专题5.15 卫星(航天器)的变轨及对接问题(解析版)

高考物理100考点最新模拟题千题精练

第五部分万有引力定律和航天

专题5.15卫星(航天器)的变轨及对接问题

一．选择题

1．（2020山东聊城二模）2020年5月5日，为我国载人空间站工程研制的长征五号B运载火箭，搭载新一代载人飞船试验船和柔性充气式货物返回舱试验舱，在文昌航天发射场点火升空，载荷组合体被送入预定轨道，首飞任务取得圆满成功；未来两年内，我国还将发射核心舱、轨道舱等在轨组合中国空间站，发射载人飞船、货运飞船，向空间站运送航天员以及所需的物资。关于火箭的发射以及空间站的组合、对接，下列说法正确的是

A．火箭发射升空的过程中，发动机喷出的燃气推动空气，空气推动火箭上升

B．货运飞船要和在轨的空间站对接，通常是将飞船发射到较低的轨道上，然后使飞船加速实现对接C．未来在空间站中工作的航天员因为不受地球引力，所以处于失重状态

D．空间站一定在每天同一时间经过文昌发射场上空

【参考答案】B

【名师解析】火箭发射升空的过程中，发动机喷出的燃气推动空气，燃气对火箭的反作用力推动火箭上升，选项A错误；货运飞船要和在轨的空间站对接，通常是将飞船发射到较低的轨道上，然后使飞船加速，做离心运动，进入空间站轨道，实现对接，选项B正确；未来在空间站中工作的航天员仍受到地球引力，但是随空间站一起绕地球做匀速圆周运动，加速度指向地心，所以处于失重状态，选项C错误；空间站的轨道若经过海南文昌发射场上空，但是周期小于24小时，所以每天可能几次经过文昌发射场上空，若空间站的轨道不经过海南文昌发射场上空，则不经过文昌发射场上空，选项D错误。

2.（2020年4月浙江台州质量评估）2017 年4月20 日19 时41 分，“天舟一号”货运飞船在海南文昌发射，

然后与七个月前发射的“天宫二号”空间实验室进行了对接，对接后飞行轨道高度与“天宫二号”原轨道高度相同。已知万有引力常量为G，地球半径为R，对接前“天宫二号”的轨道半径为r、运行周期为T。由此可知

A．地球的质量为

22

2 4r GT

B. 地球的第一宇宙速度为32r T R π C ．对接前 “天宫二号”的运行速度为

2R T π D ．对接后 “天舟一号”与“天宫二号”组合体的运行周期大于 T

【参考答案】B

【命题意图】 本题以“天舟一号”货运飞船与“天宫二号”空间实验室对接为情景，考查万有引力定律、牛顿运动定律、第一宇宙速度及其相关知识点，考查的核心素养是“运动和力”的观点。

【解题思路】由万有引力提供向心力提供向心力，G 2Mm r =mr （2T

π）2，解得地球的质量为M=2324r GT π ，选项A 错误；当卫星围绕地球做匀速圆周运动的轨道半径等于地球半径时，对应的速度等于第一宇宙速度，由万有

引力提供向心力提供向心力，G 2Mm R

=m 21v R ，而M=2324r GT π绕，联立解得： 地球的第一宇宙速度为v 1=32r T R

π，选项B 正确；对接前 “天宫二号”的运行速度为v=2r T π，选项C 错误；根据题述，对接后飞行轨道高度与“天宫二号”原轨道高度相同可知，轨道半径不变，由万有引力提供向心力提供向心力，G

2Mm r =mr （2T

π）2，可知对接后 “天舟一号”与“天宫二号”组合体的运行周期不变，选项D 错误。 【关键点拨】解答围绕地球运动的卫星（包括飞船、空间站）类问题，一般方法是：利用万有引力提供向心力，选择合适的向心加速度表达式，列方程解答。

3. （2019辽宁沈阳一模）“神舟十一号”飞船与“天宫二号”空间实验室自动交会对接前的示意图如图所示，圆形轨道I 为“天宫二号”运行轨道，圆形轨道II 为“神舟十一号”运行轨道。此后“神舟十一号”要进行多次变轨，才能实现与“天宫二号”的交会对接，则：（ ）

A. “天宫二号”在轨道I 的运行速率大于“神舟十一号”在轨道II 上运行速率

B. “神舟十一号”由轨道II变轨到轨道I需要减速

C. “神舟十一号”为实现变轨需要向后喷出气体

D. “神舟十一号”变轨后比变轨前机械能减少

【参考答案】C

【名师解析】

由题可知，万有引力提供向心力，即，则，由于“天宫二号”的轨道半径大，可知其速率小，则A错误；“神舟十一号” 由轨道II变轨到轨道I需要加速做离心运动，要向后喷出气体，速度变大，发动机做正功，使其机械能增加，故选项C正确，BD错误。

【名师点睛】本题考查了万有引力定律的应用，解决本题的关键掌握变轨的原理，以及掌握万有引力提供向心力这一理论，并能灵活运用。

4．（2019湖北名校联盟三模）2018年12月9日2时28分高分五号卫星在太原卫星发射中心用长征四号丙运载火箭发射升空，卫星经过多次变轨后，在距地心为R的地球冋步轨道上凝望地球。该卫星首次搭载了大气痕量气体差分吸收光谱仪、主要温室气体探测仪、大气多角度偏振探测仪等，是实现高光谱分辨率对地观测的标志。高分五号卫星由半径为R A的圆轨道1经椭圆轨道2变轨到同步轨道3时的情况如图所示，已知高分五号卫星在轨道1上运行的周期为T1，已知地球半径R0

A．地球的平均密度为

B．在轨道3上稳定运行时，卫星每天可两次经过地表上同一点的正上方

C．卫星在从A点经轨道2运动到B点的时间为

D．卫星由圆轨道1调整到同步轨道3上，只需要加速一次即可

【参考答案】C

【名师解析】当卫星轨道半径等地球半径时，可求得其密度为，但轨道1的半径不是地球半径，故A 错误；因轨道3为同步卫星，其相对地面上的某点不动，故B 错误；在轨道2上的周期T ：

，由A 到B 的时间为，可求得，故C 正确； D 项：卫星由圆轨道1调

整到同步轨道3上，只需要加速两次，故D 错误。故选：C 。

【易错警示】解答此题常见错误主要有：一是对宇宙速度理解掌握不到位，导致错选A ；二是对探测器变轨时速度加速度等相关物理量理解掌握不到位，导致错选C 或D 。

5．(2019·河北唐山联考)(多选)荷兰某研究所推出了2023年让志愿者登陆火星、建立人类聚居地的计划．登陆火星需经历如图所示的变轨过程，已知引力常量为G ，则下列说法正确的是( )

A ．飞船在轨道上运动时，运行的周期T Ⅲ>T Ⅱ>T Ⅰ

B ．飞船在轨道Ⅰ上的机械能大于在轨道Ⅱ上的机械能

C ．飞船在P 点从轨道Ⅱ变轨到轨道Ⅰ，需要在P 点朝速度方向喷气

D ．若轨道Ⅰ贴近火星表面，已知飞船在轨道Ⅰ上运动的角速度，可以推知火星的密度

【参考答案】ACD

【名师解析】[根据开普勒第三定律可知，飞船在轨道上运动时，运行的周期T Ⅲ>T Ⅱ>T Ⅰ，选项A 正确；飞船在P 点从轨道Ⅱ变轨到轨道Ⅰ，需要在P 点朝速度方向喷气，从而使飞船减速到达轨道Ⅰ，则飞船在

轨道Ⅰ上的机械能小于在轨道Ⅱ上的机械能，选项B 错误，C 正确；根据G Mm R 2＝mω2R 以及M ＝43

πR 3ρ，解得ρ＝3ω2

4πG

，已知飞船在轨道Ⅰ上运动的角速度，可以推知火星的密度，选项D 正确． 6.(2017·全国卷Ⅲ，14)2017年4月，我国成功发射的天舟一号货运飞船与天宫二号空间实验室完成了首次交会对接，对接形成的组合体仍沿天宫二号原来的轨道(可视为圆轨道)运行。与天宫二号单独运行时相比，组合体运行的( )

A.周期变大

B.速率变大

C.动能变大

D.向心加速度变大

【参考答案】C