考前适应练八 卫星变轨问题 双星模型-备战2023年高考三轮复习专题-复习与训练
展开考向1 卫星变轨问题中各物理量的比较
例1 嫦娥五号完美完成中国航天史上最复杂任务后于2020年12月17日成功返回,最终收获1731克样本.图中椭圆轨道Ⅰ、100公里环月轨道Ⅱ及月地转移轨道Ⅲ分别为嫦娥五号从月球返回地面过程中所经过的三个轨道示意图,下列关于嫦娥五号从月球返回过程中有关说法正确的是( )
A.在轨道Ⅱ上运行时的周期小于在轨道Ⅰ上运行时的周期
B.在轨道Ⅰ上运行时的加速度大小始终大于在轨道Ⅱ上时的加速度大小
C.在N点时嫦娥五号经过点火加速才能从Ⅱ轨道进入Ⅲ轨道返回
D.在月地转移轨道上飞行的过程中可能存在不受万有引力的瞬间
变式训练1 (多选)载着登陆舱的探测器经过多次变轨后登陆火星的轨迹如图,其中轨道Ⅰ、Ⅲ为椭圆,轨道Ⅱ为圆,探测器经轨道Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ后在Q点登陆火星,O点是轨道Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的交点,轨道上的O、P、Q三点与火星中心在同一直线上,O、Q两点分别是椭圆轨道Ⅲ的远火星点和近火星点.已知火星的半径为R,OQ=4R,探测器在轨道Ⅱ上经过O点的速度为v,下列说法正确的有( )
A.在相等时间内,轨道Ⅰ上探测器与火星中心的连线扫过的面积与轨道Ⅱ上探测器与火星中心的连线扫过的面积相等
B.探测器在轨道Ⅰ运动时,经过O点的速度小于v
C.探测器在轨道Ⅱ运动时,经过O点的加速度等于eq \f(v2,3R)
D.在轨道Ⅱ上第一次由O点到P点与在轨道Ⅲ上第一次由O点到Q点的时间之比是3eq \r(6)∶4
考向2 卫星对接问题
例2 宇宙飞船和空间站在同一轨道上运动.若飞船想与前方的空间站对接,飞船为了追上空间站,可采取的方法是( )
A.飞船加速直到追上空间站,完成对接
B.飞船从原轨道减速至一个较低轨道,再加速追上空间站完成对接
C.飞船加速至一个较高轨道,再减速追上空间站,完成对接
D.无论飞船采取何种措施,均不能与空间站对接
题型二 星球稳定自转的临界问题
例3 (2018·全国卷Ⅱ·16)2018年2月,我国500 m口径射电望远镜(天眼)发现毫秒脉冲星“J0318+0253”,其自转周期T=5.19 ms.假设星体为质量均匀分布的球体,已知万有引力常量为6.67×10-11 N·m2/kg2.以周期T稳定自转的星体的密度最小值约为( )
A.5×109 kg/m3 B.5×1012 kg/m3
C.5×1015 kg/m3 D.5×1018 kg/m3
题型三 双星或多星模型
考向1 双星问题
例4 (多选)(2018·全国卷Ⅰ·20)2017年,人类第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波.根据科学家们复原的过程,在两颗中子星合并前约100 s时,它们相距约400 km,绕二者连线上的某点每秒转动12圈.将两颗中子星都看作是质量均匀分布的球体,由这些数据、万有引力常量并利用牛顿力学知识,可以估算出这一时刻两颗中子星( )
A.质量之积 B.质量之和
C.速率之和 D.各自的自转角速度
变式训练2 (多选)2019年人类天文史上首张黑洞图片正式公布.在宇宙中当一颗恒星靠近黑洞时,黑洞和恒星可以相互绕行,从而组成双星系统.在相互绕行的过程中,质量较大的恒星上的物质会逐渐被吸入到质量较小的黑洞中,从而被吞噬掉,黑洞吞噬恒星的过程也被称之为“潮汐瓦解事件”.天鹅座X-1就是一个由黑洞和恒星组成的双星系统,它们以两者连线上的某一点为圆心做匀速圆周运动,如图所示.在刚开始吞噬的较短时间内,恒星和黑洞的距离不变,则在这段时间内,下列说法正确的是( )
A.两者之间的万有引力变大
B.黑洞的角速度变大
C.恒星的线速度变大
D.黑洞的线速度变大
考向2 多星问题
例5 (多选)宇宙中存在一些离其他恒星较远的三星系统,其中一种三星系统如图所示.三颗质量均为m的星体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,引力常量为G,则( )
A.每颗星做圆周运动的线速度大小为eq \r(\f(Gm,R))
B.每颗星做圆周运动的角速度为eq \r(\f(3Gm,R3))
C.每颗星做圆周运动的周期为2πeq \r(\f(R3,3Gm))
D.每颗星做圆周运动的加速度与三星的质量无关
变式训练3 (多选)如图为一种四颗星体组成的稳定系统,四颗质量均为m的星体位于边长为L的正方形四个顶点,四颗星体在同一平面内围绕同一点做匀速圆周运动,忽略其他星体对它们的作用,引力常量为G.下列说法中正确的是( )
A.星体做匀速圆周运动的圆心不一定是正方形的中心
B.每个星体做匀速圆周运动的角速度均为eq \r(\f(4+\r(2)Gm,2L3))
C.若边长L和星体质量m均是原来的两倍,星体做匀速圆周运动的加速度大小是原来的两倍
D.若边长L和星体质量m均是原来的两倍,星体做匀速圆周运动的线速度大小不变
课时精练
1.(多选)目前,在地球周围有许多人造地球卫星绕着它运转,其中一些卫星的轨道近似为圆,且轨道半径逐渐变小.若卫星在轨道半径逐渐变小的过程中,只受到地球引力和稀薄气体阻力的作用,则下列判断正确的是( )
A.卫星的动能逐渐减小
B.由于地球引力做正功,引力势能一定减小
C.由于稀薄气体阻力做负功,地球引力做正功,机械能保持不变
D.卫星克服稀薄气体阻力做的功小于引力势能的减小量
2.1970年成功发射的“东方红一号”是我国第一颗人造地球卫星,该卫星至今仍沿椭圆轨道绕地球运动.如图所示,设卫星在近地点、远地点的速度分别为v1、v2,近地点到地心的距离为r,地球质量为M,引力常量为G.则( )
A.v1>v2,v1=eq \r(\f(GM,r)) B.v1>v2,v1>eq \r(\f(GM,r))
C.v1<v2,v1=eq \r(\f(GM,r)) D.v1<v2,v1>eq \r(\f(GM,r))
3.银河系的恒星中大约四分之一是双星,某双星由质量不等的星体S1和S2构成,两星在相互之间的万有引力作用下绕两者连线上某一定点C做匀速圆周运动.由天文观察测得其运动周期为T,S1到C点的距离为r1,S1和S2的距离为r,已知引力常量为G.由此可求出S2的质量为( )
A.eq \f(4π2r2r-r1,GT2) B.eq \f(4πr13,GT2)
C.eq \f(4π2r3,GT2) D.eq \f(4π2r2r1,GT2)
4.2020年7月23日,天问一号火星探测器搭乘长征五号遥四运载火箭成功发射,中国航天开启了走向深空的新旅程.由着陆巡视器和环绕器组成的天问一号经过如图所示的发射、地火转移、火星捕获、火星停泊、科学探测和离轨着陆六个阶段,其中的着陆巡视器于2021年5月15日着陆火星,则( )
A.天问一号发射速度大于第一宇宙速度,小于第二宇宙速度
B.天问一号在“火星停泊段”运行的周期大于它在“科学探测段”运行的周期
C.天问一号从图示“火星捕获段”需经过加速才能运动到“火星停泊段”
D.着陆巡视器从图示“离轨着陆段”至着陆火星过程,机械能守恒
5.一近地卫星的运行周期为T0,地球的自转周期为T,则地球的平均密度与地球不致因自转而瓦解的最小密度之比为( )
A.eq \f(T0,T) B.eq \f(T,T0) C.eq \f(T02,T2) D.eq \f(T2,T02)
6.2021年6月17日,神舟十二号载人飞船与天和核心舱完成对接,航天员聂海胜、刘伯明、汤洪波进入天和核心舱,标志着中国人首次进入了自己的空间站.对接过程的示意图如图所示,天和核心舱处于半径为r3的圆轨道Ⅲ;神舟十二号飞船处于半径为r1的圆轨道Ⅰ,运行周期为T1,通过变轨操作后,沿椭圆轨道Ⅱ运动到B处与天和核心舱对接.则神舟十二号飞船( )
A.在轨道Ⅰ和轨道Ⅱ运动经过A点时速度大小相同
B.沿轨道Ⅱ从A运动到对接点B过程中,速度不断增大
C.沿轨道Ⅱ运行的周期为T2=T1eq \r(\f(r1+r3,2r1)3)
D.沿轨道Ⅰ运行的周期大于天和核心舱沿轨道Ⅲ运行的周期
7.如图所示,某双星系统的两星A和B各自绕其连线上的O点做匀速圆周运动,已知A星和B星的质量分别为m1和m2,相距为d.下列说法正确的是( )
A.A星的轨道半径为eq \f(m1,m1+m2)d
B.A星和B星的线速度之比为m1∶m2
C.若在O点放一个质点,它受到的合力一定为零
D.若A星所受B星的引力可等效为位于O点处质量为m′的星体对它的引力,则m′=eq \f(m23,m1+m22)
8.我国已掌握“高速半弹道跳跃式再入返回技术”,为实现“嫦娥”飞船月地返回任务奠定基础.如图所示,假设与地球同球心的虚线球面为地球大气层边界,虚线球面外侧没有空气,返回舱从a点无动力滑入大气层,然后经b点从c点“跳出”,再经d点从e点“跃入”实现多次减速,可避免损坏返回舱.d点为轨迹最高点,离地面高h,已知地球质量为M,半径为R,引力常量为G.则返回舱( )
A.在d点加速度小于eq \f(GM,R+h2)
B.在d点速度等于eq \r(\f(GM,R+h))
C.虚线球面上的c、e两点离地面高度相等,所以vc和ve大小相等
D.虚线球面上的a、c两点离地面高度相等,所以va和vc大小相等
9.双星系统由两颗恒星组成,两恒星在相互引力的作用下,分别围绕其连线上的某一点做周期相同的匀速圆周运动.研究发现,双星系统演化过程中,两星的总质量、距离和周期均可能发生变化.若某双星系统中两星做圆周运动的周期为T,经过一段时间演化后,两星总质量变为原来的k倍,两星之间的距离变为原来的n倍,则此时圆周运动的周期为( )
A.eq \r(\f(n3,k2))T B.eq \r(\f(n3,k))T C.eq \r(\f(n2,k))T D.eq \r(\f(n,k))T
10.宇宙空间有一种由三颗星A、B、C组成的三星体系,它们分别位于等边三角形ABC的三个顶点上,绕一个固定且共同的圆心O做匀速圆周运动,轨道如图中实线所示,其轨道半径rA
B.加速度大小关系是aA>aB>aC
C.质量大小关系是mA>mB>mC
D.所受万有引力合力的大小关系是FA=FB=FC
11.(多选)如图所示,月球探测器在一个环绕月球的椭圆轨道上运行,周期为T1,飞行一段时间后实施近月制动,进入距月球表面高度为h的环月圆轨道,运行周期为T2,月球的半径为R.下列说法正确的是( )
A.根据题中数据,无法求出月球探测器的质量
B.探测器在椭圆轨道远月点的速度大于近月点的速度
C.椭圆轨道的半长轴为(R+h)eq \r(3,\f(T12,T22))
D.探测器在椭圆轨道上运行的最大速度为eq \f(2πR+h,T2)
12.(多选)太空中存在一些离其他恒星较远的、由质量相等的三颗星组成的三星系统,通常可忽略其他星体对它们的引力作用.已观测到稳定的三星系统存在两种基本的构成形式(如图):一种是三颗星位于同一直线上,两颗星围绕中央星在同一半径为R的圆轨道上运行;另一种形式是三颗星位于等边三角形的三个顶点上,并沿外接于等边三角形的圆形轨道运行.设这三颗星的质量均为M,并且两种系统的运动周期相同,则( )
A.直线三星系统中甲星和丙星的线速度相同
B.直线三星系统的运动周期T=4πReq \r(\f(R,5GM))
C.三角形三星系统中星体间的距离L=eq \r(3,\f(12,5))R
D.三角形三星系统的线速度大小为eq \f(1,2)eq \r(\f(5GM,R))
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