高中物理人教版 (2019)必修 第二册第七章 万有引力与宇宙航行4 宇宙航行优秀练习

这是一份高中物理人教版 (2019)必修 第二册第七章 万有引力与宇宙航行4 宇宙航行优秀练习，共8页。

选择题(本题共8小题，每小题6分，共48分)
1．下列关于第一宇宙速度的说法中正确的是( )
A．第一宇宙速度又称为逃逸速度
B．第一宇宙速度的数值是11.2 km/s
C．第一宇宙速度的数值是7.9 km/s
D．第一宇宙速度是卫星绕地球运行的最小线速度
C [第三宇宙速度为16.7 km/s，也叫逃逸速度，故A错误；人造卫星在圆轨道上运行时，运行速度v＝eq \r(\f(GM,r))＝7.9 km/s，轨道半径越大，速度越小，故第一宇宙速度是卫星在圆轨道上运行的最大线速度，最小发射速度，故B、D错误，C正确．]
2．如图所示的三颗人造地球卫星，下列说法正确的是( )
①卫星可能的轨道为a、b、c ②卫星可能的轨道为a、c ③同步卫星可能的轨道为a、c ④同步卫星可能的轨道为a
A．①③是对的
B．②④是对的
C．②③是对的
D．①④是对的
B [卫星的轨道平面可以在赤道平面内，也可以和赤道平面垂直，还可以和赤道平面成任一角度．但是由于地球对卫星的万有引力提供了卫星绕地球运动的向心力，所以地心必须是卫星圆轨道的圆心，因此卫星可能的轨道一定不会是b.同步卫星只能位于赤道的正上方，所以同步卫星可能的轨道为a.综上所述，正确选项为B．]
3．如图所示是在同一轨道平面上的三颗不同的人造地球卫星，关于各物理量的关系，下列说法正确的是( )
A．根据v＝eq \r(gr)可知vAFC
C．角速度ωA>ωB>ωC
D．向心加速度aAωC，C选项正确；a＝eq \f(GM,r2)，所以aA>aB>aC，故D选项错误．]
4．星球上的物体脱离星球引力所需的最小速度称为该星球的第二宇宙速度．星球的第二宇宙速度v2与其第一宇宙速度v1的关系是v2＝eq \r(2)v1.已知某星球的半径为r，表面的重力加速度为地球表面重力加速度g的eq \f(1,6)，不计其他星球的影响，则该星球的第二宇宙速度为( )
A．eq \r(gr) B.eq \r(\f(1,6)gr)
C．eq \r(\f(1,3)gr) D．eq \f(1,3)gr
C [由第一宇宙速度公式可知，该星球的第一宇宙速度为v1＝eq \r(\f(gr,6))，结合v2＝eq \r(2)v1可得v2＝eq \r(\f(1,3)gr)，C正确．]
5．(多选)一颗在地球赤道上空运转的同步卫星，距地面高度为h，已知地球半径为R，自转周期为T，地面重力加速度g，则这颗卫星运转的线速度大小为( )
A．(R＋h)eq \f(2π,T)B．Req \r(\f(g,R＋h))
C．eq \r(3,\f(2πR2g,T))D．eq \r(3,\f(4π2R2g2,T2))
ABC [由匀速圆周运动线速度定义可得：v＝(R＋h)eq \f(2π,T)，故A正确．由万有引力提供向心力的线速度表达式可得：Geq \f(Mm,h＋R2)＝meq \f(v2,h＋R)；在地面上的物体由万有引力等于重力可得：Geq \f(Mm,R2)＝mg，由上式解得：v＝Req \r(\f(g,R＋h))，故B正确．根据Geq \f(Mm,h＋R2)＝meq \f(4π2,T2)(h＋R)，解得R＋h＝eq \r(3,\f(GMT2,4π2))，v＝(R＋h)eq \f(2π,T)联立解得：v＝eq \r(3,\f(2πR2g,T))，选项C正确，D错误．]
6．2019年热映的《流浪地球》中，人类带着地球逃出太阳系，采取了转圈扔铁饼的方式．先把地球绕太阳的公转轨道Ⅰ由圆形改为椭圆形轨道Ⅱ，再进入木星的圆轨道Ⅲ，途中只需在P和Q进行两次引擎推进，P和Q分别是椭圆轨道Ⅱ与轨道Ⅰ和轨道Ⅲ的切点，则( )
A．地球在轨道Ⅰ运动的速率小于在轨道Ⅲ的运动速率
B．地球在轨道Ⅰ运动的周期大于在轨道Ⅲ运动的周期
C．途中两次引擎推进分别设置在P点加速，Q点减速
D．地球在轨道Ⅱ经过P点速度大于经过Q点的速度
D [根据万有引力提供向心力得，运行速度为：v＝eq \r(\f(GM,r))，地球在轨道Ⅰ的半径小，运动的速率大于在轨道Ⅲ的运动速率，故A错误；根据开普勒第三定律可知：eq \f(a3,T2)＝k，地球在轨道Ⅰ的半径小，运动的周期小于在轨道Ⅲ的运动周期，故B错误；地球从轨道Ⅰ两次变轨到轨道Ⅲ，根据变轨原理可知，在P、Q两点均需要加速，故C错误；根据开普勒第二定律可知，相等时间内扫过的面积相等，故地球在轨道Ⅱ经过P点速度大于经过Q点的速度，故D正确．]
7．(多选)某近地卫星a的轨道与赤道共面共心，绕行方向与地球自转方向相同．b是地球的同步卫星．在相同时间内a、b两卫星转过的角度之比为8∶1.已知同步卫星的周期为24 h，卫星a、b都做圆周运动．则( )
A．卫星a的周期为3 h
B．卫星a与b的轨道半径之比为1∶2
C．卫星a与b的向心加速度之比为16∶1
D．卫星a与b受地球的引力之比为16∶1
AC [因为θ＝ωt，T＝eq \f(2π,ω)，得周期T＝eq \f(2π,ω)，得a、b两卫星的周期之比为1∶8，同步卫星b的周期为24 h，得卫星a的周期是3 h，A正确；根据开普勒第三定律，有eq \f(r\\al(3,1),r\\al(3,2))＝eq \f(T\\al(2,1),T\\al(2,2))解得eq \f(r1,r2)＝eq \f(1,4)，选项B错误；由Geq \f(Mm,r2)＝ma，解得a＝Geq \f(M,r2)，卫星a与b的向心加速度之比为16∶1，C正确；由于不知道两卫星质量，故不能求出卫星受地球引力的比值，D错误．]
8．(多选)为查明某地的地质灾害，在第一时间紧急调动了8颗卫星参与搜寻．“调动”卫星的措施之一就是减小卫星环绕地球运动的轨道半径，降低卫星运行的高度，以有利于发现地面(或海洋)目标．下面说法正确的是( )
A．轨道半径减小后，卫星的环绕速度减小
B．轨道半径减小后，卫星的环绕速度增大
C．轨道半径减小后，卫星的环绕周期减小
D．轨道半径减小后，卫星的环绕周期增大
BC [由Geq \f(Mm,r2)＝meq \f(v2,r)得v＝eq \r(\f(GM,r))，卫星的环绕速度增大，故A错误，B正确；由Geq \f(Mm,r2)＝meq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(2π,T)))eq \s\up12(2)r得T＝2πeq \r(\f(r3,GM))，所以轨道半径减小后，卫星的环绕周期减小，C正确，D错误．]
一、选择题(本题共4小题，每小题6分，共24分)
1．(多选)2018年2月2日，我国成功将电磁监测试验卫星“张衡一号”发射升空，标志我国成为世界上少数拥有在轨运行高精度地球物理场探测卫星的国家之一．通过观测可以得到卫星绕地球运动的周期，并已知地球的半径和地球表面的重力加速度．若将卫星绕地球的运动看作是匀速圆周运动，且不考虑地球自转的影响，根据以上数据可以计算出卫星的( )
A．密度B．向心力的大小
C．离地高度D．线速度的大小
CD [设人造地球卫星的周期为T，地球质量和半径分别为M、R，卫星的轨道半径为r，则在地球表面：Geq \f(Mm,R2)＝mg，得GM＝gR2①
对卫星：根据万有引力提供向心力，有
Geq \f(Mm,r2)＝meq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(2π,T)))eq \s\up12(2)r②
联立①②式可求轨道半径r，而r＝R＋h，故可求得卫星离地高度．
由v＝rω＝req \f(2π,T)，从而可求得卫星的线速度．
卫星的质量和体积未知，故卫星的密度不能求出，万有引力即向心力Fn＝Geq \f(Mm,r2)也不能求出．故选项C、D正确．]
2．如图所示，A为静止于地球赤道上的物体，B为近地卫星，C为地球同步卫星．根据以上信息可知( )
A．卫星B的线速度大于卫星C的线速度
B．卫星C的周期比物体A围绕地心转动一圈所需要的时间短
C．近地卫星B受到的地球的引力一定大于地球同步卫星C受到的引力
D．近地卫星B的质量大于物体A的质量
A [近地卫星与地球同步卫星有共同的受力特点，即所受到的万有引力提供向心力，在赤道上的物体受到重力和支持力的合力来提供向心力，地球同步轨道卫星与赤道上的物体有共同的转动周期．近地卫星与地球同步轨道卫星所受的万有引力提供向心力，即eq \f(GMm,r2)＝eq \f(mv2,r)，得v＝eq \r(\f(GM,r))，所以vB＞vC，A选项正确．卫星C为地球同步卫星，所以TC＝TA，B选项错误．物体受到的万有引力由中心天体的质量、物体的质量以及中心天体与物体之间的距离决定，故C、D选项错误．]
3．地球同步卫星距赤道的高度约为36 000 km，运行速率为v1，加速度大小为a1，地球赤道上的物体随地球自转的向心加速度大小为a2，第一宇宙速度为v2，地球半径约为6 400 km，则( )
A．a1与a2的比值约为5.6
B．a1与a2的比值约为0.18
C．v1与v2的比值约为0.15
D．v1与v2的比值约为0.39
D [同步卫星的角速度、赤道上的物体的角速度都与地球自转的角速度相同，则由a＝ω2r得，a1∶a2＝r∶R＝(36 000＋6 400)∶6 400＝6.6.故A、B错误．第一宇宙速度等于近地卫星的运行速度，人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动，由地球的万有引力提供向心力，则得eq \f(GMm,r2)＝meq \f(v2,r)，则有v＝eq \r(\f(GM,r))，M是地球的质量，r是卫星的轨道半径，则得到，v1∶v2＝eq \r(R)∶eq \r(r)＝eq \r(6 400)∶eq \r(36 000＋6 400)≈0.39，故C错误，D正确．故选D．]
4．国务院批复，自2016年起将4月24日设立为“中国航天日”.1970年4月24日我国首次成功发射的人造卫星东方红一号，目前仍然在椭圆轨道上运行，其轨道近地点高度约为440 km，远地点高度约为2 060 km；1984年4月8日成功发射的东方红二号卫星运行在赤道上空35 786 km的地球同步轨道上．设东方红一号在远地点的加速度为a1，东方红二号的加速度为a2，固定在地球赤道上的物体随地球自转的加速度为a3，则a1、a2、a3的大小关系为( )
A．a2>a1>a3B．a3>a2>a1
C．a3>a1>a2D．a1>a2>a3
D [卫星围绕地球运行时，万有引力提供向心力，对于东方红一号，在远地点时有Geq \f(Mm1,R＋h12)＝m1a1，即a1＝eq \f(GM,R＋h12)，对于东方红二号，有Geq \f(Mm2,R＋h22)＝m2a2，即a2＝eq \f(GM,R＋h22)，由于h2>h1，故a1>a2，东方红二号卫星与地球自转的角速度相等，由于东方红二号做圆周运动的轨道半径大于地球赤道上物体做圆周运动的半径，根据a＝ω2r，故a2>a3，所以a1>a2>a3，选项D正确，选项A、B、C错误．]
二、非选择题(本题共2小题，共28分)
5．(14分)已知某星球的半径为R，在该星球表面航天员以速度v0水平抛出的小球经过时间t落到一倾角为θ的斜面上时，其速度方向与斜面垂直，不计一切阻力，忽略星球的自转，引力常量为G.求：
(1)该星球的质量；
(2)该星球的第一宇宙速度．
[解析] (1)平抛物体的速度垂直斜面，由运动规律：v0＝vytan θ，vy＝gt
星球表面：Geq \f(Mm,R2)＝mg
解得M＝eq \f(v0R2,Gttan θ).
(2)星球表面转动的卫星m′g＝m′eq \f(v2,R)
解得v＝eq \r(\f(v0R,ttan θ)).
[答案] (1)eq \f(v0R2,Gttan θ) (2)eq \r(\f(v0R,ttan θ))
6．(14分)如图所示，A是地球同步卫星，另一个卫星B的圆轨道位于赤道平面内，距离地面高度为h.已知地球半径为R，地球自转角速度为ω0，地球表面的重力加速度为g，O为地球中心．
(1)卫星B的运行周期是多少？
(2)如果卫星B的绕行方向与地球自转方向相同，某时刻A、B两卫星相距最近(O、B、A在同一直线上)，求至少再经过多长时间，它们再一次相距最近？
[解析] (1)由万有引力定律和向心力公式得
Geq \f(Mm,R＋h2)＝meq \f(4π2,T\\al(2,B))(R＋h)①
Geq \f(Mm,R2)＝mg②
联立①②解得 TB＝2πeq \r(\f(R＋h3,R2g)).③
(2)由题意得(ωB－ω0)t＝2π④
由③得 ωB＝eq \r(\f(gR2,R＋h3))⑤
代入④得t＝eq \f(2π,\r(\f(R2g,R＋h3))－ω0).
[答案] (1)2πeq \r(\f(R＋h3,R2g)) (2)eq \f(2π,\r(\f(R2g,R＋h3))－ω0)