宇宙航行-2025年高考物理一轮复习（解析版）.pdf

第 16讲宇宙航行划重点之精细讲义系列 有点导航考点1人造地球卫星及其参量考点2宇宙速度及卫星变轨问题考点3拉格朗日点卫星 张角与遮光角及卫星追及问题考点4双星模型考点5多星模型考点1:人造地球卫星及其参量1.人造地球卫星的运行轨道(1)卫星绕地球运行的轨道可以是椭圆轨道，也可以是圆轨道2)卫星绕地球沿椭圆轨道运动时，地心是椭圆的一个焦点，其周期和半长轴的关系遵循开普勒第三定律3)卫星绕地球沿圆轨道运动时，由于地球对卫星的万有引力提供了卫星绕地球运动的向心力，而万有引力指向地心，所以，地心必然是卫星运行轨道的圆心在卫星环绕地球近似做匀速圆周运动的过程中，卫星内物体处于完全失重状态4)卫星的轨道平面可以在赤道平面内(如地球同步卫星)，也可以和赤道平面垂直(如极地卫星),还可以和赤道平面成任一角度如图所示2.人造地球卫星的参量规律卫星在轨道上运行时，卫星的轨道可视为圆形，这样卫星受到的万有引力提供了卫星做匀速圆周运动所需的向心力，设地球质量为M,卫星质量为m,卫星的轨道半径为厂,线速度大小为v,角速度第1页 共6 9页大小为0,周 期 为 T,向心加速度大小为a比较卫星与卫星一轨道半径rT卫星参量比较卫星与赤道上物体线速度 4角速度。

I向心加速度重力加速度g 1周期TT引力势能EpT机械能ET直接牢记最后再比较其他需求解的参量吗震看麒J星3.极地卫星、近地卫星、同步卫星卫星类型近地卫星同步卫星极地卫星卫星特征近地卫星是在地球表面附近环绕地球做匀速圆周运动的卫星，其运行的轨道半径可近似认为等于地球的半径地球同步卫星是指周期和地球自转周期相同的卫星由于卫星所需的向心力由地球的引力提供，所以卫星轨道平面一定过地心，其中一种卫星的轨道平面与赤道平面成0 度角，运动方向与地球自转方向相同，因其相对地面静止，也称静止卫星极地卫星运行时每圈 都 经 过 南 北 两极，即在垂直于赤道的平面内，如极地气象卫星由于地球自转，极地卫星可以实现全球覆盖轨道半径R（地球半径）R+h(/i=3.6xl07ni)向心力v2=mg=nr-M m m y2CJ 9=mg,(R+h)2(R+h)h线速度v=l =y g R=l.9 km/s（绕地运行的最大运行速度）v=3.1xlO3m/y向心加速度a=ga=gh=0.23 m/s2（同步卫星的向心加速度等于该处的重力加速度）周期丁=心 需=2$8 4min（卫星运行最小周期）r=24h=8.64xl04s第2页 共6 9页盒工韦迪密丽【考向1】（2024.天津 一模）2024年 4 月 2 5 日，神舟十八号飞船在酒泉卫星发射中心成功发射，神舟十八号飞船在执行任务时可视为在距地面400km轨道上做匀速圆周运动；此前在西昌卫星发射中心成功发射了北斗导航卫星G7,G 7属于地球静止轨道卫星（高度约为36000km）,它将使北斗系统的可靠性进一步提高。

以下说法中正确的是（）.A.神舟十八号飞船的周期比北斗G 7的周期小B.神舟十八号飞船的向心加速度比北斗G 7的小C.神舟十八号飞船和北斗G 7的运行速度可能大于7.9km/sD.通过地面控制可以将北斗G 7定点于西昌正上方【答案】A【详解】A BC.根据万有引力提供向心力可得GMm 4TT2 mv2产r=ma=-可得F 14712r3 GM GMT=A=JT由于神舟十八号飞船的轨道半径小于北斗G 7的轨道半径，则神舟十八号飞船的周期比北斗G 7的周期小，神舟十八号飞船的向心加速度比北斗G 7的大；地球第一宇宙速度7.9km/s是卫星绕地球做匀速圆周运动的最大线速度，则神舟十八号飞船和北斗G 7的运行速度都小于7.9km/s,故 A 正确，B C错误；D.地球静止轨道卫星只能定点与赤道的正上方，所以通过地面控制不可以将北斗G 7定点于西昌正上方，故 D 错误故选Ao【考向2】（2023浙江绍兴二模）根据地球同步卫星，科学家提出了“太空天梯”的设想太空天梯”的主体结构为一根巨大的硬质绝缘杆，一端固定在地球赤道，另一端穿过地球同步卫星，且绝缘杆的延长线通过地心若三个货物分别固定在“太空天梯”的。

b,c 三个位置，三个货物与同步卫星一起以地球自转角速度绕地球做匀速圆周运动，以地心为参考系，下列说法正确的是（）第3页 共6 9页A.三个货物速度大小关系为%vb vcB.如果三个货物在、6、c 三个位置从杆上同时脱落，三个货物都将做离心运动C.杆对6 处货物的作用力沿0b 方向向上，杆对c 处货物的作用力沿c方向向下D.若有一个轨道高度与6 相同的人造卫星绕地球做匀速圆周运动，则其环绕地球的角速度小于位于6 处货物的角速度【答案】C【详解】A.根据u=3r可得三个货物速度大小关系%12同%故 A 错误;B.根据题意可知同步卫星所受的万有引力恰好提供同步卫星做圆周运动所需的向心力，即2 同G-=小同厂r同 及 同对于a、b货物，从杆上脱落后，万有引力大于所需的向心力，则做近心运动，对于货物c,从杆上脱落后，万有引力小于所需的向心力，则做离心运动，故 B 错误；C.结合B 选项分析可知杆对6 处货物的作用力沿0 6 方向向上，杆对c 处货物的作用力沿cO方向向下，故 C 正确；D.根据M mG =ma)zr可得G M3=万可知轨道高度与6 相同的人造卫星角速度大于同步卫星的角速度，则其环绕地球的角速度大于位于6 处货物的角速度，故 D 错误。

第4页 共6 9页故选c考向3】（2024.江苏南京.二模）龙年首发，“长征5 号”遥七运载火箭搭载通信技术试验卫星十一号发射成功，卫星进入地球同步轨道后，主要用于开展多频段、高速率卫星通信技术验证下列说法正确的是（）A.同步卫星的加速度大于地球表面的重力加速度B.同步卫星的运行速度小于7.9km/sC.所有同步卫星都必须在赤道平面内运行D.卫星在同步轨道运行过程中受到的万有引力不变【答案】B【详解】A.根据MmG=m9解得GMg=节同步卫星的轨道半径大于地球半径，则同步卫星的加速度小于地球表面的重力加速度，故 A 错误;B.地球的第一宇宙速度等于近地卫星的环绕速度，根据Mm v2G =771-解得同步卫星的轨道半径大于地球半径，则同步卫星的运行速度小于7.9km/s,故 B正确；C.周期、角速度与地球自转周期、角速度相等的卫星叫同步卫星，可知，同步卫星的轨道不一定在赤道平面，在赤道平面的同步卫星叫静止卫星，故 C 错误；D.卫星在同步轨道运行过程中受到的万有引力大小不变，方向改变，即卫星在同步轨道运行过程中受到的万有引力发生变化，故 D 错误考向4】（多选）（2024辽宁丹东一模）近年来我国在航天、天文领域已取得突出成就。

2023年7 月 10 日，经国际天文学联合会小行星命名委员会批准，中国科学院紫金山天文台发现的、国际编号为381323号的小行星被命名为“樊锦诗星”如图所示，“樊锦诗星”绕日运行的椭圆轨道面与地球圆轨道面间的夹角为20.11度，轨道半长轴为3.18天文单位（日地距离为1 天文单位），远日点到第5页 共6 9页太阳中心距离为4.8 6 天文单位若只考虑太阳对行星的引力，下列说法正确的是（）“樊锦诗星”轨道A.“樊锦诗星”与地球的自转周期比约为（空）5B.由于“樊锦诗星”与地球分别绕太阳运动的轨道不在同一平面内，所以他们之间不适用“开普勒第三定律”C.“樊锦诗星”在近日点的加速度与地球的加速度大小之比为（）2D.“樊锦诗星”在远日点的线速度小于地球的公转线速度【答案】C D【详解】A B.“樊锦诗星”与地球都绕太阳运动，适用于开普勒第三定律，则有（3.18R）3 _ R3 耳_产3解得“樊锦诗星”与地球的公转周期比约为（等 F，故 AB错误；CD.根据万有引力提供向心力有GMm v2 丁 m =marz r解得“樊锦诗星”在近日点到太阳中心的距离满足 远+近a半长轴一 2解得r近=1.5天 文 单 位则“樊锦诗星”在近日点的加速度与地球的加速度大小之比为（卷 丫；“樊锦诗星”在远日点变轨到更大的圆周轨道时，需加速，根 据 =胫可知更大圆周轨道的线速度小于地球的公转线速度，所以“樊锦诗星”在远日点的线速度小于地球的公转线速度，故 CD正确；故选C D o第6页 共69页应考点剖析理重点考点2:宇宙速度及卫星变轨问题1.卫星三种“速度”的比较比较项目概念大小说明运行速度指卫星在进入运行轨道后绕地球做匀速圆周运动的线速度r丁GM大小随轨道半径的增大而减小，当 为地球半径（近地卫星）时，对 应 的 速 度 有 最 大 值v=7.9km/s发射速度指卫星在地面附近离开发射装置的初速 度（相对地球），第一、二、三宇宙速度都是指卫星相对于地球的不同发射速度G 7.9 km/s卫星在发射过程中要克服地球引力做功，卫星的预定轨道高度越高，所需发射速度越大宇宙速度实现某种效果所需的最小卫星发射速度7.9 km/s11.2 km/s16.7 km/s由不同卫星的发射要求决定关系发射速度越大，卫星运行的圆周轨道半径越大，卫星的运行速度越小，当v*=11.2 km/s时，卫星可挣脱地球引力的束缚；当v发=16.7 km/s时，卫星可挣脱太阳引力的束缚2.三个宇宙速度数值意义说明是人造地球卫星环绕地球运行的最大速第一度，也是人造地球卫星的最小发射速度。

物体在地面附近环绕地球做匀速宇宙7.9km/s第一宇宙速度又叫环绕速度在地面上发圆周运动时具有的速度速度射 人 造 卫 星 的 速 度 满 足7.9km/s vYY(-变轨结果变为椭圆轨道运动或在较大半径圆轨道上运动变为椭圆轨道运动或在较小半径圆轨道上运动原因分析当卫星由于某种原因速度改变时（开启、关闭发动机或空气阻力作用），万有引力就不再等于向心力，卫星将变轨运行1）当V增大时，卫星所需向心力增大，即万有引力不足以提供向心力，卫星将做离心运动向外变轨，当卫星进入新的圆轨道稳定运行时，轨道半径变大，第8页 共6 9页由v =知其运行速度要减小 当 V 减小时，卫星所需向心力减小，即万有引力大于卫星所需的向心力,因此卫星将做向心运动向内变轨，当卫星进入新的圆轨道稳定运行时，轨道半径变小，由V =知其运行速度将增大卫星的回收就是利用了这一原理）（3）变轨过程各物理量分析（重点）Em E E,E为总能量_ _ 金工韦迪矮妒v2v,v4 v3均为n前道上p点线速度盯为II轨道上Q点线速度%=外,allt=aQ；即为I轨道上的向心加速度L 即为II轨道上P点的向心加速度可 为 HI轨道上的向心加速度%为 轨道上Q点的向心加速度【考向5】（2 0 2 4 云南曲靖二模）2 0 2 3 年 1 0 月 2 6 日，我国自主研发的神舟十七号载人飞船圆满完成发射，与天和核心舱成功对接，“太空之家”迎来汤洪波、唐胜杰、江新林3名中国航天史上最年轻的乘组入驻。

如图所示为神舟十七号的发射与交会对接过程示意图，图中为飞船的近地圆轨道,其轨道半径为,为椭圆变轨轨道，为天和核心舱所在的圆轨道，其轨道半径为7?2,运行周期为7 3,尸、分别为轨道与、轨道的交会点关于神舟十七号载人飞船与天和核心舱交会对接过程，下列说法正确的是（）第9页 共6 9页A.神舟十七号飞船先到轨道，然后再加速，才能与天和核心舱完成对接B.神舟十七号飞船变轨前通过椭圆轨道远地点时的加速度小于变轨后圆轨道经过Q点的加速度C.地球的平均密度为葛D.神舟十七号飞船在轨道从P点运动到Q点的最短时间为.北（喏,【答案】D【详解】A.神舟十七号飞船先到轨道，然后再加速，则神舟十七号飞船将做离心运动，不可能与天和核心舱完成对接，故 A错误；B.根据牛顿第二定律可得GMm产 二m a可得GMQ =-vTL可知神舟十七号飞船变轨前通过椭圆轨道远地点时的加速度等于变轨后圆轨道经过点的加速度,故 B错误；C.根据万有引力提供向心力可得GMm 4/形5=m以-/?2又4M=P-nRl联立可得地球的平均密度为3 兀膨P=GTRl故 C错误；D.设飞船在轨道的运行周期为七，根据开普勒第三定律可得碍 一 拶。