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高中物理2025高考二模三模冲刺分项解析
专题8 卫星和宇宙速度
1. (2024~2025学年度苏锡常镇四市高三教学情况调研(二))我国太阳探测卫星“羲和号”在离地球表面高度517km的圆轨道上运行,则该卫星与地球同步卫星相比,具有相同的( )
A. 发射速度 B. 向心加速度
C. 周期 D. 轨道圆心
2. (江西省重点中学盟校2024—2025年高三第二次联考)太阳系外有一颗行星,它的体积是地球的5倍,质量是地球的18倍。已知近地卫星的周期是84分钟,引力常量,由此可估算该行星的平均密度为( )
A. B.
C. D.
3. (河西区2024-2025 学年度第二学期高三年级总复习质量调查(二))太空电梯是一种设想中的交通工具,能够将人员和货物从地球表面直接运送到太空。如图是太空电梯的示意图,超级缆绳将地球赤道上的固定基地、同步空间站和配重空间站连接在一起,使它们随地球同步旋转;电梯轿厢可以沿着超级缆绳往返于空间站和基地之间。已知配重空间站的轨道比静止卫星的轨道更高。此时电梯轿厢正停在处。下列说法正确的是( )
A. 轿厢中的货物处于平衡状态
B. 与天津广播电视塔相比,同步空间站绕地球运动的线速度更小
C. 超级缆绳上各点的加速度与该点到地球球心的距离的平方成反比
D. 若从配重空间站脱落一个小物块,该物块脱落后做离心运动
4. (2025年5月天津红桥二模高三物理)如图所示,A是静止在赤道上的物体,B、C是同一平面内两颗人造卫星。B位于离地高度等于地球半径的圆形轨道上,C是地球同步卫星。下列说法中正确的是( )
A. 卫星B的速度大小小于地球的第一宇宙速度
B. A、B的线速度大小关系为
C. B、C的向心加速度大小关系为
D. A、B、C周期大小关系为
5. (深圳市高级中学高中园2025届高三下学期第三次模拟考试)2024年4月25日,神舟十八号载人飞船与距地表约400 km的空间站顺利完成径向对接,这种对接比前向和后向对接更难。径向对接时飞船在空间站正下方200 m的“停泊点”处调整为垂直姿态,并保持相对静止。准备好后,再逐步上升到“对接点”,最终与空间站完成对接。飞船和空间站对接后,组合体绕地球做匀速圆周运动。已知地球静止卫星位于地面上方高度约36000 km处。下列说法正确的是( )
A. 飞船维持在200 m“停泊点”的状态时,其运动速度大于空间站运动速度
B. 飞船维持在200 m“停泊点”的状态时,仅万有引力提供向心力
C. 组合体的运动周期比地球静止卫星的运动周期小
D. 对接稳定后空间站速度减小
6. (广东省2025年广州市普通高中毕业班第三次模考)我国预计在2030年前实现载人登月,登月的初步方案是:采用两枚运载火箭分别将月面着陆器和载人飞船送至环月轨道对接,航天员从飞船进入月面着陆器。月面着陆器将携航天员下降着陆于月面预定区域。在完成既定任务后,航天员将乘坐着陆器上升至环月轨道与飞船交会对接,并携带样品乘坐飞船返回地球。已知月球的半径约为地球的,月球表面重力加速度约为地球的,则( )
A. 发射火箭的速度必须达到地球的第二宇宙速度
B. 月面着陆器下降着陆过程应当一直加速
C. 载人飞船在环月轨道匀速圆周运动的运行速度小于地球的第一宇宙速度
D. 航天员在月面时受到月球的引力小于其在环月轨道时受到月球的引力
7. (天津市九校联考高三年级模拟考试2)我国成功实施了“嫦娥三号”的发射和落月任务,进一步获取月球的相关数据。如果该卫星在月球上空绕月球做匀速圆周运动,经过时间t,卫星相对月球中心经过的路程为s,卫星与月球中心连线扫过的角度是1弧度,引力常量为G,根据以上数据估算月球的质量是:( )
A. B. C. D.
8. (江西吉安一中2025学年度下学期全真模拟考试)图1是北京卫星测控中心对某卫星的监控画面,图中左侧数值表示纬度,下方数值表示经度,曲线是运行过程中卫星和地心的连线与地球表面的交点(即星下点)的轨迹展开图。该卫星运行的轨道可视为圆轨道,高度低于地球同步卫星轨道,绕行方向如图2所示。已知地球半径为,地球同步卫星轨道半径约为。关于该卫星,下列说法正确的是( )
A. 轨道平面与赤道平面夹角为
B. 连续两次到达同一经度均要运动1.5圈
C. 运行速度小于地球同步卫星的运行速度
D. 轨道半径约为
9. (重庆高2025届学业质量调研第三次抽测)如图甲,卫星和地心连线与地面的交点称为星下点,随着卫星绕地球运动以及地球自转,星下点会在地球表面不断移动,形成星下点轨迹。地球半径为,自转周期小时。卫星A、B绕行方向与地球自转方向一致(图中未画),其星下点部分轨迹分别如题图乙、丙。已知地球同步卫星的轨道半径,,卫星运动均视为匀速圆周运动。下列说法正确的是( )
A. 卫星A、B的周期之比
B. 卫星A、B运行的线速度之比为
C. 卫星B绕地球运行的轨道半径为
D. 某时刻卫星A、B相距最近,之后在A运动的20圈时间内,卫星A、B有5次相距最近
10. (湖北省部分高中协作体2025届三统联考)“鹊桥”卫星是地球与位于月球背面的“嫦娥四号”月球探测器实现信号传输的中继站。如图,L是地月连线上的一个“拉格朗日点”,处在该点的物体会与月球一起绕地球同步公转。已知在地月引力共同作用下,“鹊桥”卫星在轨道平面与地月连线垂直的“Halo轨道”上绕L做匀速圆周运动,同时随月球一起绕地球同步公转。结合图中所给的观测数据,下列说法正确的是( )
A. “鹊桥”卫星绕地球公转的向心加速度小于月球公转的向心加速度
B. 根据观测数据能计算出地球、月球和“鹊桥”卫星的质量
C. 根据观测数据能计算出“鹊桥”卫星在“Halo轨道”上的运动周期
D. 若将“鹊桥”卫星直接发射到L点,能量消耗最小,能更好地地-月通信提供支持
11. (浙江诸暨市2025年5月高三适应性考试试题)将于近期择机发射的“天问二号”探测器计划对小行星2016HO3进行伴飞、采样并返回。2016HO3是一颗直径约40-100米的近地小行星,距离地球最近约1400万公里,最远约4000多万公里,因其运行周期与地球高度同步,被称为“地球准卫星”。如图所示,地球绕太阳公转可视作圆轨道,小行星2016HO3绕太阳运行轨道为椭圆,它的近日点位于地球圆轨道内侧。下列说法正确的是( )
A. 探测器的发射速度大于第三宇宙速度
B. 探测器在采样时能实时接收地面控制中心的指令
C. 小行星在近日点的速度大于地球做圆周运动的速度
D. 小行星在远离太阳过程中引力做负功,机械能不断减小
12. (2025高考宝鸡三模)地球同步卫星是一种和地球自转同步运行的人造卫星,它主要用于气象监测、通信服务和地球资源勘探等。下列关于地球同步卫星的说法正确的是( )
A. 它的运行线速度大于地球第一宇宙速度
B. 它的运行周期小于近地卫星的运行周期
C. 它的运行角速度与地球自转的角速度相等
D. 它做圆周运动的向心加速度小于赤道上的人随地球自转做圆周运动的向心加速度
13. (湖南长郡中学2025年高考物理科目预测试卷)国防科技大学参与研发的北斗卫星导航系统包含中圆轨道和地球静止轨道等,不同轨道差异显著.某中圆轨道卫星从低轨转移到高轨,可以通过在P、Q两处启动发动机短暂加速完成。若卫星在低轨、高轨运动时视为匀速圆周运动,低轨时卫星动能为、周期T1=2h,高轨时卫星周期T2=16h,在P处加速过程发动机做的功为W,忽略空气阻力和卫星在变轨过程中质量改变,已知卫星在半径为的轨道上运行时势能表达式为,则卫星在Q处加速过程发动机做的功为( )
A. B.
C. D.
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高中物理2025高考二模三模冲刺分项解析
专题8 卫星和宇宙速度
1. (2024~2025学年度苏锡常镇四市高三教学情况调研(二))我国太阳探测卫星“羲和号”在离地球表面高度517km的圆轨道上运行,则该卫星与地球同步卫星相比,具有相同的( )
A. 发射速度 B. 向心加速度
C. 周期 D. 轨道圆心
【答案】D
【解析】.发射速度与轨道半径有关,轨道半径越大,发射速度越大,故A错误;
BC.设地球质量为M,卫星轨道半径为r,卫星质量为m,对卫星,有
解得
由于 “羲和号” 与地球同步卫星轨道半径不同,故向心加速度、周期不同,故BC错误;
D.无论是 “羲和号” 卫星还是地球同步卫星,都是绕地球做圆周运动,根据万有引力提供向心力,地球的球心就是它们轨道的圆心,所以轨道圆心相同,故D正确。
2. (江西省重点中学盟校2024—2025年高三第二次联考)太阳系外有一颗行星,它的体积是地球的5倍,质量是地球的18倍。已知近地卫星的周期是84分钟,引力常量,由此可估算该行星的平均密度为( )
A. B.
C. D.
【答案】A
【解析】根据近地卫星绕地球运动的向心力由万有引力提供,可得
可得地球的质量为
地球体积为
联立可得
则该行星的平均密度约为
故选A。
3. (河西区2024-2025 学年度第二学期高三年级总复习质量调查(二))太空电梯是一种设想中的交通工具,能够将人员和货物从地球表面直接运送到太空。如图是太空电梯的示意图,超级缆绳将地球赤道上的固定基地、同步空间站和配重空间站连接在一起,使它们随地球同步旋转;电梯轿厢可以沿着超级缆绳往返于空间站和基地之间。已知配重空间站的轨道比静止卫星的轨道更高。此时电梯轿厢正停在处。下列说法正确的是( )
A. 轿厢中的货物处于平衡状态
B. 与天津广播电视塔相比,同步空间站绕地球运动的线速度更小
C. 超级缆绳上各点的加速度与该点到地球球心的距离的平方成反比
D. 若从配重空间站脱落一个小物块,该物块脱落后做离心运动
【答案】D
【解析】则轿厢中的货物所受合力提供货物做圆周运动的向心力,轿厢中的货物不是平衡状态,故A错误;
B.同步空间站位于地球同步轨道上,天津广播电视塔与同步空间站具有共同的角速度,同步空间站轨道高度远高于天津广播电视塔,根据线速度公式 ,由于同步空间站的轨道半径更大,则其线速度也更大,故B错误;
C.根据向心加速度公式 ,则加速度与轨道半径成正比,即超级缆绳上各点的加速度与该点到地球球心的距离成正比,故C错误;
D.配重空间站的轨道比静止卫星的轨道更高,则其轨道绕转速度小于地球同步轨道的绕转速度,而此时配重空间站随地球同步旋转,其速度大于其所在轨道的绕转速度,如果物块从配重空间站脱落,因此会做离心运动,故D正确;
故选D。
4. (2025年5月天津红桥二模高三物理)如图所示,A是静止在赤道上的物体,B、C是同一平面内两颗人造卫星。B位于离地高度等于地球半径的圆形轨道上,C是地球同步卫星。下列说法中正确的是( )
A. 卫星B的速度大小小于地球的第一宇宙速度
B. A、B的线速度大小关系为
C. B、C的向心加速度大小关系为
D. A、B、C周期大小关系为
【答案】AD
【解析】.第一宇宙速度是绕地球做圆周运动的最大的环绕速度,由于卫星B的轨道半径大于地球的半径,则卫星B的速度小于地球的第一宇宙速度,故A正确;
B.A、C具有相等的角速度,根据,可得
对于B、C,根据万有引力提供向心力有
则
所以
故
故B错误;
C.对于B、C,根据万有引力提供向心力有
可得
故C错误;
D.A、C的角速度相等,则A、C的周期相等,根据万有引力提供向心力有,可得
故
故D正确。
故选AD。
5. (深圳市高级中学高中园2025届高三下学期第三次模拟考试)2024年4月25日,神舟十八号载人飞船与距地表约400 km的空间站顺利完成径向对接,这种对接比前向和后向对接更难。径向对接时飞船在空间站正下方200 m的“停泊点”处调整为垂直姿态,并保持相对静止。准备好后,再逐步上升到“对接点”,最终与空间站完成对接。飞船和空间站对接后,组合体绕地球做匀速圆周运动。已知地球静止卫星位于地面上方高度约36000 km处。下列说法正确的是( )
A. 飞船维持在200 m“停泊点”的状态时,其运动速度大于空间站运动速度
B. 飞船维持在200 m“停泊点”的状态时,仅万有引力提供向心力
C. 组合体的运动周期比地球静止卫星的运动周期小
D. 对接稳定后空间站速度减小
【答案】C
【解析】.径向交会对接是指飞船沿与空间站运动方向垂直的方向和空间站完成对接。飞船维持在“停泊点”的状态时,即飞船与空间站角速度相同,飞船在空间站正下方200米的轨迹半径较小,根据v = ωr可知,它的运动速度小于空间站运动速度,故A错误;
B.飞船维持在“停泊点”的状态时,以空间站为研究对象,根据万有引力提供向心力有
飞船维持在“停泊点”的状态时,即飞船与空间站角速度相同,飞船在空间站正下方,轨迹半径较小,分析可知
需要开动发动机给飞船提供一个背离地心的推力使飞船能与空间站保持相对静止,故B错误;
C.根据万有引力提供向心力有
解得
可知与地球静止卫星相比,组合体的运动周期更小,故C正确;
D.对接稳定后空间站的轨道半径不变,质量增大,根据万有引力提供向心力有
解得
即,对接稳定后空间站速度与质量无关,保持不变,故D错误。
6. (广东省2025年广州市普通高中毕业班第三次模考)我国预计在2030年前实现载人登月,登月的初步方案是:采用两枚运载火箭分别将月面着陆器和载人飞船送至环月轨道对接,航天员从飞船进入月面着陆器。月面着陆器将携航天员下降着陆于月面预定区域。在完成既定任务后,航天员将乘坐着陆器上升至环月轨道与飞船交会对接,并携带样品乘坐飞船返回地球。已知月球的半径约为地球的,月球表面重力加速度约为地球的,则( )
A. 发射火箭的速度必须达到地球的第二宇宙速度
B. 月面着陆器下降着陆过程应当一直加速
C. 载人飞船在环月轨道匀速圆周运动的运行速度小于地球的第一宇宙速度
D. 航天员在月面时受到月球的引力小于其在环月轨道时受到月球的引力
【答案】C
【解析】.发射载人登月火箭,目的是将航天器送往月球,月球是地球的天然卫星 ,仍在地球引力范围内。而第二宇宙速度是使物体挣脱地球引力束缚,飞向太阳系其他行星等的最小发射速度。所以发射载人登月火箭的速度不需要达到地球的第二宇宙速度,故A错误;
B.月面着陆器下降着陆过程,若一直加速,着陆时速度会很大,不利于安全着陆。实际过程中,为了安全平稳着陆,着陆器在接近月面时会进行减速操作,故B错误;
C.第一宇宙速度是卫星绕着星球表面做匀速圆周运动的速度,设星球半径为R,在星球表面飞行的卫星有
解得第一宇宙速度
由于月球的半径约为地球的,月球表面重力加速度约为地球的,通过上式可知载人飞船在环月轨道匀速圆周运动的运行速度小于地球的第一宇宙速度,故C正确;
D.根据万有引力
由于环月轨道半径大于月球半径,故航天员在月面时受到月球的引力大于其在环月轨道时受到月球的引力,故D错误。
7. (天津市九校联考高三年级模拟考试2)我国成功实施了“嫦娥三号”的发射和落月任务,进一步获取月球的相关数据。如果该卫星在月球上空绕月球做匀速圆周运动,经过时间t,卫星相对月球中心经过的路程为s,卫星与月球中心连线扫过的角度是1弧度,引力常量为G,根据以上数据估算月球的质量是:( )
A. B. C. D.
【答案】B
【解析】根据题意得:卫星运行的角速度
由几何知识可知弧长
s=rθ
所以
设月球的质量为M,卫星的质量为m,根据万有引力提供向心力得
解得
故选B。
8. (江西吉安一中2025学年度下学期全真模拟考试)图1是北京卫星测控中心对某卫星的监控画面,图中左侧数值表示纬度,下方数值表示经度,曲线是运行过程中卫星和地心的连线与地球表面的交点(即星下点)的轨迹展开图。该卫星运行的轨道可视为圆轨道,高度低于地球同步卫星轨道,绕行方向如图2所示。已知地球半径为,地球同步卫星轨道半径约为。关于该卫星,下列说法正确的是( )
A. 轨道平面与赤道平面夹角为
B. 连续两次到达同一经度均要运动1.5圈
C. 运行速度小于地球同步卫星的运行速度
D. 轨道半径约为
【答案】ABD
【解析】.卫星轨道平面一定过地球的球心,由图可知,星下点轨迹最高纬度达到60°,即卫星轨道平面与赤道平面成60°,故A正确; 根据图1,假设地球不自转,在卫星运动的半个周期内,星下点应该由(纬度60°、经度-180°)首次到达(纬度-60°、经度0°),而实际在地球自转的情况下,星下点首次到达了(纬度-60°、经度-60°),那么经度相差的60°就等于地球自转的角度,地球自转周期为T自=24h,设卫星运动的周期为T,则有:,解得:T=8h,可知卫星连续两次到达同一经度地球转过半周,卫星均要运动1.5圈,故B正确;根据开普勒第三定律,解得,选项D正确;
根据,可得,可知运行速度大于地球同步卫星运行速度,选项C错误。
故选ABD。
9. (重庆高2025届学业质量调研第三次抽测)如图甲,卫星和地心连线与地面的交点称为星下点,随着卫星绕地球运动以及地球自转,星下点会在地球表面不断移动,形成星下点轨迹。地球半径为,自转周期小时。卫星A、B绕行方向与地球自转方向一致(图中未画),其星下点部分轨迹分别如题图乙、丙。已知地球同步卫星的轨道半径,,卫星运动均视为匀速圆周运动。下列说法正确的是( )
A. 卫星A、B的周期之比
B. 卫星A、B运行的线速度之比为
C. 卫星B绕地球运行的轨道半径为
D. 某时刻卫星A、B相距最近,之后在A运动的20圈时间内,卫星A、B有5次相距最近
【答案】BCD
【解析】.根据图乙可知,A星下点在地球上由30°E转到180°E的过程中,A转了半圈,比地球自转多转了,可知地球转动了
则有
根据图丙可知,B星下点在地球上由60°E转到180°E的过程中,B转了一圈,比地球自转多转了,地球转动了
则有
结合上述解得A、B周期之比为
故A错误;
C.对同步卫星、A与B卫星根据开普勒第三定律有
结合上述解得,
故C正确;
B.根据,
结合上述解得
故B正确;
D.根据图乙与图丙可知,A、B轨道平面不在同一平面内,则有
结合上述解得
故D正确。
10. (湖北省部分高中协作体2025届三统联考)“鹊桥”卫星是地球与位于月球背面的“嫦娥四号”月球探测器实现信号传输的中继站。如图,L是地月连线上的一个“拉格朗日点”,处在该点的物体会与月球一起绕地球同步公转。已知在地月引力共同作用下,“鹊桥”卫星在轨道平面与地月连线垂直的“Halo轨道”上绕L做匀速圆周运动,同时随月球一起绕地球同步公转。结合图中所给的观测数据,下列说法正确的是( )
A. “鹊桥”卫星绕地球公转的向心加速度小于月球公转的向心加速度
B. 根据观测数据能计算出地球、月球和“鹊桥”卫星的质量
C. 根据观测数据能计算出“鹊桥”卫星在“Halo轨道”上的运动周期
D. 若将“鹊桥”卫星直接发射到L点,能量消耗最小,能更好地地-月通信提供支持
【答案】C
【解析】.“鹊桥”卫星的周期等于月球公转的周期,则它们有相同的角速度,根据
可知,该卫星的加速度大于月球公转的加速度,故A错误;
B.已知“鹊桥”卫星位于“拉格朗日L2”点时,在地月引力共同作用下具有跟月球绕地球公转相同的周期,则对“鹊桥”卫星
(式中α为卫星和地球连线与x轴的夹角;β为卫星和月球连线与x轴的夹角;)两边消掉m卫,则可求月球质量,不能求解鹊桥质量。
根据
可求解地球的质量。B错误;
C.根据
可求解鹊桥绕L2运转的周期,C正确;
D.若将“鹊桥”卫星直接发射到L点,几乎不消耗能量,但由几何关系可知,通讯范围较小,并不能更好地为地-月通信提供支持,故D错误。
11. (浙江诸暨市2025年5月高三适应性考试试题)将于近期择机发射的“天问二号”探测器计划对小行星2016HO3进行伴飞、采样并返回。2016HO3是一颗直径约40-100米的近地小行星,距离地球最近约1400万公里,最远约4000多万公里,因其运行周期与地球高度同步,被称为“地球准卫星”。如图所示,地球绕太阳公转可视作圆轨道,小行星2016HO3绕太阳运行轨道为椭圆,它的近日点位于地球圆轨道内侧。下列说法正确的是( )
A. 探测器的发射速度大于第三宇宙速度
B. 探测器在采样时能实时接收地面控制中心的指令
C. 小行星在近日点的速度大于地球做圆周运动的速度
D. 小行星在远离太阳过程中引力做负功,机械能不断减小
【答案】C
【解析】.探测器未能脱离太阳系飞出去,所以探测器的发射速度小于第三宇宙速度,故A错误;即使在最近约1400 万公里处,电磁信号往返也会有数十秒以上的延迟,无法实现“实时”操控,故B错误;小行星近日点比地球轨道更靠近太阳,根据开普勒定律,“行星越靠近太阳,线速度越大”,因此其近日点处速率比地球公转速率大,故C正确;太阳引力是保守力,小行星在椭圆轨道上机械能守恒,不随小行星远离太阳而不断减小,故D错误。
故选C。
12. (2025高考宝鸡三模)地球同步卫星是一种和地球自转同步运行的人造卫星,它主要用于气象监测、通信服务和地球资源勘探等。下列关于地球同步卫星的说法正确的是( )
A. 它的运行线速度大于地球第一宇宙速度
B. 它的运行周期小于近地卫星的运行周期
C. 它的运行角速度与地球自转的角速度相等
D. 它做圆周运动的向心加速度小于赤道上的人随地球自转做圆周运动的向心加速度
【答案】C
【解析】.第一宇宙速度是最大的环绕速度,可知该卫星的运行线速度小于地球第一宇宙速度,选项A错误;
根据开普勒第三定律可知,它的运行周期大于近地卫星的运行周期,选项B错误;
同步卫星与地球的自转周期相同,可知它的运行角速度与地球自转的角速度相等,选项C正确;
根据可知,它做圆周运动的向心加速度大于赤道上的人随地球自转做圆周运动的向心加速度,选项D错误。
故选C。
13. (湖南长郡中学2025年高考物理科目预测试卷)国防科技大学参与研发的北斗卫星导航系统包含中圆轨道和地球静止轨道等,不同轨道差异显著.某中圆轨道卫星从低轨转移到高轨,可以通过在P、Q两处启动发动机短暂加速完成。若卫星在低轨、高轨运动时视为匀速圆周运动,低轨时卫星动能为、周期T1=2h,高轨时卫星周期T2=16h,在P处加速过程发动机做的功为W,忽略空气阻力和卫星在变轨过程中质量改变,已知卫星在半径为的轨道上运行时势能表达式为,则卫星在Q处加速过程发动机做的功为( )
A. B.
C. D.
答案:D
.解析:低轨、高轨的半径分别为,由开普勒第三定律可知:,
卫星在低轨道上做匀速圆周运动,由万有引力提供向心力,则有,
解得卫星在低轨时的动能为
卫星在低轨时的势能为
卫星在高轨道上做匀速圆周运动,由万有引力提供向心力,则有
解得卫星在高轨时的动能为
卫星在高轨时的势能为
令卫星在Q处加速过程发动机做的功为,根据功能关系有:
解得,故选C。
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