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- 2021-05-24 发布
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精品试卷
5 宇宙航行
对点训练
知识点一 对三个宇宙速度的理解
1.关于地球的第一宇宙速度,下列表述正确的是 ( ) A.第一宇宙速度又叫环绕速度 B.第一宇宙速度又叫脱离速度 C.第一宇宙速度跟地球的质量无关 D.第一宇宙速度跟地球的半径无关
2.( 多选) 美国“新地平线号”探测器,借助“宇宙神- 5”重型火箭,从佛罗里达州卡纳维拉尔角肯尼迪航 天中心发射升空,开始长达 9 年的飞向冥王星的太空之旅.拥有 3 级发动机的“宇宙神- 5”重型火箭将以每小时 5.76 万千米的惊人速度把“新地平线号”送离地球,这个冥王星探测器将成为人类有史以来发射的速度最高
的飞行器,该发射速度 ( ) A.大于第一宇宙速度 B.大于第二宇宙速度 C.大于第三宇宙速度 D.小于并接近于第三宇宙速度
3. 我国“北斗”卫星导航定位系统由 5 颗静止轨道卫星 ( 同步卫星 ) 和 30 颗非静止轨道卫星组成, 30 颗非
4
静止轨道卫星中有 27 颗是中轨道卫星,中轨道卫星轨道高度约为 2.15 × 10 km,静止轨道卫星的高度约为 3.60
4
× 10 km.下列说法正确的是 ( )
A.中轨道卫星的线速度大于 7.9km/s B.静止轨道卫星的线速度大于中轨道卫星的线速度 C.静止轨道卫星的运行周期大于中轨道卫星的运行周期 D.静止轨道卫星的向心加速度大于中轨道卫星的向心加速度
4. 假设地球质量不变,而地球半径增大到原来的 2 倍,那么从地球上发射人造卫星的第一宇宙速度变为原
来的( )
2
A. 2 倍 B. 2
1
C. D. 2 倍
2
5. 我国研制并成功发射的“嫦娥二号”探测卫星在距月球表面高度为 h 的轨道上做匀速圆周运动,运行的周期为 T. 若以 R表示月球的半径,则 ( )
2
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A. 卫星运行时的向心加速度为
4π R
2
T
2
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2
B. 物体在月球表面自由下落的加速度为 4π R
T
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C. 卫星运行时的线速度为
D. 月球的第一宇宙速度为
2π R T
3
2π R( R+ h) TR
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6.( 多选 ) 已知地球质量为 M,半径为 R,自转周期为 T,地球同步卫星质量为 m,引力常量为 G.有关同步卫星,下列表述正确的是 ( )
A.卫星的发射速度介于第一宇宙速度和第二宇宙速度之间B.卫星运行的向心加速度小于地球赤道上物体的向心加速度
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2
4π mR
2
C. 卫星运行时受到的向心力大小为 T
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D. 卫星与地心的距离为
2
3
GMT
4π 2
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知识点二 类地行星问题
7. ( 多选) 对宇宙的思考一直伴随着人类的成长,人们采用各种方式对宇宙进行着探索,搜寻着外星智慧生
命,试图去证明人类并不孤单. 其中最有效也是最难的方法就是身临其境. 设想某载人飞船绕一类地行星做匀速 圆周运动,其轨道半径可视为该行星半径 R,载人飞船运动周期为 T,该行星表面的重力加速度为 g,引力常量为 G,则 ( )
A. 飞船的速度是绕行星做圆周运动的最大速度
3π
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2
B. 该行星的平均密度可表示为
4GT
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C. 飞船做圆周运动的半径增大,其运动周期将减小
3g
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D. 该行星的平均密度可表示为
4πGR
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知识点三 N星系统和黑洞问题
8.( 多选 ) 如图 L6- 5-1 所示, 两颗靠得很近的天体组合为双星系统, 它们以两者连线上的某点为圆心做匀速圆周运动,以下说法中正确的是 ( )
图 L6- 5- 1 A.它们做圆周运动的角速度大小相等 B.它们做圆周运动的线速度大小相等 C.它们的轨道半径与它们的质量成反比 D.它们的轨道半径与它们的质量的二次方成反比
9. 英国《新科学家》杂志评选出了 2008 年度世界 8 项科学之最, 在 XTEJ1650- 500 双星系统中发现的最小
2
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黑洞位列其中. 若某黑洞的半径 R 约为 45km,质量 M和半径 R的关系满足
M c
= ( 其中 c 为光速, G为引力常量 ) ,
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则该黑洞表面重力加速度的数量级为 ( )
10 2
11
2
A. 10 m/s
R 2G
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12
B.10 C.10
m/s m/s
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2
D.10 13m/s 2
综合拓展
10. ( 多选 ) 如图 L6- 5-2 所示,质量相同的三颗卫星 a、b、c 绕地球逆时针做匀速圆周运动,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,引力常量为 G,则 ( )
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图 L6- 5- 2
A. 发射卫星 b 时速度要大于 11.2km/s
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B. 卫星 a 的环绕线速度大于卫星 b 的环绕线速度
C. 要使卫星 c 与 b 实现对接,可让卫星 c 加速
D. 卫星 a 和 b 下次相距最近还需经过时间为
2π GM
8R3-ω
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9. 已知地球半径为 R,地球表面重力加速度为 g,不考虑地球自转的影响.
(1) 推导第一宇宙速度 v1 的表达式;
(2) 若卫星绕地球做匀速圆周运动,运行轨道距离地面高度为 h,求卫星的运行周期 T.
10. 两个靠得很近的天体,离其他天体非常遥远, 它们以其连线上某一点 O为圆心各自做匀速圆周运动, 两者的距离保持不变,科学家把这样的两个天体称为“双星” ,如图 L6- 5- 3 所示.已知双星的质量分别为 m1 和 m2,它们之间的距离为 L. 求双星运行轨道半径 r 1 和 r 2 以及运行的周期 T.
图 L6- 5- 3
2
Mm v GM
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1. A [ 解析 ] 第一宇宙速度又叫环绕速度,选项 A 正确, B 错误.根据 G 2 = m 得 v=
,故第一宇宙
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R R R
速度与地球的质量和半径有关,选项 C、 D均错误.
1. ABD [ 解析 ] 此发射速度脱离了地球的束缚, 但没有脱离太阳的束缚, 故此速度介于第二宇宙速度和第三宇宙速度之间, A、B、D正确.
3.C [ 解析 ] 由天体运动规律可知,轨道半径越大,线速度越小,周期越大,向心加速度越小,故中轨道卫
星的线速度小于 7.9km/s ,静止轨道卫星的线速度小于中轨道卫星的线速度,选项 A、B 错误;静止轨道卫星的运行周期大于中轨道卫星的运行周期,静止轨道卫星的向心加速度小于中轨道卫星的向心加速度,选项 C 正确,
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D 错误.
4. B [ 解析 ] 任何星体的第一宇宙速度即为近地卫星的环绕速度. v=
2
GM
r ,其中 r 为该星体的半径,半
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径增大为原来的 2 倍,则第一宇宙速度变为原来的 2 .
2
2
4π r 4π ( R+ h)
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2
2
3
4. D [ 解析 ] 卫星运行时的轨道半径为 r = R+ h,其向心加速度为 a=
T2 = T2 ,选项 A错误;
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2π r
2π( R+ h)
Mm 4π
4π ( R+ h)
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T
运行时的线速度为 v= T =
2 3
,选项 C 错误;由 G
(
R+ h)
2=m(R+ h)
3
T2 得 GM=
T2 ,所
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GM 4π
以 g= R2 =
(R+ h)
R2T2 ,其第一宇宙速度 v 1=
GM 2π R(R+ h)
R = TR ,选项 B 错误, D 正确.
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5. AD [ 解析 ] 以第一宇宙速度发射的卫星绕地球表面做匀速圆周运动,轨道半径越大发射速度越大,当达
到第二宇宙速度时, 卫星将脱离地球的吸引离开地球, 选项 A 正确; 由于同步卫星与地球赤道上的物体角速度相
2
2
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同,由 a 向=r ω
可知卫星的向心加速度大于地球赤道上物体的向心加速度,选项 B 错误; F 向= m(R+h)
4π
2 ,选
T
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2
GMm 4π
3 GMT2
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项 C错误;由
r 2 = mr T2 可知卫星与地心的距离为 r =
4π 2,选项 D 正确.
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Mm v2 GM
r
r
6. AD [ 解析 ] 对飞船,万有引力提供向心力,由 G 2 = m 得 v= r ,即轨道半径越大,飞船速度越小,
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Mm 2π 2
4π R
M 3M 3π
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2 3
选项 A 正确;由 G 2 = m T R,得行星质量 M= 2 ,又行星平均密度 ρ= =
3,因此得 ρ=
2 ,选项
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R GT
r 3
V 4π R
Mm
GT
gR2
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B 错误;由 T= 2π
可知,当轨道半径增大时,飞船的周期增大,选项 C 错误;由 G 2 = mg得 M=
,代入
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GM R G
3g
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平均密度表达式即得 ρ= 4π
,选项 D 正确. GR
GmAmB
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2
2
2
7. AC [ 解析 ] 它们做圆周运动的角速度大小相等, 线速度大小不一定相等, 选项 A 正确,B 错误;由( r
A+ r B)
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= mAω
r A=mBω
r B,它们的轨道半径与它们的质量成反比,选项 C 正确, D 错误.
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9.C [ 解析 ] 黑洞实际为一天体, 天体表面的物体受到的重力近似等于物体与该天体之间的万有引力, 对黑
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GMm
M c2 c 2
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洞表面的某一质量为 m的物体,有
12 2
数量级为 10 m/s .
R2 = mg,又有 R= 2G,联立解得 g= 2R,代入数据得该黑洞表面重力加速度的
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10.BD [ 解析] 卫星 b 绕地球做匀速圆周运动, 7.9km/s 是指在地球上发射的物体绕地球飞行做圆周运动所
需的最小发射速度, 11.2km/s 是物体挣脱地球引力束缚的最小发射速度, 所以发射卫星 b 时速度应大于 7.9km/s
GM
而小于 11.2km/s , A 错误;由万有引力提供向心力得 v= r ,则轨道半径小的速度大, B 正确;让卫星 c 加
速,所需的向心力增大,由于万有引力小于所需的向心力,卫星 c 会做离心运动,进入更高轨道,所以不能与 b
实现对接, C 错误; b、c 在地球的同步轨道上,所以卫星 b、c 和地球具有相同的周期和角速度,由万有引力提
Mm 2 GM GM
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供向心力,即 G
r
2 =mω
r ,得 ω=
r 3 ,a 距离地球表面的高度为 R,所以卫星 a 的角速度 ω a=
2π
8R3,此时
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a、b 恰好相距最近,到卫星 a 和 b 下一次相距最近,有 ( ω a-ω )t = 2π,解得 t =
GM
8R3-ω
, D 正确.
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2π 11. (1)v 1= gR (2) R
( R+ h)
g
3
[ 解析 ] (1)
设卫星的质量为
m,地球的质量为
M,
在地球表面附近满足 G 2 = mg
Mm
R
得 GM= R g
卫星做圆周运动的向心力等于它受到的万有引力,有
2
G 2 = m
Mm
2
v1
R R
由以上两式解得 v1= Rg.
(2) 卫星受到的万有引力为
F= G
Mm
mgR2
(R+ h) (R+ h)
2=
2
由牛顿第二定律得 F= m
4π
T
2
2 (R+ h)
2π 由以上两式解得 T= R
( R+ h)
g
3
.
Lm2
12. m1+ m2
Lm1
m1+m2
2π
L
3
G( m1+ m2)
[ 解析 ] 两天体做匀速圆周运动所需的向心力是由它们之间的万有引力提供,所以
G L2 = m1
m1m2
2
4π
m1m2
T2
r 1, G L2 =
m2 T2
4π 2
r 2,且 r 1+ r 2= L.
由以上三式得 r =
Lm2
Lm1
1
m +m
1
2
, r =
2
m+ m
1
2
,
T= 2π
G( m1+ m2).
L
3
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