．天链一号04星的最小发射速度是11.2km/sC．天链一号04星的运行速度小于天宫二号的运行速度D．由于技术进步，天链一号04星的运行速度可能大于天链一号02星的运行速度4．近期世界上掀起了一股火星探测热潮，2020年7月23日12时41分，搭载天问一号的长征五号火箭发射升空，火箭飞行2167秒后探测器与火箭分离。探测器进入地球逃逸轨道（霍曼转移轨道），开启火星探测之旅。以下关于天问一号的火星之旅中说法正确的是（　　）A．器箭分离后，探测器靠惯性飞向火星B．探测器进入霍曼转移轨道后，它的运动不再遵循万有引力定律C．器箭分离后，探测器进入霍曼转移轨道，在这个轨道内探测器基本只受太阳的引力，则这个过程中它的周期与地球和火星的公转周期的关系为T火>T探>T地D．“天问一号”被火星“捕获”后，必须加速才能降低轨道高度最后降落在火星表面 5．宇宙间存在一些离其他恒星较远的三星系统，其中有一种三星系统如图所示，三颗质量均为m的星体位于等边三角形的三个顶点，三角形边长为R，忽略其他星体对它们的引力作用，三星在同一平面内绕三角形中心O做匀速圆周运动，引力常量为G，则（　　）A．每颗星做圆周运动的线速度为B．每颗星做圆周运动的角速度为C．每颗星做圆周运动的周期为个D．每颗星做圆周运动的向心加速度与三星的质量无关6．有a、b、c、d四颗地球卫星：a还未发射，在地球赤道上随地球表面一起转动，b在地球的近地圆轨道上正常运行，c是地球同步卫星，d是高空探测卫星，各卫星排列位置如图，则下列说法正确的是（　　）A．向心加速度大小关系是：，速度大小关系是： B．在相同时间内b转过的弧长最长，a、c转过的弧长对应的角度相等C．c在4小时内转过的圆心角是 ，a在2小时内转过的圆心角是 D．b的周期一定小于d的周期，d的周期一定大于24小时7．地球赤道上有一物体随地球的自转，所受的向心力为F1，向心加速度为a1，线速度为v1，角速度为ω1；绕地球表面附近做圆周运动的人造卫星（高度忽略），所受的向心力为F2，向心加速度为a2，线速度为v2，角速度为ω2；地球的同步卫星所受的向心力为F3，向心加速度为a3，线速度为v3，角速度为ω3；第一宇宙速度为v，假设三者质量相等，则（　　）A．F1＝F2>F3 B．a2 >a3> a1 C．ω1＝ω3<ω2 D．v1＝v2＝v>v38．同一遥感卫星离地面越近时，获取图象的分辨率也就越高。则当图象的分辨率越高时，卫星的（　　）A．向心加速度越小 B．角速度越大 C．线速度越小 D．周期越小9．2020年7月23日，中国“天问一号”探测器发射升空，成功进入预定轨道，开启了火星探测之旅，迈出了我国自主开展行星探测的第一步。如图所示，“天问一号”被火星捕获之后，需要在近火星点P变速，进入环绕火星的椭圆轨道。则关于“天问一号”，下列说法中正确的是（　　） A．由轨道Ⅰ进入轨道Ⅱ需要在P点加速B．在轨道Ⅰ上经过P点时的加速度大于在轨道Ⅱ上经过P点时的加速度C．在轨道Ⅰ上运行周期大于在轨道Ⅱ上运行周期D．在轨道Ⅰ上运行时的机械能大于在轨道Ⅱ上运行时的机械能10．同步卫星周期为T1，加速度为a1，向心力为F1；地球表面附近的卫星周期为T2，加速度为a2，向心力为F2；地球赤道上物体随地球自转的周期为T3，向心加速度为a3，向心力为F3，则如下关系正确的是：（　　）A．a2＜a3 B．F1＜F2=F3 C．a1＜a2 D．T1=T3＞T2  11．木星是太阳系中最大的行星，它拥有众多的卫星，其中的“木卫二”具有类地环境，其冰下海洋成为了科学家寻找地外生命的目标之一。通过天文观测，发现“木卫二”在离木星表面高h处绕木星近似做匀速圆周运动，其公转周期为T。若把木星看作一质量分布均匀的球体，已知木星的半径为R，万有引力常量为G。（1）求木星的质量；（2）若有另一卫星绕木星表面附近做匀速圆周运动，求该卫星的线速度大小。12．我国“神舟”系列飞船的成功发射，标志着我国的航天事业发展到了一个很高的水平。已知某飞船在距地面高度为h的圆形轨道运行，地球半径为R，地面处的重力加速度为g，引力常量为G，求： (1)地球的质量； (2)飞船在上述圆形轨道上运行的周期T。13．已知某星球的质量为地球质量的4倍，半径为地球半径的一半。(1)在该星球和地球表面附近，以同样的初速度分别竖直上抛同一个物体，则上升的最大高度之比是多少？(2)若从地球表面附近某处（此处高度较小）平抛一个物体，射程为40m，则在该星球上，从同样的高度以同样的初速度平抛同一物体，射程是多少？14．某宇航员乘坐载人飞船登上月球后，在月球上以大小为v0的速度竖直向上抛出一物体（视为质点），测得物体上升的最大高度为h，已知月球的半径为R，引力常量为G。求：(1)月球的质量M；(2)若登上月球前飞船绕月球做匀速圆周运动的周期为T，求此时飞船绕月球做匀速圆周运动的半径r。15．月球是地球的卫星，现根据观测已知月球的质量为M，半径为R，自转周期为T，万引力常量为G。求：（1）月球表面的重力加速度g月（不考虑月球自转因素）；（2）月球的第一宇宙速度v；（3）月球同步卫星的轨道半径r。16．已知地球质量为M、半径为R，地表重力加速度为g，万有引力常数为G，不考虑地球自转，则：(1)请用两种方法推导地球的第一宇宙速度v1的表达式；(2)现将一质量为m 的物体分别挂在地球赤道和北极处的相同的测力计上，若考虑地球自转，设地球自转角速度为?，请通过计算分析比较两个物体相对地球静止时，测力计的示数 F1和F2的大小。17．2020年6月23日09时43分，在西昌卫星发射中心，长征三号乙运载火箭腾空而起，成功将北斗三号全球系统的“收官之星”送入预定轨道，标志着耗时26年的北斗全球卫星导航系统圆满建成｡若该卫星绕地心做匀速圆周运动，距离地面的高度为h，地球半径为R，地球表面的重力加速度为g，引力常量为G，忽略地球自转的影响｡求:(1)地球的质量；(2)卫星绕地心运行时的向心加速度；(3)卫星绕地心运行时的运行速度｡18．移居火星是人类的梦想。已知火星质量约是地球质量的十分之一，火星半径约是地球半径的二分之一，地球表面的重力加速度取10m/s2；不久的将来设想在火星城举行宇宙奥运会，“地球国”将派出获得国际田联钻石联赛奥斯陆站男子跳高比赛冠军的张国伟参赛。张国伟在地球上跳起的最大高度为1.4m，设他在火星城上起跳的速度与在地球上起跳的速度相同，则他在宇宙奥运会上的跳起的最大高度为多少。
参考答案1．B【详解】根据万有引力提供向心力，得： 在月球表面上，由重力等于万有引力，则得： 即有GM=g月R2“玉兔”绕月球做圆周运动的动能 联立以上三式解得： 玉兔”在h高度的引力势能为 根据功能关系得：从开始发射到对接完成需要对“玉兔”做的功为故应选B．点晴：先根据万有引力提供向心力，以及重力等于万有引力，求出“玉兔”绕月球做圆周运动的动能，再根据功能关系求解需要对“玉兔”做的功．2．B【详解】卫星绕地球做圆周运动的向心力等于地球对卫星的万有引力则卫星的周期P与Q的周期之比选项B正确。故选B。3．C【详解】A．由题可知，天链一号04星是我国发射的第4颗地球同步卫星，故天链一号04星位只能于赤道正上方，不可能位于北京飞控中心的正上方，故A错误；B．由于第一宇宙速度是人造地球卫星飞船环绕地球做匀速圆周运动时的最大速度，同时又是最小的发射速度，可知飞船的发射速度大于第一宇宙速度7.9km/s。飞船的发射速度若大于第二宇宙速度11.2km/s时，就会脱离地球束缚。所以飞船的发射速度介于第一宇宙速度和第二宇宙速度之间，故B错误；C．根据万有引力提供向心力得可得，可知轨道半径比较大的天链一号04星的运行速度小于天宫二号的运行速度，故C正确；D．根据题意，天链一号04星与天链一号02星都是地球同步轨道数据中继卫星，轨道半径相同，所以天链一号04星与天链一号02星具有相同的运行速度，故D错误。故选C。4．C【详解】A．器箭分离后，探测器飞向火星的过程中，太阳的引力对探测器做负功，则不能只靠惯性飞向火星，选项A错误。B．探测器进入霍曼转移轨道后，它的运动仍然要遵循万有引力定律，选项B错误；C．器箭分离后，探测器进入霍曼转移轨道，在这个轨道内探测器基本只受太阳的引力，则因火星绕太阳的轨道半径大于探测器绕太阳的轨道的半长轴，大于地球绕太阳的轨道半径，即r火>a探>r地根据开普勒第三定律可知这个过程中它的周期与地球和火星的公转周期的关系为T火>T探>T地选项C正确；D．“天问一号”被火星“捕获”后，必须减速才能降低轨道高度最后降落在火星表面，选项D错误。故选C。5．ABC【详解】A．任意两颗星之间的万有引力由图可知每一颗星受到另外两星引力的合力为由几何关系知它们的轨道半径合力提供它们的向心力联立各式解得故A正确；B．根据角速度公式结合A选项可知故B正确；C．由可得，每颗星做圆周运动的周期故C正确；D．每颗星做圆周运动的向心加速度故向心加速度与质量有关，故D错误。故选ABC。6．BD【详解】A．c为同步地球卫星，周期与地球自转周期相同，角速度相同，根据c的向心加速度大于a，由牛顿第二定律得所以半径越大加速度越小所以根据天体运动线速度因此a和c同轴转动，半径越大线速度越大故A错误；B．由万有引力提供向心力解得卫星b半径最小，速度最大，相同时间转过得弧长最长，a和c角速度相同，相同时间内转过的角度相同，故B正确；C．同步卫星的周期为24小时，则4小时内转过的角度为，地球在2小时内转过的角度为，故C错误；D．由万有引力提供向心力可得解得d的周期大于c的周期，则d的周期大于24h，b的周期一定小于d的周期，故D正确。故选BD。7．BC【详解】A．根据题意三者质量相等，轨道半径,物体1与人造卫星2比较，由于赤道上物体受引力和支持力的合力提供向心力，而近地卫星只受万有引力，故故A错误；B．对物体1和卫星3，其角速度相同，根据可知a3> a1对卫星2和卫星3，根据 可知a2 >a3则a2 >a3> a1故B正确；C．同步卫星与地球自转同步，故根据周期公式可知，卫星轨道半径越大，周期越大，故再根据则有故C正确；D．由于物体1和卫星3的角速度相同，则根据可知对卫星2和3，根据可知可得而第一宇宙速度v＝v2则故D错误。故选BC。8．BD【详解】分辨率越高，可知r越小，根据万有引力提供向心力，根据得可知r越小，向心加速度越大，线速度越大，角速度越大，周期越小，故AC错误， BD正确。故选BD。9．CD【详解】A．由轨道Ⅰ进入轨道Ⅱ需要在P点减速，故A错误；B．在轨道Ⅰ上经过P点时的加速度等于在轨道Ⅱ上经过P点时的加速度，都是由万有引力提供向心力，故B错误；C．根据万有引力提供向心力，有解得因为轨道Ⅰ的半径大于轨道Ⅱ的半径，所以在轨道Ⅰ上运行周期大于在轨道Ⅱ上运行周期，故C正确；D．从轨道Ⅰ变到轨道Ⅱ需要减速，所以在轨道Ⅰ上运行时的机械能大于在轨道Ⅱ上运行时的机械能，故D正确。故选CD。10．CD【详解】AC．由万有引力提供向心力由于地面附近卫星轨道半径小于同步卫星，可知a1＜a2由于同步卫星和地面上物体角速度相同，同步卫星半径大 可知a3＜a1所以 故A错误，C正确；B．由于不知质量关系，故无法比较各个物体的向心力，故B错误．D．由万有引力提供向心力解得可知T1＞T2由于同步卫星与地球自转周期相同，故T1=T3＞T2故D正确．故选CD。11．（1）；（2）【详解】（1）令“木卫二”的质量为m，由牛顿第二定律有①由①得②（2）木星表面附近，万有引力提供向心力，有③联立②③得12．（1）；（2）2π【详解】(1)根据在地面重力和万有引力相等，有解得(2)设地球质量为M，飞船质量为m，飞船圆轨道的半径为r，则据题意有r＝R＋h飞船在轨道上运行时，万有引力提供向心力，有解得13．(1)1∶16；(2)10m【详解】（1）在星球和地球表面附近竖直上抛的物体都做匀减速直线运动，其上升的最大高度分别为 重力等于万有引力解得  （2）由物体做平抛运动得x=v0th=gt2重力等于万有引力 解得      14．(1)；(2)【详解】(1)设月球表面的重力加速度为，在竖直上抛运动过程中有由万有引力定律提供向心力可知联立解得月球的质量(2)飞船绕月球做匀速圆周运动时有解得此时飞船绕月球做匀速圆周运动的半径15．(1) ； (2) ；(3) 【详解】(1)根据万有引力定律得解得(2)第一宇宙速度的轨道半径等于星球的半径，根据得(3)同步卫星环绕周期等于月球的自转周期解得16．（1）见解析；（2）；【详解】（1）法1：根据可得地球的第一宇宙速度 法2：根据可得地球的第一宇宙速度（2）在赤道处的物体解得在北极处的物体17．(1)；(2)；(3)【详解】(1)设地球的质量为M，不考虑地球自转的影响，地面上质量为m的物体所受的重力等于地球对物体的引力，即解得(2)设卫星绕地心运行时的向心加速度为a，则解得(3)设卫星的运行速度为v，万有引力提供向心力，则解得18．3.5m【详解】根据万有引力定律可得运动员在地球表面时，有在火星表面时，有所以地球表面和火星表面的重力加速度之比设运动员在宇宙运动会上的跳高成绩为h火则由得所以