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试卷云
专题10 宇宙速度与航天
考点 | 三年考情（2022-2024） | 命题趋势 |
考点1 宇宙速度和卫星的运动 （5年5考） | 2024年高考江西卷：两个质量相同的卫星绕月球做匀速圆周运动。 2024年1月选考浙江卷：2023年12月9日“朱雀二号”运载火箭顺利将“鸿鹄卫星”发射。 2024年高考甘肃卷：天宫空间站测量重力加速度实验。 2023年高考江苏卷：发射能在月球绕地球运动的轨道上稳定运行的卫星。 2023年全国高考新课程卷：货运飞船天舟六号，顺利对接中国空间站。 2022年山东物理卷：“羲和号”卫星绕地球匀速圆周运动。 | 1. 宇宙速度和航天中高考考查的知识点主要有：宇宙速度，卫星的运动，卫星的发射、变轨和返回；天宫空间站；月球探测、火星探测。2. 宇宙速度的考查主要是对宇宙速度的理解，第一宇宙速度是发射绕地球运动的最小发射速度；7.9km/s是绕地球做匀速圆周运动的最大环绕速度。 3. 卫星绕地球匀速圆周运动，万有引力提供向心力，其轨道的圆心是地球球心。 4. 空间站、月球探测、火星探测涉及的知识点多，综合性强，是高考热点。 |
考点2 航天和宇宙探测 （5年5考） | 2024年高考湖南卷：2024年5月3日“嫦娥六号”探测器顺利进入地月转移轨道； 2022年1月浙江选考卷：“天问一号”从地球发射后变轨。 2023年高考北京卷：我国综合性太阳探测卫星“夸父一号”成功发射，实现了对太阳探测的跨越式突破．“夸父一号”卫星绕地球做匀速圆周运动。 2022年6月浙江选考：神州十三号飞船采用“快速返回技术”。
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考点01 宇宙速度和卫星的运动
1. （2024年高考江西卷）两个质量相同的卫星绕月球做匀速圆周运动，半径分别为
、
，则动能和周期的比值为（ ）
A. 
B. 
C. 
D. 
【参考答案】A
【名师解析】
两个质量相同的卫星绕月球做匀速圆周运动，则月球对卫星的万有引力提供向心力，设月球的质量为M，卫星的质量为m，则半径为r1的卫星有
半径为r2的卫星有
再根据动能
，可得两卫星动能和周期
比值分别为
，
故选A。
2. （2024年1月选考浙江卷）如图所示，2023年12月9日“朱雀二号”运载火箭顺利将“鸿鹄卫星”等三颗卫星送入距离地面约
的轨道。取地球质量
，地球半径
，引力常量
。下列说法正确的是（ ）
A. 火箭的推力是空气施加的
B. 卫星的向心加速度大小约
C. 卫星运行的周期约
D. 发射升空初始阶段，装在火箭上部的卫星处于失重状态
【参考答案】B
【名师解析】
根据反冲现象的原理可知，火箭向后喷射燃气的同时，燃气会给火箭施加反作用力，即推力，故A错误；
根据万有引力定律可知卫星的向心加速度大小为
故B正确；
卫星运行的周期为
故C错误；
发射升空初始阶段，火箭加速度方向向上，装在火箭上部的卫星处于超重状态，故D错误。
3. （2024年高考甘肃卷）小杰想在离地表一定高度的天宫实验室内，通过测量以下物理量得到天宫实验室轨道处的重力加速度，可行的是
A. 用弹簧秤测出已知质量的砝码所受的重力
B. 测量单摆摆线长度，摆球半径以及摆动周期
C. 处高处释放一个重物，测量其下落高度和时间
D. 测量天宫实验室绕地球做匀速圆周运动的周期和轨道半径
【参考答案】D
【名师解析】天宫实验室绕地球做匀速圆周运动，处于完全失重状态，与重力相关的实验ABC都不行。测量天宫实验室绕地球做匀速圆周运动的周期和轨道半径，由
，
联立解得g=
，D正确。
4. （2023年高考江苏学业水平选择性考试）设想将来发射一颗人造卫星，能在月球绕地球运动的轨道上稳定运行，该轨道可视为圆轨道．该卫星与月球相比，一定相等的是（ ）
A. 质量 B. 向心力大小
C. 向心加速度大小 D. 受到地球的万有引力大小
【参考答案】C
【名师解析】
根据 
，可得 
因该卫星与月球的轨道半径相同，可知向心加速度相同；因该卫星的质量与月球质量不同，则向心力大小以及受地球的万有引力大小均不相同。C正确。
5. （2023高考海南卷）如图所示，1、2轨道分别是天宫二号飞船在变轨前后的轨道，下列说法正确的是（ ）
A. 飞船从1轨道变到2轨道要点火加速
B. 飞船在1轨道周期大于2轨道周期
C. 飞船在1轨道速度大于2轨道
D. 飞船在1轨道加速度大于2轨道
【参考答案】ACD
【名师解析】
飞船从较低的轨道1进入较高的轨道2要进行加速做离心运动才能完成，选项A正确；
根据 
可得 
，
，
可知飞船在轨道1的周期小于在轨道2的周期，在轨道1的速度大于在轨道2的速度，在轨道1的加速度大于在轨道2的加速度，故选项B错误，CD正确。
6．（2023全国高考新课程卷）2023年5月，世界现役运输能力最大的货运飞船天舟六号，携带约5800kg的物资进入距离地面约400km（小于地球同步卫星与地面的距离）的轨道，顺利对接中国空间站后近似做匀速圆周运动。对接后，这批物资（ ）
A．质量比静止在地面上时小
B．所受合力比静止在地面上时小
C．所受地球引力比静止在地面上时大
D．做圆周运动的角速度大小比地球自转角速度大
【参考答案】D
【名师解析】根据质量的物理意义可知，质量不变，A错误；根据万有引力定律，可知在距离地面400km的轨道上所受合力提供向心力，而静止在地面上所受合力几乎为零，B错误；根据万有引力定律，可知在距离地面400km的轨道上所受地球引力小于静止在地面时所受万有引力，C错误；在距离地面400km的轨道上做匀速圆周运动的周期小于地球自转周期，根据周期与角速度成反比可知，在距离地面400km的轨道上做匀速圆周运动的角速度大于地球自转角速度，D正确。
7. （2022天津学业水平选择性考试）2022年3月，中国空间站“天宫课堂”再次开讲，授课期间利用了我国的中继卫是系统进行信号传输，天地通信始终高效稳定。已知空间站在距离地面400公里左右的轨道上运行，其运动视为匀速圆周运动，中继卫星系统中某卫星是距离地面36000公里左右的地球静止轨道卫星（同步卫星），则该卫星（ ）
A. 授课期间经过天津正上空
B. 加速度大于空间站的加速度
C. 运行周期大于空间站的运行周期
D. 运行速度大于地球的第一宇宙速度
【参考答案】C
【命题意图】本题考查万有引力与航天、牛顿运动定律、宇宙速度及其相关知识点。
【名师解析】
该卫星在地球静止轨道卫星（同步卫星）上，处于赤道平面上，不可能经过天津正上空，A错误；
BCD．卫星正常运行，由万有引力提供向心力
得
，
，
由于该卫星轨道半径大于空间站半径，故加速度小于空间站的加速度；运行周期大于空间站的运行周期；第一宇宙速度是近地卫星的运行速度，则该卫星的运行速度小于地球的第一宇宙速度。BD错误，C正确。
8. （2022新高考福建卷）2021年美国“星链”卫星曾近距离接近我国运行在距地
近圆轨道上的天宫空间站。为避免发生危险，天宫空间站实施了发动机点火变轨的紧急避碰措施。已知质量为m的物体从距地心r处运动到无穷远处克服地球引力所做的功为
，式中M为地球质量，G为引力常量；现将空间站的质量记为
，变轨前后稳定运行的轨道半径分别记为
、
，如图所示。空间站紧急避碰过程发动机做的功至少为（ ）
A. 
B. 
C. 
D. 
【参考答案】A
【命题意图】此题考查动能定理、万有引力、牛顿运动定律、引力做功及其相关知识点。
【名师解析】
空间站紧急避碰的过程可简化为加速、变轨、再加速的三个阶段；空间站从轨道
变轨到
过程，根据动能定理有W+
依题意可得引力做功
万有引力提供在圆形轨道上做匀速圆周运动的向心力，由牛顿第二定律有
求得空间站在轨道上运动的动能为
动能的变化
，解得
，选项A正确。
9. （2022年山东物理卷）“羲和号”是我国首颗太阳探测科学技术试验卫星。如图所示，该卫星围绕地球的运动视为匀速圆周运动，轨道平面与赤道平面接近垂直。卫星每天在相同时刻，沿相同方向经过地球表面A点正上方，恰好绕地球运行n圈。已知地球半径为地轴R，自转周期为T，地球表面重力加速度为g，则“羲和号”卫星轨道距地面高度为（ ）
A. 
B. 
C. 
D. 
【参考答案】C
【命题意图】本题考查万有引力定律、牛顿运动定律、圆周运动及其相关知识点。
【名师解析】
地球表面的重力加速度为g，根据牛顿第二定律得
解得
根据题意可知，卫星的运行周期为
根据牛顿第二定律，万有引力提供卫星运动的向心力，则有
联立解得
，选项C正确。
10．. （2022·全国理综乙卷·14）2022年3月，中国航天员翟志刚、王亚平、叶光富在离地球表面约
的“天宫二号”空间站上通过天地连线，为同学们上了一堂精彩的科学课。通过直播画面可以看到，在近地圆轨道上飞行的“天宫二号”中，航天员可以自由地漂浮，这表明他们（ ）
A. 所受地球引力的大小近似为零
B. 所受地球引力与飞船对其作用力两者的合力近似为零
C. 所受地球引力的大小与其随飞船运动所需向心力的大小近似相等
D. 在地球表面上所受引力的大小小于其随飞船运动所需向心力的大小
【参考答案】C
【名师解析】航天员在空间站中所受万有引力完全提供做圆周运动的向心力，飞船对其作用力等于零，故C正确，AB错误；根据万有引力公式
可知在地球表面上所受引力的大小大于在飞船所受的万有引力大小，因此地球表面引力大于其随飞船运动所需向心力的大小，故D错误。
考点02 航天和宇宙探测
1. （2024年高考湖南卷）2024年5月3日，“嫦娥六号”探测器顺利进入地月转移轨道，正式开启月球之旅。相较于“嫦娥四号”和“嫦娥五号”，本次的主要任务是登陆月球背面进行月壤采集并通过升空器将月壤转移至绕月运行的返回舱，返回舱再通过返回轨道返回地球。设返回舱绕月运行的轨道为圆轨道，半径近似为月球半径。己知月球表面重力加速度约为地球表面的
，月球半径约为地球半径的
。关于返回舱在该绕月轨道上的运动，下列说法正确的是（ ）
A. 其相对于月球的速度大于地球第一宇宙速度
B. 其相对于月球的速度小于地球第一宇宙速度
C. 其绕月飞行周期约为地球上近地圆轨道卫星周期的
倍
D. 其绕月飞行周期约为地球上近地圆轨道卫星周期的
倍
【参考答案】BD
【名师解析】
返回舱在该绕月轨道上运动时万有引力提供向心力，且返回舱绕月运行的轨道为圆轨道，半径近似为月球半径，则有
其中在月球表面万有引力和重力的关系有
联立解得
由于第一宇宙速度为近地卫星的环绕速度，同理可得
代入题中数据可得
故A错误、B正确；
根据线速度和周期的关系有
根据以上分析可得
故C错误、D正确；
2. （2022年1月浙江选考）“天问一号”从地球发射后，在如图甲所示的P点沿地火转移轨道到Q点，再依次进入如图乙所示的调相轨道和停泊轨道，则天问一号（ ）
A. 发射速度介于7.9km/s与11.2km/s之间
B. 从P点转移到Q点的时间小于6个月
C. 在环绕火星的停泊轨道运行的周期比在调相轨道上小
D. 在地火转移轨道运动时的速度均大于地球绕太阳的速度
【参考答案】C
【名师解析】因发射的卫星要能变轨到绕太阳转动，则发射速度要大于第二宇宙速度，即发射速度介于11.2km/s与16.7km/s之间，故A错误；因P点转移到Q点的转移轨道的半长轴大于地球公转轨道半径，则其周期大于地球公转周期（1年共12个月），则从P点转移到Q点的时间为轨道周期的一半时间应大于6个月，故B错误；因在环绕火星的停泊轨道的半长轴小于调相轨道的半长轴，则由开普勒第三定律可知在环绕火星的停泊轨道运行的周期比在调相轨道上小，故C正确；卫星从P点变轨时，要加速增大速度，此后做离心运动速度减小，则在地火转移轨道运动时的速度P点速度大于地球绕太阳的速度，故D错误；
故选C。
3．（2022年6月浙江选考）神州十三号飞船采用“快速返回技术”，在近地轨道上，返回舱脱离天和核心舱，在圆轨道环绕并择机返回地面。则
A．天和核心舱所处的圆轨道距地面高度越高，环绕速度越大
B．返回舱中的宇航员处于失重状态，不受地球的引力
C．质量不同的返回舱与天和核心舱可以在同一轨道运行
D．返回舱穿越大气层返回地面过程中，机械能守恒
【参考答案】C
【命题意图】本题考查万有引力定律、失重状态、卫星轨道、功能关系。
【解题思路】由G
=m
，可得v=
，可知天和核心舱所处的圆轨道距地面高度h越高，环绕速度越小，A错误；返回舱中的宇航员处于失重状态，仍受地球的引力，B错误；质量不同的返回舱与天和核心舱可以在同一轨道运行，C正确；返回舱穿越大气层返回地面过程中，需要克服空气阻力做功，机械能减小，D错误。
4．（2023年高考北京卷）2022年10月9日，我国综合性太阳探测卫星“夸父一号”成功发射，实现了对太阳探测的跨越式突破．“夸父一号”卫星绕地球做匀速圆周运动，距地面高度约为
，运行一圈所用时间约为100分钟．如图所示，为了随时跟踪和观测太阳的活动，“夸父一号”在随地球绕太阳公转的过程中，需要其轨道平面始终与太阳保持固定的取向，使太阳光能照射到“夸父一号”，下列说法正确的是（ ）
A．“夸父一号”的运行轨道平面平均每天转动的角度约为
B．“夸父一号”绕地球做圆周运动的速度大于
C．“夸父一号”绕地球做圆周运动的向心加速度大于地球表面的重力加速度
D．由题干信息，根据开普勒第三定律，可求出日地间平均距离
【参考答案】A
【名师解析】根据题述，需要“夸父一号”在随地球绕太阳公转的过程中，轨道平面始终与太阳保持固定的取向，1年365天，圆周角为360°，所以，“夸父一号”的运行轨道平面每天转动的角度约为1°，A正确；由于任何卫星绕地球做圆周运动的速度小于7.9km/s ，向心加速度都小于重力加速度g，所以“夸父一号”绕地球做圆周运动的速度小于7.9km/s，向心加速度小于重力加速度g，BC错误；不能根据题干信息求出日地之间的平均距离，D错误。
