高中 | 研究天体运动规律 题目答案及解析

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必修2

第六章 万有引力与航天

6.4 万有引力理论的成就

研究天体运动规律

$2024$$9$$19$日,我国在西昌卫星发射中心计划发射第五十九颗、第六十颗北斗导航卫星,至此北斗系统中已有多颗各种轨道的卫星。若卫星①为放在地球赤道上相对于地面静止的还未发射的卫星,卫星②为墨子号量子通信卫星(近似为圆轨道,高度约为$500$千米),卫星③为地球同步圆轨卫星,卫星④为四川省西昌市卫星发射中心卫星发射架上的卫星。若卫星①②③④相对于地心的线速度分别为$v_{1}$$v_{2}$$v_{3}$$v_{4}$,运动的周期分别为$T_{1}$$T_{2}$$T_{3}$$T_{4}$,角速度分别为$\omega_{1}$$\omega_{2}$$\omega_{3}$$\omega_{4}$;动能为$E_{1}$$E_{2}$$E_{3}$$E_{4}$;则$(\qquad)$

["

$\\omega_{4} \\gt \\omega_{1} \\gt \\omega_{2} \\gt \\omega_{3}$

","

$T_{4}=T_{1}=T_{3} \\lt T_{2}$

","

$v_{2} \\gt v_{3} \\gt v_{1} \\gt v_{4}$

","

$E_{2} \\gt E_{3} \\gt E_{1} \\gt E_{4}$

"]
[["C"]]

$\rm ABC$.依题意,这四颗卫星的轨道半径关系为$r_{4} \lt r_{1} \lt r_{2} \lt r_{3}$

卫星①③④的角速度、周期与地球自转角速度、正确相同,即$\omega_{3}=\omega_{1}=\omega_{4}$$T_{3}=T_{1}=T_{4}$

$v=\dfrac{2\pi r}{T}$

可得$v_{3} \gt v_{1} \gt v_{4}$

卫星②③均为地球卫星,根据$\dfrac{GMm}{r^{2}}=m\dfrac{v^{2}}{r}=m\omega^{2}r=m\dfrac{4\pi^{2}}{T^{2}}r$

可得$v=\sqrt{\dfrac{GM}{r}}$$\omega=\sqrt{\dfrac{GM}{r^{3}}}$$T=\sqrt{\dfrac{4\pi^{2}r^{3}}{GM}}$

即轨道半径越大,角速度和线速度越小,周期越长,则有$\omega_{2} \gt \omega_{3}$$T_{3} \gt T_{2}$$v_{2} \gt v_{3}$

综上所述,可得$\omega_{2} \gt \omega_{3}=\omega_{1}=\omega_{4}$$T_{2} \lt T_{3}=T_{1}=T_{4}$$v_{2} \gt v_{3} \gt v_{1} \gt v_{4}$

$\rm AB$错误;$\rm C$正确;

$\rm D$.卫星动能$E_{\rm k}=\dfrac{1}{2}mv^{2}$

由于卫星质量未知,所以四颗卫星的动能关系不确定,故$\rm D$错误。

故选:$\rm C$

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