7.4 宇宙航行（課時1）（舉一反三）【四大題型】（原卷版）-2024-2025學(xué)年高一物理舉一反三系列（人教版2019必修第二冊）

7.4宇宙航行（課時1）【三大題型】【人教版2019】TOC\o"1-3"\h\u【題型1三個宇宙速度的理解】 2【題型2人造衛(wèi)星和同步衛(wèi)星】 4【題型3近地衛(wèi)星與黃金代換】 6【題型4衛(wèi)星變軌問題】 8知識點(diǎn)1：對三個宇宙速度的理解宇宙速度是在地球上滿足不同要求的衛(wèi)星發(fā)射速度．1．第一宇宙速度（環(huán)繞速度）（1）是人造衛(wèi)星在地面附近繞地球做勻速圓周運(yùn)動所具有的速度，是人造地球衛(wèi)星的最小發(fā)射速度，v＝7.9km/s.（2）推導(dǎo)：對于近地人造衛(wèi)星，軌道半徑r近似等于地球半徑R＝6400km，衛(wèi)星在軌道處所受的萬有引力近似等于衛(wèi)星在地面上所受的重力，取g＝9.8m/s2，則2．第二宇宙速度（脫離速度）：在地面上發(fā)射物體，使之能夠脫離地球的引力作用，成為繞太陽運(yùn)動的人造行星或繞其他行星運(yùn)動的人造衛(wèi)星所必需的最小發(fā)射速度，其大小為11.2km/s.3．第三宇宙速度（逃逸速度）：在地面上發(fā)射物體，使之最后能脫離太陽的引力作用，飛到太陽系以外的宇宙空間所必需的最小速度，其大小為16.7km/s.注意：第一宇宙速度是人造衛(wèi)星的最大環(huán)繞速度，也是最小發(fā)射速度．知識點(diǎn)2：人造衛(wèi)星運(yùn)動問題的處理思路及規(guī)律1．軌道及特點(diǎn)（1）軌道：赤道軌道、極地軌道及其他軌道．如圖所示．（2）特點(diǎn)：所有的軌道圓心都在地心．2．處理思路及規(guī)律將人造衛(wèi)星視為繞地球（或其他天體）做勻速圓周運(yùn)動，所需向心力等于地球（或其他天體）對衛(wèi)星的萬有引力，即：Geq\f(Mm,r2)＝meq\f(v2,r)＝mω2r＝meq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(2π,T)))eq\s\up12(2)r＝man.所以v＝eq\r(\f(GM,r))，r越大，v越小，ω＝eq\r(\f(GM,r3))，r越大，ω越小，T＝2πeq\r(\f(r3,GM))，r越大，T越大，a＝eq\f(GM,r2)，r越大，a越小．注意：地球衛(wèi)星的an、v、ω、T由地球的質(zhì)量M和衛(wèi)星的軌道半徑r決定，與衛(wèi)星的質(zhì)量、形狀等因素?zé)o關(guān)．【題型1三個宇宙速度的理解】【例1】我國航天人發(fā)揚(yáng)“兩彈一星”精神砥礪前行，從“東方紅一號”到“北斗”不斷創(chuàng)造奇跡?！氨倍贰钡?9顆衛(wèi)星的發(fā)射邁出組網(wǎng)的關(guān)鍵一步。該衛(wèi)星繞地球做圓周運(yùn)動，運(yùn)動周期與地球自轉(zhuǎn)周期相同，軌道平面與地球赤道平面成一定夾角。該衛(wèi)星（）A．運(yùn)動速度大于第一宇宙速度B．運(yùn)動速度小于第一宇宙速度C．軌道半徑大于“靜止”在赤道上空的同步衛(wèi)星D．軌道半徑小于“靜止”在赤道上空的同步衛(wèi)星【變式1-1】2022年11月1日，23噸的夢天實(shí)驗(yàn)艙與60噸的天和核心艙組合體順利對接，完成了中國空間站建設(shè)最后一個模塊的搭建。若對接前天和核心艙組合體在距地高度的正圓軌道運(yùn)動，運(yùn)行速度略小于夢天實(shí)驗(yàn)艙對接前的速度，則（）A．對接時夢天艙和天和艙因沖擊力而產(chǎn)生的加速度相同B．對接前空間站內(nèi)宇航員所受地球的引力為零C．對接后空間站繞地運(yùn)行速度大于第一宇宙速度D．若不啟動發(fā)動機(jī)調(diào)整軌道，對接后空間站的軌道將會是橢圓【變式1-2】我國首次火星探測任務(wù)被命名為“天問一號”。已知火星質(zhì)量約為地球質(zhì)量的10%，半徑約為地球半徑的50%，下列說法正確的是（）A．火星探測器的發(fā)射速度應(yīng)大于地球的第二宇宙速度B．火星探測器的發(fā)射速度應(yīng)介于地球的第一和第二宇宙速度之間C．火星的第一宇宙速度大于地球的第一宇宙速度D．火星表面的重力加速度大于地球表面的重力加速度【變式1-3】（多）人類設(shè)想在赤道平面內(nèi)建造垂直于地面并延伸到太空的電梯，又稱“太空電梯”如圖甲所示。圖乙中，圖線A表示地球引力對航天員產(chǎn)生的加速度大小與航天員距地心的距離r的關(guān)系，圖線B表示航天員相對地面靜止時而產(chǎn)生的向心加速度大小與r的關(guān)系。圖乙中R（地球半徑），r0為已知量，地球自轉(zhuǎn)的周期為T，引力常量為G，下列說法正確的有（）A．太空電梯停在r0處時，航天員對電梯艙的彈力為0B．地球的質(zhì)量為C．地球的第一宇宙速度為D．隨著r的增大，航天員對電梯艙的彈力逐漸減小【題型2人造衛(wèi)星和同步衛(wèi)星】【例2】2022年10月9日，我國成功發(fā)射“夸父一號”探測衛(wèi)星，用于探測由太陽發(fā)射而來的高能宇宙射線，衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動，運(yùn)行軌道離地面的高度為720km，下列說法正確的是（）A．“夸父一號”的運(yùn)行速度大于B．“夸父一號”的向心加速度小于地球同步衛(wèi)星的向心加速度C．為使“夸父一號”能更長時間觀測太陽，采用a軌道比b軌道更合理D．“夸父一號”繞地球做圓周運(yùn)動的周期為24小時【變式2-1】華為mate60實(shí)現(xiàn)了手機(jī)衛(wèi)星通信，只要有衛(wèi)星信號覆蓋的地方，就可以實(shí)現(xiàn)通話。如圖所示三顆赤道上空的通信衛(wèi)星就能實(shí)現(xiàn)環(huán)赤道全球通信，已知三顆衛(wèi)星離地高度均為h，地球的半徑為R，地球同步衛(wèi)星離地高度為6R，地球表面重力加速度為，引力常量為G，下列說法正確的是（）A．三顆通信衛(wèi)星受到地球的萬有引力的大小相等B．能實(shí)現(xiàn)全球通信時，衛(wèi)星離地高度至少2RC．其中一顆質(zhì)量為m的通信衛(wèi)星的動能為D．通信衛(wèi)星和地球自轉(zhuǎn)周期之比為【變式2-2】材料的力學(xué)強(qiáng)度是材料眾多性能中被人們極為看重的一種性能，目前已發(fā)現(xiàn)的高強(qiáng)度材料碳納米管的抗拉強(qiáng)度是鋼的100倍，密度是鋼的，這使得人們有望在赤道上建造垂直于水平面的“太空電梯”。當(dāng)航天員乘坐“太空電梯”時，地球引力對航天員產(chǎn)生的加速度a與r的關(guān)系用圖乙中圖線A表示，航天員由于地球自轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的向心加速度大小與r的關(guān)系用圖線B表示，其中r為航天員到地心的距離，R為地球半徑．關(guān)于相對地面靜止在不同高度的航天員，下列說法正確的是（

）A．航天員在處的線速度等于第一宇宙速度B．圖中為地球同步衛(wèi)星的軌道半徑C．隨著r增大，航天員運(yùn)動的線速度一直減小D．隨著r增大，航天員受到電梯艙的彈力減小【變式2-3】2022年5月，我國成功完成了天舟四號貨運(yùn)飛船與空間站的對接，形成的組合體在地球引力作用下繞地球做圓周運(yùn)動，周期約90分鐘。下列說法正確的是（

）A．組合體中的貨物處于超重狀態(tài)B．組合體的速度大小略大于第一宇宙速度C．組合體的角速度大小比地球同步衛(wèi)星的大D．組合體的加速度大小比地球同步衛(wèi)星的小【題型3近地衛(wèi)星與黃金代換】【例3】如圖所示為“天問一號”在某階段的運(yùn)動示意圖，“天問一號”在P點(diǎn)由橢圓軌道變軌到近火圓形軌道。已知火星半徑為R，橢圓軌道上的遠(yuǎn)火點(diǎn)Q離火星表面的最近距離為6R，火星表面的重力加速度為g0，忽略火星自轉(zhuǎn)的影響?！疤靻栆惶枴痹跈E圓軌道上從P點(diǎn)運(yùn)動到Q點(diǎn)的時間為（）A． B． C． D．【變式3-1】“羲和號”是我國首顆太陽探測科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星。如圖所示，該衛(wèi)星圍繞地球的運(yùn)動視為勻速圓周運(yùn)動，軌道平面與赤道平面接近垂直。衛(wèi)星每天在相同時刻，沿相同方向經(jīng)過地球表面A點(diǎn)正上方，恰好繞地球運(yùn)行n圈。已知地球半徑為地軸R，自轉(zhuǎn)周期為T，地球表面重力加速度為g，則“羲和號”衛(wèi)星軌道距地面高度為（

）A． B．C． D．【變式3-2】如圖所示，一顆在某中地圓軌道上運(yùn)行的質(zhì)量為m的衛(wèi)星，通過M、N兩位置的變軌，經(jīng)橢圓轉(zhuǎn)移軌道進(jìn)入近地圓軌道運(yùn)行，然后調(diào)整好姿態(tài)再伺機(jī)進(jìn)入大氣層，返回地面。已知近地圓軌道的半徑可認(rèn)為等于地球半徑，中地圓軌道與近地圓軌道共平面且軌道半徑為地球半徑的3倍，地球半徑為R，地球表面的重力加速度為g，下列說法中正確的是（

）A．衛(wèi)星在M、N兩點(diǎn)處需要加速才能實(shí)現(xiàn)題設(shè)條件中的變軌B．該衛(wèi)星在近地圓軌道上運(yùn)行的動能為C．該衛(wèi)星在中地圓軌道上運(yùn)行的速度D．該衛(wèi)星在轉(zhuǎn)移軌道上從M點(diǎn)運(yùn)行至N點(diǎn)（M、N與地心在同一直線上）所需的時間【變式3-3】（多）第六代移動通信技術(shù)（6G）將在2030年左右實(shí)現(xiàn)商用，可實(shí)現(xiàn)從萬物互聯(lián)到萬物智聯(lián)的躍遷。與前五代移動通信以地面通信為主不同，6G時代衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)將承擔(dān)重要角色。我國已經(jīng)成功發(fā)射了全球首顆6G試驗(yàn)地球衛(wèi)星，衛(wèi)星軌道半徑的三次方與其周期的二次方關(guān)系如圖所示，衛(wèi)星的運(yùn)動是以地心為圓心的勻速圓周運(yùn)動。已知地球半徑為R，引力常量為G，下列說法正確的是（）A．地球的質(zhì)量為B．地球表面的重力加速度為C．繞地球表面運(yùn)行的衛(wèi)星線速度為D．地球的密度為【題型4衛(wèi)星變軌問題】【例4】2024年3月20日，我國探月工程四期鵲橋二號中繼星成功發(fā)射升空。當(dāng)?shù)诌_(dá)距離月球表面某高度時，鵲橋二號開始進(jìn)行近月制動，并順利進(jìn)入捕獲軌道運(yùn)行，如圖所示，軌道的半長軸約為51900km。后經(jīng)多次軌道調(diào)整，進(jìn)入凍結(jié)軌道運(yùn)行，軌道的半長軸約為9900km，周期約為24h。則鵲橋二號在捕獲軌道運(yùn)行時（

）A．周期約為144hB．近月點(diǎn)的速度大于遠(yuǎn)月點(diǎn)的速度C．近月點(diǎn)的速度小于在凍結(jié)軌道運(yùn)行時近月點(diǎn)的速度D．近月點(diǎn)的加速度大于在凍結(jié)軌道運(yùn)行時近月點(diǎn)的加速度【變式4-1】2024年3月20日，長征八號火箭成功發(fā)射，將鵲橋二號直接送入預(yù)定地月轉(zhuǎn)移軌道。如圖所示，鵲橋二號在進(jìn)入近月點(diǎn)P、遠(yuǎn)月點(diǎn)A的月球捕獲橢圓軌道，開始繞月球飛行。經(jīng)過多次軌道控制，鵲橋二號最終進(jìn)入近月點(diǎn)P和遠(yuǎn)月點(diǎn)B、周期為24小時的環(huán)月橢圓軌道。關(guān)于鵲橋二號的說法正確的是（）A．離開火箭時速度大于地球的第三宇宙速度B．在捕獲軌道運(yùn)行的周期大于24小時C．在捕獲軌道上經(jīng)過P點(diǎn)時，需要點(diǎn)火加速，才可能進(jìn)入環(huán)月軌道D．經(jīng)過A點(diǎn)的加速度比經(jīng)過B點(diǎn)時大【變式4-2】2023年我國“天宮號”太空實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了長期有人值守，我國邁入空間站時代。如圖所示，“天舟號”貨運(yùn)飛船沿橢圓軌道運(yùn)行，A、B兩點(diǎn)分別為橢圓軌道的近地點(diǎn)和遠(yuǎn)地點(diǎn)，則以下說法正確的是（）A．“天舟號”在A點(diǎn)的線速度大于“天宮號”的線速度B．“天舟號”在B點(diǎn)的加速度小于“天宮號”的加速度C．“天舟號”在橢圓軌道的周期比“天宮號”周期大D．“天舟號”與“天宮號”對接前必須先減速運(yùn)動【變式4-3】2022年11月30日，神舟十五號載