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- 2021-05-26 发布
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专题4.6 卫星与航天
1.掌握万有引力定律的内容、公式及应用.
2.理解环绕速度的含义并会求解.
3.了解第二和第三宇宙速度．
一、近地卫星、赤道上物体及同步卫星的运行问题
近地卫星、同步卫星和赤道上随地球自转的物体的三种匀速圆周运动的比较
1．轨道半径：近地卫星与赤道上物体的轨道半径相同，同步卫星的轨道半径较大，即r同>r近＝r物。
2．运行周期：同步卫星与赤道上物体的运行周期相同。由T＝2π可知，近地卫星的周期要小于同步卫星的周期，即T近a同>a物。
4．动力学规律
(1)近地卫星和同步卫星满足＝m＝mω2r＝ma。
(2)赤道上的物体不满足万有引力充当向心力即≠m。
二、卫星的变轨问题
1．卫星变轨的原因
(1)由于对接引起的变轨
(2)由于空气阻力引起的变轨
2．卫星变轨的实质
(1)当卫星的速度突然增加时，Gm，即万有引力大于所需要的向心力，卫星将做近心运动，脱离原来的圆轨道，轨道半径变小，当卫星进入新的轨道稳定运行时由v＝可知其运行速率比原轨道时增大。卫星的发射和回收就是利用这一原理。
三、天体运动中的能量问题
1．卫星(或航天器)在同一圆形轨道上运动时，机械能不变。
2．航天器在不同轨道上运行时机械能不同，轨道半径越大，机械能越大。
卫星速率增大(发动机做正功)会做离心运动，轨道半径增大，万有引力做负功，卫星动能减小，由于变轨时遵从能量守恒，稳定在圆轨道上时需满足G＝m，致使卫星在较高轨道上的运行速率小于在较低轨道上的运行速率，但机械能增大；相反，卫星由于速率减小(发动机做负功)会做向心运动，轨道半径减小，万有引力做正功，卫星动能增大，同样原因致使卫星在较低轨道上的运行速率大于在较高轨道上的运行速率，但机械能减小。
四、卫星的追及相遇问题
某星体的两颗卫星之间的距离有最近和最远之分，但它们都处在同一条直线上。由于它们的轨道不是重合的，因此在最近和最远的相遇问题上不能通过位移或弧长相等来处理，而是通过卫星运动的圆心角来衡量，若它们初始位置在同一直线上，实际上内轨道所转过的圆心角与外轨道所转过的圆心角之差为π的整数倍时就是出现最近或最远的时刻。
高频考点一、卫星运行参量的比较与计算
例1、如图所示，某极地轨道卫星的运行轨道平面通过地球的南北两极，已知该卫星从北纬60°的正上方按图示方向第一次运行到南纬60°的正上方时所用时间为1 h，则下列说法正确的是( )
A．该卫星的运行速度一定大于7.9 km/s
B．该卫星与同步卫星的运行速度之比为1∶2
C．该卫星与同步卫星的运行半径之比为1∶4
D．该卫星的机械能一定大于同步卫星的机械能
解析： 近地卫星的环绕速度等于第一宇宙速度7.9 km/s。根据G＝m，得v＝ ，半径越大线速度越小，该卫星的半径大于地球半径，则其运行速度一定小于7.9 km/s，A错。该卫星从北纬60°到南纬60°，转过120°用时1 h，则其转过360°用时3 h，即周期为3 h，而同步卫星的周期为24 h，即该卫星与同步卫星的周期之比为1∶8。根据G＝mr，得＝，则可得半径之比为1∶4，C正确。再由v＝ 可得该卫星与同步卫星的运行速度之比为2∶1，B错。在卫星绕地球做圆周运动情况下，从高轨道到低轨道要减少机械能，所以若卫星质量相同，该卫星在极地轨道上的机械能小于同步卫星的机械能，D错。
答案： C
【变式探究】如图，甲、乙两颗卫星以相同的轨道半径分别绕质量为M和2M的行星做匀速圆周运动。下列说法正确的是( )
A．甲的向心加速度比乙的小
B．甲的运行周期比乙的小
C．甲的角速度比乙的大
D．甲的线速度比乙的大
答案： A
【方法规律】人造卫星问题的解题技巧
1、解决天体圆周运动问题的两条思路
①在中心天体表面或附近而又不涉及中心天体自转运动时，万有引力等于重力，即Gf(Mm,R2)＝mg，整理得GM＝gR2，称为黄金代换。(g表示天体表面的重力加速度)
②天体运动的向心力来源于天体之间的万有引力，即,Gf(Mm,r2)＝mf(v2,r)＝mrω2＝mf(4π2r,T2)＝man。
2、卫星运行参量的“两点”注意,①卫星的an、v、ω、T是相互联系的，其中一个量发生变化，其他各量也随之发生变化。
②an、v、ω、T均与卫星的质量无关，只由轨道半径r和中心天体质量共同决定。
高频考点二、卫星变轨问题分析
例2．(多选)神舟九号飞船与天宫一号目标飞行器在离地面343 km的近圆轨道上成功进行了我国首次载人空间交会对接．对接轨道所处的空间存在极其稀薄的大气，下面说法正确的是( )
A．为实现对接，两者运行速度的大小都应介于第一宇宙速度和第二宇宙速度之间
B．如不加干预，在运行一段时间后，天宫一号的动能可能会增加
C．如不加干预，天宫一号的轨道高度将缓慢降低
D．航天员在天宫一号中处于失重状态，说明航天员不受地球引力作用
答案 BC
【变式探究】(多选)如图4所示，搭载着“嫦娥二号”卫星的“长征三号丙”运载火箭在西昌卫星发射中心点火发射，卫星由地面发射后，进入地月转移轨道，经多次变轨最终进入距离月球表面100 km，周期为118 min的工作轨道，开始对月球进行探测．下列说法正确的是( )
图4
A．卫星在轨道Ⅲ上的运动速度比月球的第一宇宙速度小
B．卫星在轨道Ⅲ上经过P点的速度比在轨道Ⅰ上经过P点时大
C．卫星在轨道Ⅲ上运动周期比在轨道Ⅰ上短
D．卫星在轨道Ⅰ上的机械能比在轨道Ⅱ上多
答案 ACD
解析 根据v＝ 知，卫星在轨道Ⅲ上的运动速度比月球的第一宇宙速度小，A正确．卫星在轨道Ⅰ上经过P点需要减速才可能到达轨道Ⅲ，B错误．根据开普勒第三定律，轨道Ⅲ的半径小于轨道Ⅰ的半长轴，故卫星在轨道Ⅲ上运动周期比在轨道Ⅰ上短，C正确．卫星在轨道Ⅰ上变轨到轨道Ⅱ上必须在P点减速，故卫星在轨道Ⅰ上的机械能比在轨道Ⅱ上多，D正确．
【举一反三】嫦娥三号月球探测器搭载长征三号乙火箭发射升空．这是继2007年嫦娥一号、2010年嫦娥二号之后，我国发射的第3颗月球探测器，也是首颗月球软着陆探测器．嫦娥三号携带有一台无人月球车，重3吨多，是我国设计的最复杂的航天器．如图5所示为其飞行轨道示意图，则下列说法正确的是( )
图5
A．嫦娥三号的发射速度应该大于11.2 km/s
B．嫦娥三号在环月轨道1上P点的加速度大于在环月轨道2上P点的加速度
C．嫦娥三号在环月轨道2上运动周期比在环月轨道1上运行周期小
D．嫦娥三号在动力下降段中一直处于完全失重状态
答案 C
【方法技巧】卫星变轨问题“四个”物理量的规律分析
1．速度：如图6所示，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.
图6
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T1TB
B．EkA>EkB
C．SA＝SB
D.＝
【答案】AD【解析】卫星绕地球做匀速圆周运动时其向心力由万有引力提供，若地球质量为M，卫星质量为m，则有G＝m＝m，由此可得v＝和T＝2π，这里RA>RB，则vATB，而动能Ek＝mv2，故EkARB，则SA>SB，选项C错误；由开普勒第三定律可知， 选项D正确．
6.[2016·江苏卷] 据报道，一法国摄影师拍到“天宫一号”空间站飞过太阳的瞬间．照片中，“天宫一号”的太阳帆板轮廓清晰可见．如图所示，假设“天宫一号”正以速度v＝7.7 km/s绕地球做匀速圆周运动，运动方向与太阳帆板两端M、N的连线垂直，M、N间的距离L＝20 m，地磁场的磁感应强度垂直于v，MN所在平面的分量B＝1.0×10－5 T，将太阳帆板视为导体．
图1
(1)求M、N间感应电动势的大小E；
(2)在太阳帆板上将一只“1.5 V，0.3 W”的小灯泡与M、N相连构成闭合电路，不计太阳帆板和导线的电阻．试判断小灯泡能否发光，并说明理由；
(3)取地球半径R＝6.4×103 km，地球表面的重力加速度g＝9.8 m/s2
，试估算“天宫一号”距离地球表面的高度h(计算结果保留一位有效数字)．
【答案】(1)1.54 V (2)不能，理由见解析 (3)4×105 m
7.[2016·四川卷] 国务院批复，自2016年起将4月24日设立为“中国航天日”.1970年4月24日我国首次成功发射的人造卫星东方红一号，目前仍然在椭圆轨道上运行，其轨道近地点高度约为440 km，远地点高度约为2060 km；1984年4月8日成功发射的东方红二号卫星运行在赤道上空35786 km的地球同步轨道上．设东方红一号在远地点的加速度为a1，东方红二号的加速度为a2，固定在地球赤道上的物体随地球自转的加速度为a3，则a1、a2、a3的大小关系为( )
图1
A．a2＞a1＞a3
B．a3＞a2＞a1
C．a3＞a1＞a2
D．a1＞a2＞a3
【2015·天津·4】未来的星际航行中，宇航员长期处于零重力状态，为缓解这种状态带来的不适，有人设想在未来的航天器上加装一段圆柱形“旋转仓”如图所示，当旋转舱绕其轴线匀速旋转时，宇航员站在旋转舱内圆柱形侧壁上，可以受到与他站在地球表面时相同大小的支持力，为达到目的，下列说法正确的是
A．旋转舱的半径越大，转动的角速度就应越大
B．旋转舱的半径越大，转动的角速度就应越小
C．宇航员质量越大，旋转舱的角速度就应越大
D．宇航员质量越大，旋转舱的角速度就应越小
【答案】B
【解析】在外太空，宇航员处于完全失重状态，所以在旋转仓中我们不需要考虑地球引力作用；宇航员在旋转仓中做圆周运动所需要的向心力由侧壁支持力提供，根据题意有，故可知，与宇航员质量无关，所以选项CD错误； 旋转半径越大，转运角速度就越小，故选项A正确、B错误；
【2015·全国新课标Ⅰ·21】9．我国发射的“嫦娥三号”登月探测器靠近月球后，先在月球表面附近的近似圆轨道上绕月运行；然后经过一系列过程，在离月面4m高处做一次悬停（可认为是相对于月球静止）；最后关闭发动机，探测器自由下落。已知探测器的质量约为1.3×109kg，地球质量约为月球的81倍，地球半径为月球的3.7倍，地球表面的重力加速度大小约为9.8m/s2。则次探测器
A．在着陆前瞬间，速度大小约为8.9m/s
B．悬停时受到的反冲作用力约为2×103N
C．从离开近月圆轨道到着陆这段时间内，机械能守恒
D．在近月圆轨道上运行的线速度小于人造卫星在近地圆轨道上运行的线速度
【答案】BD
1．(2014·新课标Ⅱ·18)假设地球可视为质量均匀分布的球体．已知地球表面重力加速度在两极的大小为g0，在赤道的大小为g，地球自转的周期为T，引力常量为G.地球的密度为( )
A. B.
C. D.
【答案】B
【解析】物体在地球的两极时，mg0＝G，物体在赤道上时，mg＋m()2R＝G，又M＝πR3ρ，联立以上三式解得地球的密度ρ＝.故选项B正确，选项A、C、D错误．
2．(2014·福建·14)若有一颗“宜居”行星，其质量为地球的p倍，半径为地球的q倍，则该行星卫星的环绕速度是地球卫星环绕速度的( )
A.倍B.倍
C.倍D.倍
【答案】C
3．(2014·天津·3)研究表明，地球自转在逐渐变慢，3亿年前地球自转的周期约为22小时．假设这种趋势会持续下去，地球的其他条件都不变，未来人类发射的地球同步卫星与现在的相比( )
A．距地面的高度变大
B．向心加速度变大
C．线速度变大
D．角速度变大
【答案】A
【解析】地球的自转周期变大，则地球同步卫星的公转周期变大．由＝m(R＋h)，得h＝－R，T变大，h变大，A正确．
由＝ma，得a＝，r增大，a减小，B错误．
由＝，得v＝，r增大，v减小，C错误．
由ω＝可知，角速度减小，D错误．
4．(2014·海南卷，6)设地球自转周期为T，质量为M，引力常量为G，假设地球可视为质量均匀分布的球体，半径为R。同一物体在南极和赤道水平面上静止时所受到的支持力之比为( )
A. B.
C. D.
【答案】A
5．(2014·重庆卷，7)图7为“嫦娥三号”探测器在月球上着陆最后阶段的示意图。首先在发动机作用下，探测器受到推力在距月面高度为h1处悬停(速度为0，h1
远小于月球半径)；接着推力改变，探测器开始竖直下降，到达距月面高度为h2处的速度为v，此后发动机关闭，探测器仅受重力下落至月面，已知探测器总质量为m(不包括燃料)，地球和月球的半径比为k1，质量比为k2，地球表面附近的重力加速度为g。求：
图7
(1)月球表面附近的重力加速度大小及探测器刚接触月面时的速度大小；
(2)从开始竖直下降到刚接触月面时，探测器机械能的变化。
【解析】(1)设地球质量和半径分别为M和R，月球的质量、半径和表面附近的重力加速度分别为M′、R′和g′，探测器刚接触月面时的速度大小为vt。
由mg′＝G和mg＝G得g′＝g。
由v－v2＝2g′h2得vt＝。
(2)设机械能变化量为ΔE，动能变化量为ΔEk，重力势能变化量为ΔEp，
由ΔE＝ΔEk＋ΔEp，
有ΔE＝m(v2＋)－mgh1，
得ΔE＝mv2－mg(h1－h2)。
【答案】(1)g
(2)mv2－mg(h1－h2)
5．(2014·北京·23)万有引力定律揭示了天体运动规律与地上物体运动规律具有内在的一致性．
(1)用弹簧秤称量一个相对于地球静止的小物体的重量，随称量位置的变化可能会有不同的结果．已知地球质量为M，自转周期为T，万有引力常量为G.将地球视为半径为R、质量均匀分布的球体，不考虑空气的影响．设在地球北极地面称量时，弹簧秤的读数是F0.
a．若在北极上空高出地面h处称量，弹簧秤读数为F1，求比值的表达式，并就h＝1.0%R的情形算出具体数值(计算结果保留两位有效数字)；
b．若在赤道地面称量，弹簧秤读数为F2，求比值的表达式．
(2)设想地球绕太阳公转的圆周轨道半径为r、太阳的半径为RS和地球的半径R三者均减小为现在的1.0%，而太阳和地球的密度均匀且不变．仅考虑太阳和地球之间的相互作用，以现实地球的1年为标准，计算“设想地球”的一年将变为多长？
【答案】(1)a. 0.98 b．1－ (2)与现实地球的1年时间相同
(2)地球绕太阳做匀速圆周运动，受到太阳的万有引力．设太阳质量为MS，地球质量为M，地球公转周期为TE，有G＝Mr得TE＝＝
其中ρ为太阳的密度．
1．假设火星可视为质量均匀分布的球体，已知“火卫一”(火星的卫星)绕火星做圆周运动的半径为R，周期为T，火星的半径为R0，自转周期为T0，则火星表面的重力加速度在赤道处大小与两极处大小的比值为( )
A. B. C．1－ D．1－
答案 D
解析 在赤道上的物体，有：G＝mg1＋mR0，在两极，有：G＝mg2
联立两式＝1－，
根据G＝mR，解得GM＝，代入可得＝1－.
2．(多选)2014年11月1日早上6时42分，被誉为“嫦娥五号”的“探路尖兵”载人返回飞行试验返回器在内蒙古四子王旗预定区域顺利着陆，标志着我国已全面突破和掌握航天器以接近第二宇宙速度的高速载人返回关键技术，为“嫦娥五号”任务顺利实施和探月工程持续推进奠定了坚实基础．已知人造航天器在月球表面上空绕月球做匀速圆周运动，经过时间t(t小于航天器的绕行周期)，航天器运动的弧长为s，航天器与月球的中心连线扫过角度为θ，引力常量为G，则( )
A．航天器的轨道半径为 B．航天器的环绕周期为
C．月球的质量为 D．月球的密度为
答案 BC
3．在赤道平面内绕地球做匀速圆周运动的三颗卫星m1、m2、m3，它们的轨道半径分别为r1、r2、r3，且r1＞r2＞r3，其中m2为同步卫星，若三颗卫星在运动过程中受到的向心力大小相等，则( )
A．相同的时间内，m1通过的路程最大
B．三颗卫星中，m3的质量最大
C．三颗卫星中，m3的速度最大
D．m1绕地球运动的周期小于24小时
解析：选C 根据万有引力提供向心力可得：＝m，解得：v＝；由于r1＞r2＞r3，故v1＜v2＜v3，故m3的速度最大，在相同的时间内，m3通过的路程最大，故A错误，C正确。由于F万＝可得，在向心力大小相等的情况下，由于r1＞r2＞r3，故m1＞m2＞m3
，故B错误。据万有引力提供向心力可得：＝mr，可得卫星运动的周期T＝2πr，显然轨道半径越大，卫星运动的周期越大，故m1的周期大于m2的周期，而卫星2的周期为24小时，故m1的周期大于24小时，故D错误。
4．(多选)据英国《卫报》网站2015年1月6日报道，在太阳系之外，科学家发现了一颗最适宜人类居住的类地行星，绕恒星橙矮星运行，命名为“开普勒438b”。假设该行星与地球绕恒星均做匀速圆周运动，其运行的周期为地球运行周期的p倍，橙矮星的质量为太阳的q倍。则该行星与地球的( )
A．轨道半径之比为
B．轨道半径之比为
C．线速度之比为
D．线速度之比为
5．(多选)载人飞船从发射、进入轨道、加速变轨，最后进入圆形轨道稳定运行。如图4是载人飞船正在加速变轨的过程，如下相关的说法中，正确的是( )
图4
A．进入高轨道后的周期比低轨道的周期大
B．进入高轨道后的速率比低轨道的速率小
C．进入高轨道后，飞船的加速度变小
D．飞船在圆形轨道运行时，宇航员处于超重状态
解析：选ABC 根据万有引力提供向心力G＝r＝m＝ma，得T＝2π ，v＝ ，a＝，由此可知，轨道半径越大，周期越大，线速度和加速度越小，故飞船进入高轨道后的周期变大、速率和加速度变小，故A、B、C均正确。飞船在圆形轨道运行时，地球对宇航员的引力完全提供向心力，宇航员处于失重状态，故D错误。
6．(多选)如图5所示，两星球相距为L，质量比为mA∶mB＝1∶9，两星球半径远小于L。从星球A沿A、B连线向B以某一初速度发射一探测器。只考虑星球A、B对探测器的作用，下列说法正确的是( )
图5
A．探测器的速度一直减小
B．探测器在距星球A为处加速度为零
C．若探测器能到达星球B，其速度可能恰好为零
D．若探测器能到达星球B，其速度一定大于发射时的初速度
7．(多选)如图6所示，甲、乙、丙是位于同一直线上的离其他恒星较远的三颗恒星，甲、丙围绕乙在半径为R的圆轨道上运行，
图6
若三颗星质量均为M，万有引力常量为G，则( )
A．甲星所受合外力为
B．乙星所受合外力为
C．甲星和丙星的线速度相同
D．甲星和丙星的角速度相同
8．(多选)如图7所示，A、B是绕地球运行的“天宫一号”椭圆形轨道上的近地点和远地点，则“天宫一号”( )
图7
A．在A点时线速度大
B．在A点时重力加速度小
C．在B点时向心加速度小
D．在B点时向心加速度大于该处的重力加速度
解析：选AC 根据开普勒第二定律可知：在近地点的速度大于远地点的速度，所以A点的速度大于B点的速度，故A正确；根据牛顿第二定律和万有引力定律得：g＝，因为A的轨道半径小于B的轨道半径，所以在A点时重力加速度大，故B错误；向心加速度a＝，A点的速度大于B点的速度，A的轨道半径小于B的轨道半径，所以在B点时向心加速度小，故C正确；在B点卫星做近心运动，即万有引力大于需要的向心力，所以该处的重力加速度大于在B点时向心加速度，故D错误。
9．如图8所示，一颗行星和一颗彗星绕同一恒星的运行轨道分别为A和B，A是半径为r的圆轨道，B为椭圆轨道，椭圆长轴QQ′为2r。P点为两轨道的交点，以下说法正确的是( )
图8
A．彗星和行星经过P点时受到的万有引力相等
B．彗星和行星绕恒星运动的周期相同
C．彗星和行星经过P点时的速度相同
D．彗星在Q′处加速度为行星加速度的
10．某颗地球同步卫星正下方的地球表面上有一观察者，他用天文望远镜观察被太阳光照射的此卫星，春分那天(太阳光直射赤道)在日落12小时内有t1时间该观察者看不见此卫星。已知地球半径为R，地球表面处的重力加速度为g，地球自转周期为T，卫星的运动方向与地球转动方向相同，不考虑大气对光的折射。下列说法中正确的是( )
A．同步卫星离地高度为
B．同步卫星加速度小于赤道上物体向心加速度
C．t1＝arcsin
D．同步卫星加速度大于近地卫星的加速度
解析：选C 根据＝，GM＝gR2，得同步卫星轨道半径为r＝ ，离地高度为h＝ －R，选项A错误；由于同步卫星与赤道上物体转动角速度相同，根据a＝ω2r，同步卫星离地心距离较大，同步卫星加速度大于赤道上物体向心加速度，选项B错误；根据光的直线传播规律，日落12小时内有t1时间该观察者看不见此卫星，如图所示同步卫星相对地心转过角度为θ＝2α，sin α＝，结合θ＝ωt＝t，解得t1＝arcsin，选项C正确；根据a＝，同步卫星的轨道半径比近地卫星轨道半径大，故同步卫星的加速度小于近地卫星的加速度，选项D错误。
11
．从吉隆坡飞往北京的马航MH370航班起飞后与地面失去联系，机上有154名中国人。之后，中国紧急调动了海洋、风云、高分、遥感等4个型号近10颗卫星为地面搜救行动提供技术支持。假设“高分一号”卫星与同步卫星、月球绕地球运行的轨道都是圆，它们在空间的位置示意图如图所示。下列有关“高分一号”的说法正确的是( )
A．其发射速度可能小于7.9 km/s
B．绕地球运行的角速度比月球绕地球运行的角速度大
C．绕地球运行的周期比同步卫星绕地球运行的周期大
D．在运行轨道上完全失重，重力加速度为0
答案： B
12、 (多选)宇宙间存在一些离其他恒星较远的三星系统，其中有一种三星系统如图所示，三颗质量均为m的星位于等边三角形的三个顶点，三角形边长为R，忽略其他星体对它们的引力作用，三星在同一平面内绕三角形中心O做匀速圆周运动，万有引力常量为G，则( )
A．每颗星做圆周运动的线速度为
B．每颗星做圆周运动的角速度为
C．每颗星做圆周运动的周期为2π
D．每颗星做圆周运动的加速度与三星的质量无关
答案： ABC
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