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第18讲天体运动中的三大模型
目录
01模拟基础练
【题型一】环绕模型
【题型二】随绕模型
【题型三】互绕模型
02重难创新练
【题型一】环绕模型
1.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/s
C.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
解得
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
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。
故选B。
2.华为mate60实现了手机卫星通信,只要有卫星信号覆盖的地方,就可以实现通话。如图所示,三颗赤道上空的通信卫星就能实现环赤道全球通信,已知三颗卫星的离地高度均为h,地球的半径为R,地球同步卫星的离地高度为6R,地球表面重力加速度为g,引力常量为G,下列说法正确的是()
A.三颗通信卫星受到地球的万有引力大小相等
B.三颗通信卫星的线速度大小为
C.通信卫星和地球自转周期之比为
D.能实现全球通信时,卫星离地面高度至少2R
【答案】B
【详解】A.通信卫星受到地球的万有引力大小为
因三颗通信卫星的质量未知,故三颗通信卫星受到地球的万有引力大小不一定相等,A错误;
B.对通信卫星,由万有引力提供向心力,有
在地球表面有
联立解得三颗通信卫星的线速度大小为
B正确;
C.由万有引力提供向心力,有
故通信卫星和地球自转周期之比为
C错误;
D.三颗通信卫星若要全面覆盖,由几何关系有
解得
所以通信卫星离地高度至少为R,D错误。
故选B。
3.2023年11月9日,“中星6E”通信卫星顺利进入地球同步静止轨道,该卫星将用于接替同一轨道上的卫星“中星6B”。有关两个卫星,下列说法不一定正确的是()
A.角速度相同 B.运动周期相同
C.均位于赤道正上方 D.所受万有引力大小相同
【答案】D
【详解】两卫星均为同步卫星,所以运动周期相同,角速度均相同。运行轨道均位于赤道正上方。万有引力及牛顿第二定律得
有上式可知,两卫星距地面的高度相同。又有万有引力公式可知,由于两卫星质量未知,所以所受万有引力不一定相同。
故选D。
4.神舟十七号载人飞船与距离地面约的天宫空间站成功对接。变轨过程可简化为如图:飞船先从圆形轨道Ⅰ的A位置变轨到椭圆轨道Ⅱ,再从B位置变轨进入空间站所在的圆形轨道Ⅲ。假设空间站轨道半径为r,地球半径为R,地球表面的重力加速度为g。下列说法正确的是()
A.空间站内的航天员处于“悬浮”状态是因为他所受到合外力为零
B.飞船沿椭圆轨道Ⅱ由A点到B点的时间为
C.空间站的向心加速度大于赤道上的物体随地球自转的向心加速度
D.根据狭义相对论原理,在轨飞行的飞船中,航天员的手表变快了
【答案】C
【详解】A.空间站内的航天员处于“悬浮”状态是因为他处于完全失重状态,其自身所受重力充当其随空间站一起环绕地球做圆周运动的向心力,故A错误;
B.若飞船从A到B做圆周运动,且轨道半径为,则由万有引力从当向心力有
解得
而在地球表面有
解得
由此可得
则从A到B的时间为
但由于飞船从A到B并非做匀速圆周运动,而是椭圆运动,因此要求椭圆运动的周期必须用开普勒第三定律,且必须知道飞船做椭圆运动的半长轴,由此可知,飞船沿椭圆轨道Ⅱ由A点到B点的时间并非为,故B错误;
C.同步卫星与赤道上物体的角速度相同,根据圆周运动的相关知识可知,向心加速度
由于同步卫星做圆周运动的半径大于赤道上物体做圆周运动的半径,因此同步卫星的向心加速度大于赤道上物体的向心加速度,而对于环绕中心天体做圆周运动的物体,由万有引力充当向心力,可得物体环绕中心天体做圆周运动的向心加速度
可知,轨道半径越大,向心加速度越小,而同步卫星的轨道半径大于空间站的轨道半径,因此同步卫星的向心加速度小于空间站的向心加速度,由此可知,空间站的向心加速度大于赤道上的物体随地球自转的向心加速度,故C正确;
D.根据狭义相对论原理,在轨飞行的飞船中,航天员的手表变慢了,故D错误。
故选C。
5.地球同步卫星的发射过程可以简化如下:卫星先在近地圆形轨道I上运动,在点A时
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