2023届高考物理一轮复习情景应用专练（5）万有引力与航天

这是一份2023届高考物理一轮复习情景应用专练（5）万有引力与航天，共9页。试卷主要包含了9 km/s等内容，欢迎下载使用。
（5）万有引力与航天1.2022年2月20日晚，北京冬奥会闭幕式在国家体育场“鸟巢”举行。如图所示，我国吉林一号高分03C01星拍下闭幕式的绝美夜景，见证了北京冬奥会完美落幕！已知吉林一号高分03C01星的轨道半径为r、质量为m，地球半径为R，地球表面的重力加速度为g，引力常量为G，下列说法正确的是(   )
 A.地球的质量为B.吉林一号高分03C01星的向心加速度为C.吉林一号高分03C01星的周期为D.吉林一号高分03C01星在轨道上的运行速度一定大于第一宇宙速度2.2021年10月16日，神舟十三号载人飞船采用自主快速交会对接模式成功对接于天和核心舱的径向端口。如图所示，在对接之前，神舟十三号需要先转移到天和核心舱对接端口正下方19 m处的短暂停泊点（与天和核心舱的相对位置保持不变），然后缓慢靠近直至对接，则在神舟十三号位于停泊点时，下列说法正确的是(   )
 A.飞船的线速度与天和核心舱的线速度相同B.飞船的向心加速度小于天和核心舱的向心加速度C.飞船需要持续向下“喷气”D.飞船中的航天员处于完全失重状态3.2021年6月17日，神舟十二号载人飞船顺利将聂海胜、刘伯明、汤洪波3名航天员送入太空，随后与天和核心舱（空间站）进行对接，标志着中国人首次进入自己的空间站。如图所示，若空间站在距地球表面高约430 km的轨道上做匀速圆周运动，已知引力常量为，地球半径约为6400 km，则下列说法正确的是(   )
 A.空间站的运行速度大于7.9 km/sB.空间站里所有物体的加速度均为零C.位于低轨道的飞船需减速才能与高轨道的空间站实现对接D.若已知空间站的运行周期，则可以估算出地球的平均密度4.如图甲所示，太阳系中有一颗“躺着”自转的蓝色“冷行星”——天王星，其周围存在着环状物质。为了测定环状物质是天王星的组成部分，还是环绕该行星的卫星群，假设“中国天眼”对其做了精确的观测，发现环状物质线速度的二次方与其到行星中心的距离的倒数关系如图乙所示。已知天王星的半径为，引力常量为G，以下说法正确的是(   )
 A.环状物质是天王星的组成部分 B.天王星的自转周期为C.关系图像的斜率等于天王星的质量 D.天王星表面的重力加速度为5.2021年6月17日，神舟十二号飞船载着三名宇航员与轨道离地高度约为430 km的天和核心舱完成对接。天和核心舱绕地球的运动可视为匀速圆周运动，下列说法正确的是(   )
 A.天和核心舱的运行速度大小大于7.9 km/s B.天和核心舱的运行周期小于24 h
C.天和核心舱的加速度大小大于 D.天和核心舱受到的合力恒定
6.2021年6月11日，国家航天局在北京举行“天问一号”探测器着陆火星首批科学影像图揭幕仪式，公布了由“祝融号”火星车拍摄的影像图，标志着我国首次火星探测任务取得圆满成功。已知火星直径约为地球直径的50%，火星质量约为地球质量的10%，探测器在地球表面的环绕周期约为85 min，地球表面的重力加速度取。下列说法正确的是(   )A.“天问一号”的最小发射速度为7.9 km/s B.火星与地球的第一宇宙速度的比值为C.火星表面的重力加速度大小为 D.“天问一号”绕火星表面运行的周期为2 h
7.北斗卫星导航系统是我国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设、独立运行的卫星导航系统。其中包括地球静止轨道卫星（GEO）、倾斜地球同步轨道卫星（IGSO）、中圆地球轨道卫星（MEO）。如图所示是一颗地球静止轨道卫星A、一颗倾斜地球同步轨道卫星B和一颗中圆地球轨道卫星C的轨道立体对比示意图，其中卫星的轨道共面，它们都绕地球做匀速圆周运动。已知卫星C离地的高度为h，地球自转周期为T，地球半径为R，地球表面重力加速度为g，引力常量为G，下列判断正确的是(   )
 A.地球静止轨道卫星A的离地高度为B.中圆地球轨道卫星C的周期为C.卫星C所受的向心力大小大于卫星B所受的向心力大小D.卫星C的线速度大小小于卫星B的线速度大小8.2021年2月，天问一号探测器成功实施近火制动，进入环火椭圆轨道，并于5月着陆火星表面，开展巡视探测等工作。如图所示为探测器经过多次变轨后登陆火星的轨迹示意图，其中轨道I、Ⅲ为椭圆，轨道Ⅱ为圆。探测器经轨道I、Ⅱ、Ⅲ运动后在Q点登陆火星，O点是轨道I、Ⅱ、Ⅲ的切点，还分别是椭圆轨道Ⅲ的远火星点和近火星点。关于探测器，下列说法正确的是(   )
 A.由轨道I进入轨道Ⅱ需在O点加速B.在轨道Ⅱ的运行周期小于在轨道Ⅲ的运行周期C.在轨道Ⅱ运行的线速度大于火星的第一宇宙速度D.在轨道Ⅲ上，探测器运行到O点的线速度小于Q点的线速度9.马航客机失联后，西安卫星测控中心紧急调动海洋、风云、高分、遥感4个型号近10颗卫星，为地面搜救提供技术支持.特别是“高分一号”突破了空间分辨率、多光谱与大覆盖面积相结合的大量关键技术.如图所示为“高分一号”与北斗导航系统中两颗卫星在空中某一平面内运动的示意图.北斗导航系统中两颗卫星“”和“”以及“高分一号”均可认为绕地心O做匀速圆周运动.卫星“”和“”的轨道半径均为r，某时刻两颗工作卫星分别位于轨道上的两位置，“高分一号”在C位置.若卫星均沿顺时针方向运行，地球表面的重力加速度为g，地球的半径为R，不计卫星间的相互作用力.则以下说法正确的是(   )
 A.卫星“”和“”的加速度大小相等，均为B.卫星“”由位置A运动到位置B所需的时间为C.如果调动“高分一号”卫星到达卫星“”所在的轨道，必须对其减速D.“高分一号”是低轨道卫星，其所在高度有稀薄气体，运行一段时间后，轨道髙度降低，速度增大，机械能减少10.2021年5月15日，在经历了漫长的太空之旅后，天问一号火星探测器所携带的祝融号火星车及其着陆组合体，成功降落在火星北半球的乌托邦平原南部，实现了中国航天史无前例的突破。在之前的2月24日，我国的天问一号火星探测器成功实施第三次近火制动，进入火星的椭圆形停泊轨道，该停泊轨道近火点P距离火星中心为、远火点Q距离火星中心为，且探测器在停泊轨道运行期间只有动能和引力势能相互转化。已知火星的质量为M，半径为R，自转的周期为，引力常量为G。将火星视为均匀球体。（1）求相对火星静止的同步卫星距火星表面的高度h；（2）求天问一号火星探测器在该停泊轨道上稳定运行时的周期T；（3）已知天问一号与火星中心的距离为r时，引力势能为（取无穷远处引力势能为零），其中m为天问一号火星探测器的质量。求天问一号探测器从近火点P到远火点Q的过程中动能的变化量。


        答案以及解析1.答案：A解析：设地球的质量为M，则在地球表面处有，解得，A项正确；由可得，B项错误；由万有引力提供向心力有，解得，C项错误；由万有引力提供向心力有，解得，卫星贴近地球表面运行的速度为第一宇宙速度，由可知吉林一号高分03C01星在轨道上的运行速度小于第一宇宙速度，D项错误。2.答案：BC解析：若要神舟十三号始终位于天和核心舱对接端口正下方的短暂停泊点，则二者必须具有相同的角速度，因神舟十三号飞船的运行轨道低于天和核心舱的运行轨道，故由可知神舟十三号飞船的线速度小于天和核心舱的线速度，由可知神舟十三号飞船的向心加速度小于天和核心舱的向心加速度，A错误，B正确；由可得，由此可知如果飞船不进行姿态控制，飞船的线速度应大于天和核心舱的线速度，而实际上，当飞船位于天和核心舱正下方19 m处的停泊点时，飞船的线速度小于天和核心舱的线速度，即飞船所需的向心力小于其在当前位置受到的万有引力，故飞船发动机需要向下“喷气”以产生一个向上的推力来保证其始终位于对接端口正下方，C正确；由于此时飞船中的航天员受到的向心力小于其受到的万有引力，故航天员一定会受到一个沿径向向上的支持力作用，航天员不会处于完全失重状态，D错误。3.答案：D解析：本题考查第一宇宙速度、离心运动、万有引力定律的应用。第一宇宙速度是卫星绕地球做匀速圆周运动的最大线速度，而空间站的轨道半径大于地球半径，故其运行速度小于第一宇宙速度，A错误；由于空间站所受重力用于提供其绕地球做匀速圆周运动的向心力，导致空间站里所有物体均处于完全失重状态，但加速度并不为零，而是等于空间站的向心加速度，B错误；要实现低轨道的飞船与高轨道的空间站对接，飞船需要从低轨道加速，C错误；根据万有引力提供向心力得，解得地球质量，密度为，可知若已知空间站的运行周期，则可以估算出地球的平均密度，D正确。4.答案：D解析：本题考查图像问题、万有引力定律的应用。若环状物质是天王星的组成部分，则环状物质与天王星同轴转动，角速度大小是定值，由知，，题中图线特点是，说明环状物质不是天王星的组成部分，则天王星的角速度，自转周期，A、B错误；若环状物质是天王星的卫星群，由天王星对环状物质的引力提供环状物质做圆周运动的向心力，有，可得，则，符合题图线性关系，则环状物质是天王星的卫星群，可得图像的斜率等于，不等于天王星的质量，C错误；由的关系图像可知，卫星群在天王星的表面运行的线速度为，此时有，则天王星表面的重力加速度，D正确。5.答案：B解析：本题考查第一宇宙速度、开普勒第三定律、万有引力定律的应用。7.9 km/s是地球卫星最小的发射速度，也是最大的环绕速度，天和核心舱的运行轨道半径大于地球半径，所以其运行速度小于7.9 km/s，A错误；根据开普勒第三定律得，地球同步卫星的轨道半径大于天和核心舱的轨道半径，所以地球同步卫星的周期大于天和核心舱的周期，即天和核心舱的运行周期小于24 h，B正确；万有引力提供向心力，由于天和核心舱距离地心的距离比地球半径大，所以天和核心舱受到的引力比地表处更小，加速度也更小，C错误；天和核心舱做匀速圆周运动，受到的合力大小不变，方向改变，一直指向地心，D错误。6.答案：C解析：本题考查第一宇宙速度、万有引力定律的应用。“天问一号”探测器已经离开地球，所以其发射速度要大于第二宇宙速度11.2 km/s，A错误；根据万有引力提供向心力有，解得，则火星与地球的第一宇宙速度的比值，B错误；在地球表面附近有，解得，则火星表面的重力加速度，C正确；探测器绕地球表面做圆周运动，根据万有引力提供向心力有，解得，同理探测器绕火星表面运行的周期，解得，D错误。
7.答案：AB解析：本题考查不同轨道卫星运行参量的比较。地球表面上的物体，重力近似等于万有引力，由牛顿第二定律可得，解得，对地球静止轨道卫星A，万有引力提供向心力，由牛顿第二定律可得，解得A离地面的高度为，故A符合题意。对卫星C，万有引力提供向心力，由牛顿第二定律），解得，故B符合题意。对卫星B和C，两颗卫星的质量未知，所以不能确定向心力的大小关系，故C不符合题意。由知，中心天体相同，则r越小，v越大，由题图可知卫星C的轨道半径小于卫星B的轨道半径，所以卫星C的线速度大小大于卫星B的线速度大小，故D不符合题意。8.答案：D解析：探测器由轨道I进入轨道Ⅱ，需在O点减速，A项错误。根据开普勒第三定律可知，轨道半径（半长轴）越大周期越大，所以在轨道Ⅱ的运行周期大于在轨道Ⅲ的运行周期，B项错误。由得，可知在轨道Ⅱ运行的线速度小于近火卫星的线速度，即小于火星的第一宇宙速度，C项错误。根据开普勒第二定律可知，探测器与火星中心的连线在相等时间内扫过的面积相等，则探测器在近火星点的线速度大于在远火星点的线速度，所以在轨道Ⅲ上，探测器运行到O点的线速度小于Q点的线速度，D项正确。9.答案：D解析：根据万有引力提供向心力有，得,而，所以卫星“”和“”的加速度为，故A错误；根据万有引力提供向心力有，得，所以卫星“”由位置A运动到位置B所需的时间，故B错误；如果调动“高分一号”卫星到达卫星“”所在的轨道，必须对其加速，使其做离心运动，轨道半径变大，故C错误；“高分一号”是低轨道卫星，其所在高度有稀薄气体，需克服阻力做功，机械能减少，轨道高度降低，则速度增大，故D正确.10.答案：（1）（2）（3）解析：（1）设同步卫星的质量为，由万有引力定律有
①
解得②
（2）由开普勒第三定律得③
代入h解得④
（3）因探测器在停泊轨道运行期间只有动能和引力势能相互转化，所以机械能守恒，则有
⑤
动能的变化量为
⑥