3.4人造卫星 宇宙 学科素养提升练-2021-2022学年高一下学期物理教科版（2019）必修第二册（word含答案）

3.4人造卫星 宇宙 学科素养提升练（解析版）
一、选择题
1．2021年12月9日，中国空间站“天宫课堂”第一课开讲。空间站轨道可简化为高度约400km的圆轨道，认为空间站绕地球做匀速圆周运动。在400km的高空也有非常稀薄的空气，为了维持空间站长期在轨道上做圆周运动，需要连续补充能量。下列说法中正确的是（　　）
A．假设不补充能量，空间站将做离心运动
B．假设不补充能量，系统的机械能将减小
C．实际空间站的运行速度大于第一宇宙速度
D．实际空间站的运行速度大于第二宇宙速度
2．2012年10月，美国耶鲁大学的研究人员发现一颗完全由钻石组成的星球，通过观测发现该星球的半径是地球的2倍，质量是地球的8倍，假设该星球有一颗近地卫星，下列说法正确的是（　　）
A．该星球的近地卫星周期跟地球的近地卫星周期相等
B．该星球近地卫星的速度是地球近地卫星速度的4倍
C．该星球表面的重力加速度是地球表面重力加速度的4倍
D．该星球的密度是地球密度的2倍
3．量子卫星成功运行后，我国将在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信，构建天地一体化的量子保密通信与科学实验体系。假设量子卫星轨道在赤道平面，如图所示。已知量子卫星的轨道半径是地球半径的m倍，同步卫星的轨道半径是地球半径的n倍，图中P点是地球赤道上一点，由此可知（　　）
A．同步卫星与量子卫星的运行周期之比为
B．同步卫星与P点的速度之比为
C．量子卫星与同步卫星的速度之比为
D．量子卫星与P点的速度之比为
4．我国“嫦娥四号探月工程”实现了人类飞行器第一次在月球背面着陆，为此发射了提供通信中继服务的“鹊桥”卫星，并定点在如图所示的地月连线外侧的位置L处。“鹊桥”卫星与月球保持相对静止一起绕地球运动。“鹊桥”卫星、月球绕地球运动的加速度大小分别为a1、a2，线速度大小分别为v1、v2，周期分别为T1、T2，轨道半径分别为r1、r2，下列关系正确的是（　　）
A．T1＜T2 B．a1=a2=0 C．v1 >v2 D．
5．一般的曲线运动可以分成很多小段，每小段都可以看成圆周运动的一部分，即把整条曲线用一系列不同半径的小圆弧来代替。如图甲所示，通过A点和曲线上紧邻A点两侧的两点作一圆，在极限情况下，这个圆叫作A点的曲率圆，其半径ρ叫做A点的曲率半径。如图乙所示，行星绕太阳作椭圆运动，太阳在椭圆轨道的一个焦点上，近日点B和远日点C到太阳中心的距离分别为rB和rC，已知太阳质量为M，行星质量为m，万有引力常量为G，行星通过B点处的速率为vB，则椭圆轨道在B点的曲率半径和行星通过C点处的速率分别为（　　）
A． ， B． ，
C． ， D． ，
6．2021年10月16日，神舟十三号载人飞船成功与天宫号空间站实现径向自主交会对接，即在对接时使飞船直立，消除与空间站的偏差，达到相对静止，实现与空间站对接．对接前，载人飞船与空间站处在不同的轨道上，载人飞船的轨道处在空间站轨道的下方，下列说法正确的是（　　）
A．对接前，载人飞船一直加速才能到达空间站的轨道
B．对接时，载人飞船的速度应该沿轨道半径方向
C．对接时，载人飞船与空间站的加速度大小相同
D．对接前，载人飞船的速度比空间站的速度小
7．“神舟十二号”载人飞船于2021年6月17日，顺利发射升空开启了为期3个月的天宫空间站之旅。神舟十二号飞船经历上升、入轨交会飞行后，与已经和天舟货运船形成组合体的空间站核心舱对接，航天员进入空间站组合体，整体在距离地球表面400公里的轨道稳定运行，则下列说法正确的是（　　）
A．“神舟十二号”卫星的向心加速度大于“空间站”的向心加速度
B．发射“神舟十二号”卫星的速度小于第一宇宙速度
C．已知“神舟十二号”卫星的线速度与角速度，可以求得地球质量
D．“神舟十二号”卫星的周期大于24小时
8．宇航员在某星球上能用比地球上小得多的力搬起同一个铁球。则下列说法中正确的是（　　）
A．说明这星球的半径比地球的半径小
B．说明这星球表面的重力加速度比地球表面的重力加速度小
C．说明这星球上宇航员将同一拉力器拉至相同长度时比地球上更省力
D．说明这星球的第一宇宙速度比地球的第一宇宙速度小
9．2021年6月7日，搭载神舟十二号载人飞船的运载火箭，在酒泉卫星发射中心点火发射。神舟十二号飞船入轨后，成功与天和核心舱对接，3名航天员顺利进入天和核心舱，标志着中国人首次进入自己的空间站。如图为飞船运动过程的简化示意图。飞船先进入圆轨道1做匀速圆周运动，再经椭圆轨道2，最终进入圆轨道3完成对接任务。轨道2分别与轨道1、轨道3相切于A点、B点。则飞船（　　）
A．在轨道1的运行周期大于在轨道3的运行周期
B．在轨道2运动过程中，经过A点时的速率比B点大
C．在轨道2运动过程中，经过A点时的加速度比B点小
D．从轨道2进入轨道3时需要在B点处减速
10．2020年11月24日4时30分，我国在海南文昌航天发射场，用长征五号遥五运载火箭成功发射“嫦娥五号”探测器，顺利将探测器送入预定轨道，执行首次月球“采样返回”任务。假设“嫦娥五号”探测器登陆月球的过程如图所示，探测器在圆轨道Ⅰ的A点第一次点火后进入椭圆轨道Ⅱ，到达B点时第二次点火变轨到圆轨道Ⅲ绕月做圆周运动，设圆轨道Ⅰ的半径为4R，圆轨道Ⅲ为近月轨道，月球半径为R，月球表面的重力加速度为g0，则探测器在轨道Ⅰ上的运行速率v1的大小等于（　　）
A． B． C． D．
11．如图所示，、两卫星在赤道平面内绕地球做匀速圆周运动，卫星的运行周期为24h。已知引力常量为，地球的质量为、半径为，则下列说法正确的是（　　）
A．地球赤道上的重力加速度大于
B．卫星所受地球引力大于卫星所受地球引力
C．卫星运行的周期小于24h
D．在相同时间内，卫星、卫星与地心连线扫过的面积相等
12．一行星围绕某恒星做匀速圆周运动。由天文观测可得其运行周期为T、线速度为v，已知万有引力常量为G，则（　　）
A．行星运动的轨道半径为
B．行星的质量为
C．恒星的质量为
D．恒星表面的重力加速度大小为
13．如图所示，质量相同的三颗卫星a、b、c绕地球做匀速圆周运动，其中b、c在地球的同步轨道上，a距离地球表面的高度为R，此时a、b恰好相距最近。已知地球质量为M、半径为R、地球自转的角速度为ω，万有引力常量为G，则（　　）
A．发射卫星b时速度要大于11.2 km/s
B．卫星a的机械能小于卫星b的机械能
C．卫星a和b下一次相距最近还需经过
D．若要卫星c沿同步轨道与b实现对接，可让卫星c加速
14．2016年10月19日凌晨，“神舟十一号”载人飞船与距离地面393km的圆轨道上的“天宫二号”成功交会对接．已知地球半径为R＝6400km，引力常量G＝6.67×10－11N·m2/kg2，“天宫二号”绕地球飞行的周期为90分钟，地球表面的重力加速度为9.8m/s2，则（　　）
A．由题中数据可以求得地球的平均密度
B．“天宫二号”的发射速度应大于7.9km/s
C．“天宫二号”的向心加速度小于同步卫星的向心加速度
D．“神舟十一号”与“天宫二号”对接前始终处于同一轨道上
15．四颗地球卫星，还未发射，在地球赤道上随地球表面一起转动，向心加速度为；处于近地轨道上，运行速度为；是地球同步卫星，离地心距离为，运行速度为，加速度为；是高空探测卫星，各卫星排列位置如图所示，已知地球的半径为，则有（　　）
A．的向心加速度等于重力加速度 B．
C． D．的运动周期不可能是20小时
二、解答题
16．“天问一号”是中国首个火星探测器，其名称来源于我国著名爱国主义诗人屈原的长诗《天问》。2021年2月10日19时52分我国首次火星探测任务“天问一号”探测器实施近火捕获制动，成功实现环绕火星运动，成为我国第一颗人造火星卫星。在“天问一号”环绕火星做匀速圆周运动时，周期为，轨道半径为，已知火星的半径为，引力常量为，不考虑火星的自转。求：
（1）“天问一号”环绕火星运动的线速度的大小；
（2）火星的质量；
（3）火星表面的重力加速度的大小。
17．如图，a和b是某天体M的两个卫星，它们绕天体公转的周期为Ta和Tb，某一时刻两卫星运动至图示位置，且公转方向相同。
（1）至少经过多长时间，两卫星再次相距最近？
（2）自图示位置开始，在此后b转动2周的过程中，a、b相距最近一共有多少次？
参考答案
1．B
【详解】
AB．在400km的高空也有非常稀薄的空气，空间站克服空气阻力做功，系统机械能减小，假设不补充能量，空间站的速度减小，则万有引力大于所需向心力，则空间站做近心运动，故A错误B正确；
CD．任何围绕地球做圆周运动的物体，运行速度都小于第一宇宙速度，故CD错误。
故选B。
2．A
【详解】
A．根据万有引力提供向心力，星球的近地卫星轨道半径近似等于星球半径
可知
则该星球的近地卫星周期跟地球的近地卫星周期之比
故A正确；
B．根据万有引力提供向心力，星球的近地卫星轨道半径近似等于星球半径
可知
则该星球的近地卫星周期跟地球的近地卫星速度之比
故B错误；
C．根据
可知
则该星球表面的重力加速度跟地球表面的重力加速度之比
故C错误；
D．根据万有引力提供向心力，星球的近地卫星轨道半径近似等于星球半径
可知
又有星球体积
联立可得
该星球的密度与地球密度之比
故D错误。
故选A。
3．D
【详解】
A．由开普勒第三定律得
又由题意知
,
所以
故A错误；
B．P为地球赤道上一点，P点角速度等于同步卫星的角速度，根据
所以有
故B错误；
C．根据
得
所以
故C错误；
D．综合B、C，有
可得
得
故D正确。
故选D。
4．C
【详解】
AD．鹊桥卫星在月球外侧与月球一起绕地球圆周运动，与月球保持相对静止，其周期与月球绕地周期相同，故AD错误；
B．根据
a=rω2=r
可知，鹊桥卫星的轨道半径大于月球的轨道半径，故其绕地球运动的加速度大于月球绕地球运动的加速度，故B错误；
C．据
v=rω=r
可知，鹊桥卫星的轨道半径大，线速度大，故C正确。
故选C。
5．C
【详解】
根据曲率圆的定义分析，在B点时，万有引力提供向心力
解得曲率半径
根据椭圆的对称性可知，在C点处，曲率半径也为RB，根据万有引力提供向心力
解得行星通过C点处的速率
故选C。
6．C
【详解】
A．对接前载人飞船的轨道处在空间站轨道的下方，需要先加速，进入与空间站同一轨道后再匀速才能实现对接，选项A错误；
B．对接时，载人飞船的速度应该沿轨道切线方向，选项B错误；
C．对接时，载人飞船与空间站具有相同的轨道半径，根据
可知加速度大小相同，选项C正确；
D．对接前，载人飞船的轨道半径小于空间站的轨道半径，则根据
可知载人飞船的速度比空间站的速度大，选项D错误。
故选C。
7．C
【详解】
A．根据公式则有
可得
“神舟十二号”与“空间站”对接后处于同一轨道，所以它们的向心加速度相等，故A错误；
B．发射“神舟十二号”卫星需要达到第一宇宙速度才能围绕地球做圆周运动，故B错误；
C．根据公式
可知，如果已知 “神舟十二号”卫星的线速度与角速度，可以求得地球的质量，故C正确；
D．根据公式
地球同步卫星的轨道高度约为3.6万千米，“神舟十二号”卫星的轨道高度为400公里，远小于同步卫星的轨道高度，由上式可知其周期小于24小时，故D错误。
故选C。
8．B
【详解】
AB．一位宇航员在某星球上能用比地球上小得多的力搬起石头，说明某星球的重力加速度小于地球的重力加速度，在星球表面上有，根据
又
解得
由于这个星球与地球的密度大小关系不知道，故无法知道两星球的半径大小，故A错误，B正确；
C．在地球上和在某星球上将同一拉力器拉至相同长度时拉力器的弹力相同，则宇航员用力相同，与重力加速度无关，故C错误；
D．在星球表面上空有，根据万有引力提供向心力
在星球表面上有，根据
联立解得
由于不知道两星球的半径大小，故两星球的第一宇宙速度大小无法比较，故D错误。
故选B。
9．B
【详解】
A．根据
可得
由上式可知飞船在轨道1的运行周期小于在轨道3的运行周期，故A错误；
B．根据开普勒第二定律可知，飞船在轨道2运动过程中，经过A点时的速率比B点大，故B正确；
C．根据
可知飞船在轨道2运动过程中，经过A点时的加速度比B点大，故C错误；
D．飞船从轨道2进入轨道3时需要在B点处加速，故D错误。
故选B。
10．B
【详解】
探测器在圆轨道1上运行时，根据万有引力提供向心力有
做匀速圆周运动的半径为，而在月球表面上的物体有
联立解得
故选B。
11．C
【详解】
A．赤道上的物体随地球自转需要向心力
所以
选项A错误；
B．和的质量未知，无法比较它们所受地球引力的大小，选项B错误；
C．由开普勒第三定律可知，卫星的轨道半径越大，运行的周期越长，因运行的周期为24h，故运行的周期小于24h，选项C正确；
D．根据开普勒第二定律可知，对同一卫星而言，它与地心的连线在相等的时间内扫过的面积相等，选项D错误。
故选C。
12．C
【详解】
A．行星做匀速圆周运动，根据线速度与周期的关系可知
v
解得
故A错误；
B．行星属于环绕天体，质量无法求出，故B错误；
C．根据万有引力提供向心力，有
解得恒星的质量为
故C正确；
D．恒星的半径未知，表面的重力加速度无法确定，故D错误。
故选C。
13．BC
【详解】
A．发射卫星的速度大于第一宇宙速度小于第二宇宙速度，所以发射卫星b时速度要小于11.2 km/s，则A错误；
B．卫星a的机械能小于卫星b的机械能，根据卫星的变轨规律可知，由低轨道进入高轨道需要点火加速度，所以B正确；
C．根据
可得
卫星a和b下一次相距最近所需要的时间为t，则有
解得
所以C正确；
D．若要卫星c沿同步轨道与b不右能实现对接，因为卫星c加速后进入了更高轨道，所以D错误；
故选BC。
14．AB
【详解】
A．由万有引力提供向心力
得
又
A正确；
B．v=7.9 km/s为第一宇宙速度，即为最小的发射速度，由于“神舟十一号”载人飞船与距离地面393km的圆轨道上天宫二号对接，故“天宫二号”的发射速度应大于7.9km/s，B正确；
C．根据
解得
“天宫二号”的半径小于同步卫星的半径，故“天宫二号”的向心加速度大于同步卫星的向心加速度，C错误；
D．因为同一轨道，运行速度大小相等，无法实现对接，D错误。
故选AB。
15．CD
【详解】
A．同步卫星的周期与地球自转周期相同，角速度相同，则知a与c的角速度相同，根据
a=ω2r
知，c的向心加速度大于a的加速度，卫星的轨道半径越大，向心加速度越小，则同步卫星的向心加速度小于b的向心加速度，而b的向心加速度约为g，故知a的向心加速度小于重力加速度g，故A错误；
B．由
得
所以
选项B错误；
C．由
得
C正确；
D．由开普勒第三定律
卫星的半径越大，周期越大，所以d的运动周期大于c的周期24h，不可能是20h，选项D正确；
故选CD。
16．（1）；（2）；（3）
【详解】
（1）由线速度定义可得
（2）设“天问一号”的质量为m，引力提供向心力有
得
（3）忽略火星自转，火星表面质量为的物体，其所受引力等于重力
得
17．（1）；（2）
【详解】
（1）两卫星再次相距最近，则有
根据
整理可得
解得
（2）b转动2周的过程中所用的时间为
a、 b相距最近的次数为