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- 2021-06-11 发布
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第 5 讲 宇宙航行
[时间:60 分钟]
题组一 对三个宇宙速度的理解
1.下列说法正确的是( )
A.第一宇宙速度是从地面上发射人造地球卫星的最小发射速度
B.第一宇宙速度是在地球表面附近环绕地球运转的卫星的最大速度
C.第一宇宙速度是同步卫星的环绕速度
D.卫星从地面发射时的发射速度越大,则卫星距离地面的高度就越大,其环绕速度则可能大
于第一宇宙速度
2.下列关于绕地球运行的卫星的运行速度的说法中正确的是( )
A.一定等于 7.9 km/s
B.一定小于 7.9 km/s
C.大于或等于 7.9 km/s,而小于 11.2 km/s
D.只需大于 7.9 km/s
3.假设地球的质量不变,而地球的半径增大到原来半径的 2 倍,那么从地球发射人造卫星的
第一宇宙速度的大小应为原来的( )
A. 2倍 B. 1
2
倍 C.1
2
倍 D.2 倍
题组二 人造卫星运动的规律
4.我国发射的“天宫一号”和“神舟八号”在对接前,“天宫一号”的运行轨道高度为 350
km,“神舟八号”的运行轨道高度为 343 km.它们的运行轨道均视为圆周,则( )
A.“天宫一号”比“神舟八号”速度大
B.“天宫一号”比“神舟八号”周期长
C.“天宫一号”比“神舟八号”角速度大
D.“天宫一号”比“神舟八号”加速度大
5.2013 年 6 月 10 日上午,我国首次太空课在距地球 300 多千米的“天宫一号”上举行,如
图 1 所示的是宇航员王亚平在“天宫一号”上所做的“水球”.若已知地球的半径为 6 400
km,地球表面的重力加速度为 g=9.8 m/s2,下列说法正确的是( )
图 1
A.“水球”在太空中不受地球引力作用
B.“水球”相对地球运动的加速度为零
C.若王亚萍的质量为 m,则她在“天宫一号”中受到地球的引力为 mg
D.“天宫一号”的运行周期约为 1.5 h
6.在圆轨道上质量为 m 的人造地球卫星,它到地面的距离等于地球的半径 R,地球表面的重
力加速度为 g,则( )
A.卫星运动的线速度为 2Rg
B.卫星运动的周期为 4π 2R
g
C.卫星的向心加速度为 1
2g
D.卫星的角速度为1
2
g
2R
题组三 地球同步卫星
7.下列关于地球同步卫星的说法正确的是( )
A.它的周期与地球自转同步,但高度和速度可以选择,高度增大,速度减小
B.它的周期、高度、速度都是一定的
C.我们国家发射的同步通讯卫星定点在北京上空
D.我国发射的同步通讯卫星也定点在赤道上空
8.地球上相距很远的两位观察者,都发现自己的正上方有一颗人造卫星,相对自己静止不动,
则这两位观察者的位置以及两颗人造卫星到地球中心的距离可能是( )
A.一人在南极,一人在北极,两卫星到地球中心的距离一定相等
B.一人在南极,一人在北极,两卫星到地球中心的距离可以不等,但应成整数倍
C.两人都在赤道上,两卫星到地球中心的距离一定相等
D.两人都在赤道上,两卫星到地球中心的距离可以不等,但应成整数倍
9.甲、乙为两颗地球卫星,其中甲为地球同步卫星,乙的运行高度低于甲的运行高度,两卫
星轨道均可视为圆轨道.以下判断正确的是( )
A.甲的周期大于乙的周期
B.乙的速度大于第一宇宙速度
C.甲的加速度小于乙的加速度
D.甲在运行时能经过北极的正上方
10.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.卫星距地面的高度为3 GMT2
4π2
B.卫星的运行速度小于第一宇宙速度
C.卫星运行时受到的向心力大小为 GMm
R2
D.卫星运行的向心加速度小于地球表面的重力加速度
题组四 综合应用
11.宇航员在月球上做自由落体实验,将某物体由距月球表面高 h 处释放,经时间 t 后落到月
球表面(设月球半径为 R).据上述信息推断,飞船在月球表面附近绕月球做匀速圆周运动所必
须具有的速率为( )
A.2 Rh
t B. 2Rh
t
C. Rh
t D. Rh
2t
12.已知地球半径为 R,地球表面的重力加速度为 g,不考虑地球自转的影响.
(1)推导第一宇宙速度的表达式;
(2)若卫星绕地球做匀速圆周运动,运动轨道距离地面高度为 h,求卫星的运行周期 T.
13.据报载:某国发射了一颗质量为 100 kg,周期为 1 h 的人造环月卫星,一位同学记不住引
力常量 G 的数值,且手边没有可查找的资料,但他记得月球半径为地球半径的1
4
,月球表面重
力加速度为地球表面重力加速度的1
6
,经过推理,他认定该报道是则假新闻,试写出他的论证
方案.(地球半径约为 6.4×103 km,g 地取 9.8 m/s2)
答案精析
第 5 讲 宇宙航行
1.AB [第一宇宙速度是人造地球卫星的最小发射速度,也是卫星绕地球运转的最大速度,
离地越高,卫星绕地球运转的速度越小.]
2.B [卫星在绕地球运行时,万有引力提供向心力,由此可得 v= GM
r
,所以轨道半径 r
越大,卫星的环绕速度越小,实际的卫星轨道半径大于地球半径 R,所以环绕速度一定小于第
一宇宙速度,即 v<7.9 km/s.而 C 选项是发射人造地球卫星的速度范围.]
3.B [因第一宇宙速度即为地球的近地卫星的线速度,此时卫星的轨道半径近似的认为是地
球的半径,且地球对卫星的万有引力充当向心力.故公式 GMm
R2
=mv2
R
成立,解得 v= GM
R
,
因此,当 M 不变,R 增加为 2R 时,v 减小为原来的 1
2
倍,即选项 B 正确.]
4.B [由题知“天宫一号”运行的轨道半径 r1 大于“神舟八号”运行
的轨道半径 r2,天体运行时万有引力提供向心力.根据 GMm
r2
=mv2
r
,得 v= GM
r .因为 r1>r2,
故“天宫一号”的运行速度较小,选项 A 错误;根据 GMm
r2
=m
2π
T 2r 得 T=2π r3
GM
,故“天
宫一号”的运行周期较长,选项 B 正确;根据 GMm
r2
=mω2r,得ω= GM
r3
,故“天宫一号”
的角速度较小,选项 C 错误;根据 GMm
r2
=ma,得 a=GM
r2
,故“天宫一号”的加速度较小,
选项 D 错误.]
5.D [“天宫一号”是围绕地球运动的,即地球的万有引力提供了其做圆周运动的向心力,
“水球”与“天宫一号”是一个整体,因此可知“水球”也受到地球引力作用,故 A 错误;
“水球”受到地球引力而围绕地球做圆周运动,具有向心加速度,故 B 错误;若王亚平的质
量为 m,则她在“天宫一号”中的加速度小于重力加速度的值,则受到地球的引力小于 mg,
故 C 错误;由万有引力提供向心力的表达式可得:GMm
r2
=mr4π2
T2
,解得:T= 4π2r3
GM
,又 GM
=gR2,可得:T= 4π2r3
gR2
= 4×3.142×6 400×103+300×1033
9.8×6 400×1032 s≈5 400 s=1.5 h,故 D 正
确.]
6.BD [万有引力提供向心力,有 G Mm
R+R2
=m v2
2R
又 g=GM
R2
,故 v= GM
2R
= gR
2
,A 错;T=2π×2R
v
=4πR 2
gR
=4π 2R
g
,B 对;a=v2
r
=v2
2R
=
g
4
,C 错;ω=2π
T
=1
2
g
2R
,D 对.]
7.BD [同步卫星的轨道平面过地心,且相对地面静止,只能在赤道上空,它的高度一定,
速率一定,周期一定,与地球自转同步,故选项 B、D 正确.]
8.C [观察者看到的都是同步卫星,卫星在赤道上空,到地心的距离相等.]
9.AC [由题意知甲卫星的轨道半径比乙大,由万有引力提供向心力可得 GMm
r2
=m4π2
T2 r,得
出周期和轨道半径的关系 T=2π r3
GM
,轨道半径越大,卫星周期越长,可得出 A 选项正确.又
由万有引力充当向心力的另一个表达式 GMm
r2
=m v2
r
可得线速度和轨道半径的关系 v= GM
r
,
轨道半径越大,线速度越小,可得出 B 项错误.又由 GMm
r2
=ma,得 a=GM
r2
,故轨道半径越
大,向心加速度越小,可得出 C 项正确.地球同步卫星的轨道应在赤道正上方,不可能经过
北极的正上方,D 项错误.]
10.BD [根据万有引力提供向心力,G Mm
H+R2
=m4π2
T2 (H+R),卫星距地面的高度为 H=
3 GMT2
4π2
-R,A 错;根据 G Mm
H+R2
=m v2
H+R
,可得卫星的运行速度 v= GM
H+R
,而第一宇
宙速度为 GM
R
,故 B 对;卫星运行时受到的向心力大小为 F 向=G Mm
H+R2
,C 错;根据 G Mm
H+R2
=ma 向,可得卫星运行的向心加速度为 a 向=G M
H+R2
,而地球表面的重力加速度为 g=GM
R2
,
D 对.]
11.B [设月球表面的重力加速度为 g′,由物体“自由落体”可得 h=1
2g′t2,飞船在月球
表面附近做匀速圆周运动可得 GMm
R2
=mv2
R
,在月球表面附近 mg′=GMm
R2
,联立得 v= 2Rh
t
,
故 B 正确.]
12.(1) gR (2)2π R+h3
gR2
解析 (1)根据重力提供向心力可知 mg=mv2
R
,得 v= gR
(2)在地表,物体受到的重力等于地球对它的引力 mg=GMm
R2
卫星绕地球做匀速圆周运动的向心力来自于地球对它的引力 G Mm
R+h2
=m(R+h)4π2
T2
,得 T=
2π R+h3
gR2
13.见解析
解析 对环月卫星,根据万有引力定律和牛顿第二定律得GMm
r2
=m4π2
T2 r,解得 T=2π r3
GM
则 r=R 月时,T 有最小值,又GM
R 2月
=g 月
故 Tmin=2π R 月
g 月
=2π
1
4R 地
1
6g 地
=2π 3R 地
2g 地
代入数据解得 Tmin≈1.73 h
环月卫星最小周期为 1.73 h,故该报道是则假新闻.
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