2025教科版高中物理必修第二册强化练习题--4　人造卫星　宇宙速度　5　太空探索(选学)（有解析）

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2025教科版高中物理必修第二册
第三章　万有引力定律
4　人造卫星　宇宙速度　5　太空探索(选学)
基础过关练
题组一　人造卫星
1.(多选题)如图所示,a、b、c、d四种可能的人造地球卫星的轨道,可能存在的是 (　　)
A.a:极地圆轨道,圆心与地心重合
B.b:倾斜圆轨道,圆心与地心重合
C.c:高纬度轨道,圆心与纬度圈圆心重合
D.d:倾斜椭圆轨道,椭圆中心与地心重合
2.(2024四川遂宁射洪中学开学考试)2023年9月21日在距离地球400 km的中国空间站,3位“太空教师”在“天宫课堂”进行了第四课授课,神舟十六号航天员在实验舱演示了钢球在太空舱中的悬停现象。则针对悬停的钢球有 (　　)
A.由于钢球悬停不动,可见太空舱里重力加速度为零
B.钢球围绕地球做匀速圆周运动,比地面赤道上的物体转动得慢
C.由于钢球处于完全失重状态,钢球所在的太空舱里无法称物体的质量
D.钢球围绕地球做匀速圆周运动,它离地的高度比地球同步卫星的高
3.(2023江苏连云港期中)如图所示,A、B、C是同一轨道平面内的三颗人造地球卫星,已知地球表面的重力加速度为g,下列说法正确的是 (　　)
A.根据v=,可知线速度vAB.根据万有引力定律,可知地球对三颗卫星的万有引力FA>FB>FC
C.角速度ωA>ωB>ωC
D.向心加速度aA4.两颗人造地球卫星的质量之比是1∶2,轨道半径之比是3∶1,则下列说法中正确的是(　　)
A.它们的周期之比是3∶1
B.它们的线速度之比是3∶1
C.它们的向心加速度之比是1∶9
D.它们的向心力之比是1∶9
题组二　宇宙速度
5.下列关于第一宇宙速度的说法不正确的是 (　　)
A.它是人造地球卫星绕地球飞行的最小速度
B.它是近地圆形轨道上人造地球卫星的最大运行速度
C.它是能使卫星进入近地圆形轨道的最小发射速度
D.它是人造地球卫星绕地球飞行的最大环绕速度
6.物体脱离地球引力束缚所需要的最小发射速度称为第二宇宙速度,第二宇宙速度v2与第一宇宙速度v1的关系满足v2=,不计其他星球的影响,则该星球的第二宇宙速度为 (　　)
A.
C.
7.(经典题)(2023湖北宜昌期中)如图是关于在地球表面发射卫星时的三种宇宙速度的示意图,椭圆轨道为某卫星的运行轨道,下列说法正确的是 (　　)
A.此卫星的发射速度大于第一宇宙速度
B.此卫星在远地点的速度大于第一宇宙速度
C.若想让卫星进入月球轨道,发射速度需大于第二宇宙速度
D.若想让卫星进入太阳轨道,发射速度需大于第三宇宙速度
8.(2023山东菏泽月考)海王星的质量是地球的17倍,半径是地球的4倍,地球表面的重力加速度为g,地球的第一宇宙速度为v,则(　　)
A.海王星表面的重力加速度为g
B.海王星表面的重力加速度为g
C.海王星的第一宇宙速度为v
D.海王星的第一宇宙速度为v
9.(多选题)中俄曾联合实施探测火星计划,由中国负责研制的“萤火一号”火星探测器与俄罗斯研制的“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。由于火箭故障未能成功,若发射成功,且已知火星的质量约为地球质量的。下列关于火星探测器的说法中正确的是 (　　)
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且小于第三宇宙速度
D.火星探测器环绕火星运行的最大速度约为地球第一宇宙速度的
10.(2024四川成都期末)2023年5月30日9时31分,搭载“神舟十六号”载人飞船的“长征二号”F遥十六运载火箭在酒泉卫星发射中心发射升空,航天员乘组状态良好,发射取得圆满成功。航天员在火星表面以速率v0竖直上抛一物体,物体上升的最大高度为h,已知火星半径为R,自转周期为T,引力常量为G,则 (　　)
A.火星绕太阳运动的向心加速度为R
B.若忽略火星自转,火星的质量为
C.火星的同步卫星的高度为-R
D.若忽略火星自转,火星的第一宇宙速度为v0
题组三　同步卫星
11.北斗卫星导航系统由若干颗中地球轨道卫星、地球静止轨道卫星和倾斜地球同步轨道卫星组成,如图所示,以下说法正确的是 (　　)
A.中地球轨道卫星的运行速度大于第一宇宙速度
B.中地球轨道卫星的运行轨道可在北京所在纬度平面上
C.地球静止轨道卫星相对于地面静止是由于受力平衡
D.地球静止轨道卫星绕地球运行的速度比月球绕地球运行的速度大
12.(2023广东潮州月考)我国在轨运行的气象卫星有两类,如图所示,一类是极地轨道卫星——“风云1号”,绕地球做匀速圆周运动的周期为12 h,另一类是地球同步轨道卫星——“风云2号”,运行周期为24 h。下列说法正确的是 (　　)
A.“风云1号”的线速度大于“风云2号”的线速度
B.“风云2号”的运行速度大于7.9 km/s
C.“风云1号”的发射速度大于“风云2号”的发射速度
D.“风云1号”与“风云2号”相对地面均静止
13.(2024四川资阳期末)2023年9月25日,华为发布了全球首款支持卫星通话的智能手机。卫星通话功能直接将手机的信号发送至地球同步卫星,再由该卫星将信号转发到接收站。如图,A处为赤道附近的空旷地带,某人在A处利用手机拨打卫星电话。已知地球自转的角速度为ω,地球的半径为R,地球的质量为M,引力常量为G。如果地球同步卫星B能接收到此人在A处所拨打的卫星电话,则A、B间的最远距离为 (　　)
A.
C.
题组四　赤道上物体、同步卫星、近地卫星的比较
14.(2023江苏扬州月考)如图所示,地球赤道上的山丘e、近地卫星p和同步卫星q均在赤道平面上绕地心做匀速圆周运动。设e、p、q的线速度大小分别为v1、v2、v3,向心加速度大小分别为a1、a2、a3,则 (　　)
A.v1>v2>v3　　　　B.v1C.a1>a2>a3　　　　D.a115.设地球半径为R,a为静止在地球赤道上的一个物体,b为一颗近地绕地球做匀速圆周运动的人造卫星,c为地球的一颗同步卫星,其轨道半径为r。下列说法中正确的是 (　　)
A.a与c的线速度大小之比为
B.a与c的线速度大小之比为
C.b与c的周期之比为
D.b与c的周期之比为
16.(2024辽宁鞍山期末)已知地球同步卫星的轨道半径约为地球半径的7倍。若某行星的平均密度约为地球平均密度的8倍,自转周期与地球相同,则该行星的同步卫星的轨道半径约为该行星半径的 (　　)
A.14倍　　　B.3.5倍　　　C.7倍　　　D.8倍
能力提升练
题组一　各种人造卫星
1.(2023江苏扬州期中)如图所示是小张画的人造地球卫星轨道示意图,其中圆轨道a、c、d的圆心均与地心重合,a与赤道平面重合,b与某一纬线共面,c与某一经线共面。下列说法正确的是 (　　)
A.a、b、c、d都有可能是卫星的轨道
B.轨道a上的卫星一定是地球静止轨道卫星
C.轨道c上的卫星的运行速度一定小于7.9 km/s
D.轨道a上卫星的运行速率可能与轨道d上卫星的运行速率相等
2.(经典题)(2023山东青岛第三中学期中)有a、b、c、d四颗地球卫星,a还未发射,在赤道表面上随地球一起转动,b是近地轨道卫星,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所示,地球表面的重力加速度等于g,则下列说法正确的是 (　　)
A.a的向心加速度等于g
B.在相同时间内b转过的弧长最长
C.a的线速度等于b的线速度
D.d的运动周期可能是21 h
3.(2024江苏徐州期中)2024年3月25日,“鹊桥二号”中继卫星进入环月轨道飞行,后续将进入如图所示运行周期为24小时的环月大椭圆轨道,依次经过点A、B、C、D。A、C分别是近月点和远月点,B、D是椭圆轨道短轴的两个端点。关于“鹊桥二号”在环月大椭圆轨道上的运动,下列说法正确的是 (　　)
A.在A处的速率小于在C处的速率
B.在A处的加速度小于在C处的加速度
C.从A运动到B的过程中受到月球的引力不断减小
D.从A运动到B和从C运动到D所用时间均为6小时
4.(2024四川绵阳南山中学月考)某款手机已实现手机卫星通信,只要在有卫星信号覆盖的地方,就可以实现通话。如图所示三颗赤道上空的通信卫星就能实现全球通信,已知三颗卫星离地高度均为h,同向顺时针转动,地球的半径为R,地球同步卫星离地高度为6R。下列说法正确的是 (　　)
A.三颗通信卫星受到地球的万有引力的大小相等
B.A卫星仅通过加速就能追上B卫星
C.通信卫星和地球自转周期之比为
D.能实现全球通信时,卫星离地高度至少为R
5.(2024四川绵阳期中)2024年4月25日,我国神舟十八号载人飞船将3名航天员送入中国空间站“天宫”,与神舟十七号航天员进行交接。飞船对接空间站前需先进入近地轨道(绕行半径约为地球半径),再通过变轨进入空间站轨道。已知近地轨道和空间站轨道均为圆周轨道,地球半径为R,空间站高度为h,地球表面重力加速度为g,试求:
(1)神舟十八号在近地轨道时的运行速度大小;
(2)神舟十八号对接空间站后的运行周期。
题组二　宇宙速度　卫星的发射与变轨
6.(多选题)(2023四川仁寿一中期中)如图所示是某同步卫星发射过程的示意图,先将卫星送入一个近地圆轨道,然后在P点点火加速,进入椭圆转移轨道,其中P是近地点,Q是远地点,在Q点再次点火加速进入同步轨道。设卫星在近地圆轨道的运行速率为v1,加速度大小为a1;在P点短时间点火加速之后,速率为v2,加速度大小为a2;沿转移轨道刚到达Q点时速率为v3,加速度大小为a3;在Q点点火加速之后进入圆轨道,速率为v4,加速度大小为a4,则　 (　　)
A.v1=v2　a1C.v37.(多选题)(2024福建龙岩期末)2023年10月26日,“神舟十七号”载人飞船将三名航天员送入空间站。图中轨道Ⅰ为载人飞船运行的椭圆轨道,轨道Ⅱ为空间站运行的圆轨道。两轨道相切于B点,A为椭圆轨道的近地点,B为椭圆轨道的远地点,C为轨道Ⅱ上一点,C、A、B三点在一条直线上,则下列说法正确的是 (　　)
A.载人飞船在轨道Ⅰ上B点的速度大于A点的速度
B.载人飞船在轨道Ⅰ上B点的速度小于空间站在轨道Ⅱ上C点的速度
C.载人飞船在轨道Ⅰ上B点的加速度等于空间站在轨道Ⅱ上B点的加速度
D.载人飞船从A点运行到B点和空间站从C点运行到B点所用的时间相等
8.(2024四川巴中一模)2024年1月18日1时46分,天舟七号货运飞船成功对接于空间站(离地面高度约为400 km)天和核心舱后向端口。天舟七号货运飞船装载了航天员驻留消耗物资、推进剂、应用任务各类载荷和样品等,并为神舟十七号航天员乘组送去龙年春节的“年货”。下列说法正确的是 (　　)
A.为成功对接,天舟七号在与空间站同一轨道上需要加速靠近天和核心舱
B.天舟七号与空间站的组合体在轨道上运行速度大于7.9 km/s
C.天舟七号与空间站的组合体在轨道上运行周期比同步卫星的运行周期大
D.天舟七号与空间站的组合体在轨道上稳定运行时,“年货”处于完全失重状态
答案与分层梯度式解析
第三章　万有引力定律
4　人造卫星　宇宙速度
5　太空探索(选学)
基础过关练
1.AB　如果人造地球卫星的轨道是圆轨道,万有引力提供向心力,地心与圆心重合,C错误,A、B正确;如果人造地球卫星的轨道是椭圆轨道,地心在椭圆的一个焦点上,而不在椭圆中心,D错误。故选A、B。
2.C　钢球在太空中一样受到地球对其的重力,所以重力加速度不为零,故A错误;钢球悬停在空间站不动,随空间站一起绕地球做匀速圆周运动,则钢球和所在的太空舱处于完全失重状态,在太空舱里无法称物体的质量,故C正确;钢球悬停在空间站不动,随空间站一起绕地球做匀速圆周运动,地球同步卫星离地面的高度大约是36 000 km,而中国空间站距离地面400 km,可见钢球离地面的高度比地球同步卫星的低,D错误;钢球围绕地球做匀速圆周运动,有G,则知钢球的角速度比地球同步卫星的大,而地面赤道上物体的角速度与地球同步卫星的角速度相等,所以钢球的角速度比地面赤道上物体的大,则知钢球比地面赤道上的物体转动得快,故B错误。
3.C　同一轨道平面内的三颗人造地球卫星绕同一中心天体(地球)做圆周运动,根据万有引力提供向心力有G,又因为rC>rB>rA,所以aA>aB>aC,D错误。
4.C　人造地球卫星绕地球做圆周运动的向心力由万有引力提供,有G,C正确;由F=ma知,它们的向心力之比是F1∶F2=1∶18,D错误。
5.A　第一宇宙速度是从地球表面发射人造地球卫星的最小发射速度,是人造地球卫星绕地球飞行的最大环绕速度,也是近地圆形轨道上人造地球卫星的最大运行速度,B、C、D正确,A错误,本题要求选不正确的,故选A。
6.A　该星球的第一宇宙速度v1=,选A。
7.A　第一宇宙速度是卫星能环绕地球运行的最小发射速度,卫星的发射速度至少为第一宇宙速度,且轨道越高,发射速度越大,椭圆轨道为卫星的运行轨道,则椭圆轨道上的卫星的发射速度大于第一宇宙速度,A正确;第一宇宙速度是近地卫星绕地球做圆周运动的运行速度,也是卫星绕地球做圆周运动的最大速度,此卫星在远地点做近心运动,此卫星的速度小于在离地相同高度的圆轨道上做圆周运动的速度,故此卫星在远地点的速度小于第一宇宙速度,B错误;卫星在月球轨道运行时还在地球引力范围之内,发射速度不能超过第二宇宙速度,C错误;发射速度大于第三宇宙速度时,卫星将脱离太阳的束缚,飞到太阳系外,D错误。
导师点睛　 对第一宇宙速度的理解
　　(1)第一宇宙速度是卫星环绕地球做匀速圆周运动的最大速度,也是卫星的最小地面发射速度。
　　(2)轨道半径越大的卫星,其运行速度越小,但其地面发射速度越大。
8.B　设地球的质量为M地,半径为R地,海王星的质量为M海,半径为R海,则v,C、D错误。
9.CD　火星探测器前往火星,要脱离地球引力束缚,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,A、B错误,C正确;由,D正确。
10.D　火星绕太阳运动的向心加速度a=,故D正确。
11.D　第一宇宙速度是卫星绕地球做圆周运动的最大环绕速度,中地球轨道卫星运行速度不会大于第一宇宙速度,A错误;中地球轨道卫星所在平面过地心,北京所在纬度平面不过地心,B错误;地球静止轨道卫星转动的周期与地球自转周期相同,与地面保持相对静止,并非受力平衡,C错误;地球静止轨道卫星的轨道半径小于月球绕地球运行的轨道半径,根据v=可知,地球静止轨道卫星绕地球运行的速度大于月球绕地球运行的速度,D正确。
12.A　由,r越大,v越小,A正确。第一宇宙速度7.9 km/s是最大的环绕速度,B错误。把卫星发射得越远,所需发射速度越大,C错误。只有同步卫星即“风云2号”相对地面静止,D错误。
13.C　对卫星B有G,故选C。
14.D　卫星的线速度v=,同步卫星q的轨道半径大于近地卫星p的轨道半径,可知向心加速度a315.D　物体a与同步卫星c角速度相等,由v=rω可得,二者线速度大小之比为,C错误,D正确。
16.A　设地球半径为R,密度为ρ地,同步卫星的轨道半径为r,周期为T,由万有引力提供向心力有G=14,故选A。
能力提升练
1.C　卫星运动过程中的向心力由万有引力提供,故地心必定为卫星做圆周运动的中心,因此b不可能是卫星的轨道,A错误;地球静止轨道卫星在赤道的地面上空,距地面一定高度,轨道a上的卫星不一定是地球静止轨道卫星,B错误;7.9 km/s是第一宇宙速度,是卫星围绕地球做圆周运动的最大速度,则轨道c上的卫星的运行速度一定小于7.9 km/s,C正确;卫星绕地球做匀速圆周运动,由万有引力提供向心力,有,由图可知,轨道a的半径大于轨道d的半径,则轨道a上卫星的运行速率小于轨道d上卫星的运行速率,D错误。
2.B　地球同步卫星的周期与地球自转的周期相同、角速度相同,所以a与c的角速度相同,根据a=ω2r可知,c的向心加速度大于a的向心加速度;根据万有引力提供向心力有G=k,可知卫星的轨道半径越大,周期越大,所以d的运动周期大于c的运动周期,即大于24 h,故D错误。
3.C　“鹊桥二号”在环月大椭圆轨道上运动,A处为近月点,B处为远月点,由开普勒第二定律可知,“鹊桥二号”在A处的速率大于在C处的速率,故A错误;“鹊桥二号”在轨道上只受万有引力,则有a=可知,从A运动到B的过程中受到月球的引力不断减小,故C正确;“鹊桥二号”从A运动到B的平均速率较大,则时间小于6小时,而从C运动到D的平均速率较小,则所用时间大于6小时,故D错误。
4.D　通信卫星受到的万有引力大小为F=G,解得OC=2R=R+h,解得h=R,通信卫星离地高度至少为R,故D正确。
5.答案　(1)
解析　(1)神舟十八号在近地轨道时,由重力提供向心力mg=m
解得v=
(2)神舟十八号对接空间站后,与空间站一起做匀速圆周运动,万有引力提供向心力得
G(R+h)
由黄金代换公式GM=gR2
解得T=
6.BC　由G=ma可知a1=a2;在P点短时间点火加速之后卫星的速率增大,故v17.BC　根据开普勒第二定律可知,载人飞船在轨道Ⅰ上B点的速度小于A点的速度,A错误;载人飞船在轨道Ⅰ上B点加速做离心运动才能进入轨道Ⅱ,则在轨道Ⅰ上B点的速度小于空间站在轨道Ⅱ上C点的速度,B正确;加速度a==G,可知载人飞船在轨道Ⅰ上B点的加速度等于空间站在轨道Ⅱ上B点的加速度,C正确;根据开普勒第三定律可知,在轨道Ⅰ和轨道Ⅱ上运动时周期不同,则空间站从C点运行到B点和载人飞船从A点运行到B点所用的时间不相等,D错误。
规律总结　 变轨过程各物理量分析
　　人造卫星发射后要经过多次变轨方可到达预定轨道,为了节省能量,在赤道上顺着地球自转方向发射卫星到圆轨道Ⅰ上。在A点(近地点)点火加速,由于速度变大,万有引力不足以提供在轨道Ⅰ上做圆周运动的向心力,卫星做离心运动进入椭圆轨道Ⅱ。在B点(远地点)再次点火加速进入圆形轨道Ⅲ。如图所示。
　　(1)速度:设卫星在圆轨道Ⅰ和Ⅲ上运行时的速率分别为v1、v3,在轨道Ⅱ上过A点和B点时速率分别为vA、vB。在A点加速,则vA>v1,在B点加速,则v3>vB,又因v1>v3,故有vA>v1>v3>vB。
　　(2)加速度:因为在A点,卫星只受到万有引力作用,故不论从轨道Ⅰ还是轨道Ⅱ上经过A点,卫星的加速度都相同,同理,经过B点加速度也相同。
　　(3)周期:设卫星在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ轨道上的运行周期分别为T1、T2、T3,轨道半径分别为r1、r2(半长轴)、r3,由开普勒第三定律=k可知T18.D　为成功对接,需点火加速做离心运动从较低轨道进入较高的轨道,故A错误;由万有引力提供向心力有G=m,得v=,可知空间站的轨道半径大于地球的半径,所以天舟七号与空间站的组合体在轨道上的运行速度小于7.9 km/s,故B错误;由万有引力提供向心力有G=mr,得T=2π,可知空间站的轨道半径小于地球同步卫星的轨道半径,由开普勒第三定律得空间站的运行周期小于地球同步卫星的运行周期,故C错误;天舟七号与空间站的组合体在轨道上稳定运行时,因为万有引力充当做圆周运动的向心力,可知空间站内物体处于完全失重状态,故D正确。
归纳总结　 卫星的对接问题
　　(1)低轨道飞船与高轨道空间站对接如图甲所示,低轨道飞船通过合理地加速,沿椭圆轨道(做离心运动)追上高轨道空间站与其完成对接。
　
　　(2)同一轨道飞船与空间站对接如图乙所示,后面的飞船先减速降低高度,再加速提升高度,通过适当控制,使飞船追上空间站时恰好具有相同的速度。
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