2021-2022学年高一下学期物理粤教版（2019）必修第二册3.4宇宙速度与航天 课时作业(Word版含答案)

3.4宇宙速度与航天 课时作业（解析版）
一、选择题
1．关于地球的同步卫星，下列说法正确的是（　　）
A．同步卫星的轨道和北京所在纬度圈共面
B．所有同步卫星距离地面的高度不一定相同
C．所有同步卫星的质量一定相同
D．同步卫星的轨道必须和地球赤道共面
2．人造地球卫星由于受到大气的阻力，其轨道半径逐渐减小，其相应的线速度和周期的变化情况是（　　）
A．线速度变大，周期变小 B．线速度不变，周期变小
C．线速度变小，周期不变 D．线速度变大，周期变大
3．年中俄将联合实施探测火星活动计划，由中国负责研制的“萤火一号”火星探测器将与俄罗斯研制的“福布斯-土壤”火星探测器一起由俄罗斯“天顶”运载火箭发射前往火星。已知火星的质量约为地球质量的，火星的半径约为地球半径的。下列关于火星探测器的说法正确的是（　　）
A．发射速度只要大于第一宇宙速度即可
B．发射速度只有达到第三宇宙速度才可以
C．发射速度应大于第二宇宙速度、小于第三宇宙速度
D．火星探测器环绕火星运行的最大速度约为第一宇宙速度的
4．我国计划在2020年左右，由“长征五号”运载火箭发射火星探测器，直接将其送入地—火转移轨道，一次实现“环绕、着陆、巡视”3个工程目标。若地球质量约为火星质量的10倍，地球半径约为火星半径的2倍，地球的第一宇宙速度大小为v，地球表面的重力加速度为g。在把探测器发射到火星上的过程中，下列说法正确的是（　　）
A．探测器的发射速度大小必须介于第一宇宙速度和第二宇宙速度之间
B．火星表面的第一宇宙速度大小是
C．探测器绕火星表面运行的速度为
D．探测器绕火星表面运行的加速度为
5．中国科学技术大学潘建伟教授领衔的团队实现千公里级的星地双向量子纠缠分发。已知“墨子号”卫星最后定轨离地面500km的圆轨道上，同步卫星距离地面的高度约为36000km，已知引力常量G，地球半径R，地球表面重力加速度g，地球自转周期T。下列正确的是（　　）
A．“墨子号”卫星的线速度小于地球同步通信卫星的线速度
B．“墨子号”卫星的向心加速度与地面的重力加速度相同
C．由以上数据不能算出地球的质量
D．由以上数据可以算出“墨子号”环绕地球运行的线速度大小
6．飞天揽月，奔月取壤，嫦娥五号完成了中国航天史上一次壮举。如图所示为嫦娥五号着陆月球前部分轨道的简化示意图，Ⅰ是地月转移轨道，Ⅱ、Ⅲ是绕月球运行的椭圆轨道，Ⅳ是绕月球运行的圆形轨道。P、Q分别为椭圆轨道Ⅱ的远月点和近月点。已知圆轨道Ⅳ到月球表面的高度为h，月球半径为R，月球表面的重力加速度为g，不考虑月球的自转，下列关于嫦娥五号说法正确的是（　　）
A．在Ⅳ轨道上绕月运行的速度大小为
B．在Ⅱ轨道上稳定运行时经过P点的加速度大于经过Q点的加速度
C．在Ⅲ轨道上的机械能比Ⅳ轨道上大
D．由Ⅰ轨道进入Ⅱ轨道需在P处向前喷气，由Ⅱ轨道进入Ⅲ轨道需在Q处向后喷气
7．如图所示，两颗卫星甲和乙分别在圆轨道Ι和椭圆轨道Ⅱ上绕地球运动，A点为轨道Ⅱ上的近地点，B点为远地点。卫星甲在轨道Ι上的环绕速度为v1，卫星乙在A点的速度为v2，在B点的速度为v3，则下列关系正确的是（ ）
A．
B．
C．
D．
8．如图所示，卫星a、b、c沿圆形轨道绕地球运行。a是极地轨道卫星，在地球两极上空约1000km处运行；b是低轨道卫星，距地球表面高度与a相等；c是地球同步卫星，则（　　）
A．a卫星的加速度比c卫星大
B．a、b卫星所受到的地球的万有引力大小相等
C．三颗卫星半径的三次方与周期的二次方比值都不相等
D．a卫星的周期比c卫星大
9．如图所示为某卫星沿椭圆轨道绕地球运动的示意图，已知地球半径为R，地球表面的重力加速度为g，卫星远地点距地心的距离为3R。则（　　）
A．卫星在远地点的速度小于
B．卫星经过远地点时速度最大
C．卫星经过远地点时的加速度大小为
D．卫星经过远地点时加速后不能再次经过远地点
10．我国航天科技集团计划2021年发射我国自己的载人航天空间站。如果我国即将发射的航天空间站在赤道上空运行，其绕地球运行的周期为T，已知地球半径为R，地球的自转周期为，地球表面的重力加速度为g，下列说法正确的是（　　）
A．航天空间站在轨运行速度一定大于
B．航天空间站离地高度为
C．航天空间站的向心加速度大小为
D．如果某时刻航天空间站在赤道上某点上空，则再经过时间T空间站又到达该点上空
11．如图，在发射地球同步卫星的过程中，卫星首先进入椭圆轨道Ⅰ，然后在Q点通过改变卫星速度，让卫星进入地球同步轨道Ⅱ．则下列说法中的错误的有（　　）
A．在轨道Ⅰ上，卫星在P点的速度大于在Q点的速度
B．卫星在同步轨道Ⅱ上的运行速度小于第一宇宙速度7.9km/s
C．在轨道Ⅱ上经过Q的加速度大于在轨道Ⅰ上经过Q的加速度
D．卫星在Q点通过加速实现由轨道Ⅰ进入轨道Ⅱ
12．2008年9月25日21时10分，载着翟志刚、刘伯明、景海鹏三位宇航员的“神舟七号”飞船在中国酒泉卫星发射中心发射成功。如果“神舟七号”飞船在离地球表面h高处的轨道上做周期为T的匀速圆周运动，已知地球的半径为R，引力常量为G，在该轨道上，关于“神舟七号”飞船，下列说法中正确的是（　　）
A．运行的线速度大于第一宇宙速度
B．运行时的向心加速度大小为
C．地球表面的重力加速度大小可表示为
D．运行的线速度大小为
13．发射地球同步卫星时，先将卫星发射到近地圆轨道1，然后点火，使其沿椭圆轨道2运行，最后再次点火，将卫星送入同步圆轨道3.轨道1、2相切于Q点，轨道2、3相切于P点。如图所示，则当卫星分别在1、2、3轨道上正常运行时，下列说法中正确的是（　　）
A．卫星在轨道2上经过Q点的速度大于在轨道1上经过Q点的速度
B．无论在上述哪个轨道上运行，卫星的速率始终不会大于7.9km/s
C．卫星在轨道2上经过Q点的速率大于在轨道2上经过P点的速率
D．卫星在轨道2上经过P点时的加速度等于它在轨道3上经过P点时的加速度
14．某颗北斗导航卫星属于地球静止轨道卫星（即卫星相对于地面静止）。则此卫星的（　　）
A．线速度大于第一宇宙速度
B．周期等于地球的自转周期
C．角速度大于月球绕地球运行的角速度
D．向心加速度大于地面的重力加速度
二、解答题
15．已知地球半径为R，表面重力加速度为g，一昼夜时间为T，万有引力常量为G，忽略地球自转的影响。试求：
（1）第一宇宙速度；
（2）近地卫星的周期；
（3）同步卫星高度；
（4）地球平均密度。
16．如图a、b分别是蜡烛在地球重力环境下和在太空微重力环境下燃烧的景象，你感到奇妙吗？假如你获得在飞船上进行实验的机会，请你设计一个在太空微重力环境下的实验（要求说明实验目的、仪器装置、理论意义或社会价值等）
参考答案
1．D
【详解】
AD．同步卫星所受向心力指向地心，与地球自转同步，故其所在轨道与赤道共面。故A错误；D正确；
BC．同步卫星距离地面的高度一定相同，但卫星的质量不一定相同。故BC错误。
故选D。
2．A
【详解】
由于受大气阻力，卫星运动的轨道半径逐渐缓慢减小，根据开普勒第三定律
可知，该卫星运动的周期将减小。卫星运动的半径逐渐缓慢减小，每一周可以近似看作匀速圆周运动，万有引力提供向心力
解得该卫星的线速度
卫星运动的半径逐渐缓慢减小，可知线速度增加。
故选A。
3．C
【详解】
ABC．火星探测器前往火星，脱离地球引力束缚，但还在太阳系内，发射速度应大于第二宇宙速度、小于第三宇宙速度，AB错误，C正确；
D．由
得
已知火星的质量约为地球质量的，火星的半径约为地球半径的，那么可计算出火星的第一宇宙速度是地球第一宇宙速度的倍，火星探测器环绕火星运行的最大速度即为火星的第一宇宙速度，D错误。
故选C。
4．B
【详解】
A．探测器要脱离地球的吸引，则发射速度大小必须大于第二宇宙速度，故A错误；
BC．地球半径约为火星半径的2倍，地球质量约为火星质量的10倍，根据公式
地球和火星的第一宇宙速度之比为
即火星表面的第一宇宙速度大小是，探测器绕火星表面运行的速度为，故B正确，C错误；
D．地球半径约为火星半径的2倍，地球质量约为火星质量的10倍，根据公式
重力加速度之比为
探测器绕火星表面运行的加速度为
故D错误。
故选B。
5．D
【详解】
A．依题意，知“墨子号”卫星的轨道半径小于于地球同步通信卫星的轨道半径，根据
可知，“墨子号”卫星的线速度大于地球同步通信卫星的线速度，故A错误；
B．依题意，根据
可知“墨子号”卫星的向心加速度小于地面的重力加速度，故B错误；
CD．根据
知道同步卫星的周期
已知半径
所以可求解地球的质量；根据
又已知卫星的轨道半径
所以，可求解“墨子号”环绕地球运行的线速度大小，故C错误，D正确。
故选D。
6．C
【详解】
A．不考虑月球的自转，在月球表面的物体受到的重力等于万有引力
嫦娥五号在Ⅳ轨道上绕月运行时由引力作为向心力可得
联立可得在Ⅳ轨道上绕月运行的速度大小为
A错误；
B．在Ⅱ轨道上稳定运行时据牛顿第二定律可得
解得
经过P点时r较大，加速度a较小，B错误；
C．从Ⅲ轨道进入Ⅳ轨道应在Q点减速，机械能减小，故在Ⅲ轨道上的机械能比Ⅳ轨道上大，C正确；
D．由Ⅰ轨道进入Ⅱ轨道需在P处进行减速，应向前喷气，由Ⅱ轨道进入Ⅲ轨道需在Q处进行减速，应向前喷气，D错误。
故选C。
7．B
【详解】
假设卫星乙在B点加速变轨至更高的圆轨道Ⅲ上，且在圆轨道Ⅲ上的运行速率为v4，则有
假设卫星乙在A点减速变轨更低的圆轨道Ⅳ上，且在圆轨道Ⅳ上的运行速率为v5，则有
v5＜v2
设卫星在半径为r的圆轨道上做匀速圆周运动的速率为v，根据牛顿第二定律有
解得
由上式可知
综上所述可知
故选B。
8．A
【详解】
A．卫星绕地球做匀速圆周运动，万有引力提供向心力，根据
可得
a卫星的轨道半径小于c的轨道半径，则a的加速度大于c的加速度，故A正确；
B．根据向心力公式
卫星a、b的质量未知，故无法比较万有引力的大小，故B错误；
C．根据开普勒第三定律
由于三颗卫星均绕地球运动，则半径的三次方与周期的二次方比值都相等，故C错误；
D．卫星绕地球做匀速圆周运动，万有引力提供向心力，根据
可得
a卫星的轨道半径小于c的轨道半径，则a的周期小于c的周期，故D错误。
故选A。
9．A
【详解】
A．若卫星在远地点做匀速圆周运动，则有
解得
结合黄金代换式
解得
因为卫星在远地点做圆周运动时，若要变轨到此椭圆轨道，需要减速做近心运动，故卫星在远地点的速度小于，故A正确；
B．根据开普勒第二定律可知，卫星经过远地点时速度最小，故B错误；
C．根据
解得
故C错误；
D．卫星经过远地点时加速后可以做过远地点的匀速圆周运动，故D错误。
故选A。
10．C
【详解】
A．航天空间站在轨运行速度一定小于第一宇宙速度即，故A错误；
B．根据万有引力提供向心力
在地球表面有
航天空间站离地高度为
故B错误；
C．根据万有引力提供向心力
航天空间站的向心加速度大小
故C正确；
D．如果某时刻航天空间站在赤道上某点上空，空间站转动过程中，地球本身也在自转，则再经过时间T空间站不一定又到达该点上空，故D错误。
故选C。
11．C
【详解】
A．在轨道Ⅰ上，由P点向Q点运动，万有引力做负功，动能减小，所以P点的速度大于Q点的速度，A正确；
B．7.9km/s是第一宇宙速度，是卫星绕地球做匀速圆周运动的最大速度，所以卫星在同步轨道Ⅱ上的运行速度小于第一宇宙速度7.9km/s，B正确；
C．在同一个点，受到的万有引了是相同的，所以在轨道Ⅱ上经过Q的加速度等于在轨道Ⅰ上经过Q的加速度，C错误；
D．卫星在轨道Ⅰ上的Q点，需加速，做离心运动，进入轨道Ⅱ，D错误。
故选C。
12．BC
【详解】
A．第一宇宙速度是近地卫星环绕的速度，根据
可知“神舟七号”飞船运行的线速度小于第一宇宙速度，故A错误；
B．“神舟七号”飞船向心加速度大小为
故B正确；
C．地球表面的重力加速度大小
又因为
可得
联立求得
故C正确；
D．“神舟七号”飞船运行的线速度大小
故D错误。
故选BC。
13．ACD
【详解】
A．卫星由轨道1变为轨道2，需要在Q点加速，速度增大，故卫星在轨道2上经过Q点的速度大于在轨道1上经过Q点的速度，A正确；
B．先将卫星发射至近地圆轨道1，圆轨道1的运行速度为7.9km/s，卫星在椭圆轨道2上的近地点Q，要作离心运动，则速度一定大于7.9km/s，B错误；
C．根据开普勒第二定律可知，卫星在轨道2上经过Q点的速率大于在轨道2上经过P点的速率，C正确；
D．卫星在P点时只受万有引力，根据牛顿第二定律可得卫星在P点时的加速度为
a = G
则卫星在轨道2上经过P点时的加速度等于它在轨道3上经过P点时的加速度，D正确。
故选ACD。
14．BC
【详解】
A．第一宇宙速度7.9km/s是卫星绕地球做圆周运动的最大环绕速度，故此卫星的线速度小于第一宇宙速度，故A错误；
B．根据题意，该卫星是一颗同步卫星，周期等于地球自转的周期，故B正确；
C．卫星绕地球做圆周运动时，万有引力提供向心力，根据
可知，绕行半径越小，角速度越大，故此卫星的角速度大于月球绕地球运行的角速度，故C正确；
D．根据
可知，绕行半径越大，向心加速度越小，此卫星的向心加速度小于地面的重力加速度，故D错误。
故选BC。
15．（1）；（2）；（3）；（4）
【详解】
（1）地球表面的物体所受重力等于万有引力，即
由牛顿第二定律得
解得
（2）近地卫星的周期
（3）同步卫星做圆周运动万有引力提供向心力，由牛顿第二定律得
解得高度为
（4）地球的平均密度为
16．奇妙，见解析
【详解】
实验目的：探究太空中的失重现象。
仪器装置：弹簧测力计、砝码。
实验过程：在太空中用砝码挂在弹簧测力计上。
实验现象：弹簧测力计的示数几乎趋于0，砝码处于失重。
社会价值：利用太空失重现象，可以在太空生产轴承的铁珠，铁珠会更加趋于理想球形。