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

如图所示,$O$处为地心,卫星$1$环绕地球做匀速圆周运动,卫星$2$环绕地球运行的轨道为椭圆,两轨道不在同一平面内。已知圆轨道的直径等于椭圆轨道的长轴,且地球位于椭圆轨道的一个焦点上,引力常量为$G$,地球的质量为$M$,卫星$1$的轨道半径为$R$,卫星$1$的运转速度为$v_{0}$,关系为$OQ=1.5R$。下列说法正确的是$(\qquad)$

["

卫星$1$的运行周期大于卫星$2$的运行周期

","

如果卫星$1$的加速度为$a$,卫星$2$$P$点的加速度为$a_{p}$,则$a \\gt a_{p}$

","

卫星$2$$Q$点的速度$v_{Q}=\\sqrt{\\dfrac{2GM}{3R}}$

","

卫星$2$$P$$Q$点的速度大小关系为$v_{p} \\gt v_{0} \\gt v_{Q}$

"]
[["D"]]

$\rm A$.题意可知卫星$2$的轨道半长轴为$R$,根据开普勒第三定律$\dfrac{a^{3}}{T^{2}}=k$

由于卫星$1$的半径等于卫星$2$的半长轴,所以卫星$1$的运行周期等于卫星$2$的运行周期,故$\rm A$错误;

$\rm B$.设卫星质量为$m$,则有$G\dfrac{Mm}{r^{2}}=ma$

解得$a=G\dfrac{M}{r^{2}}$

由于$P$点距离中心天体较近,所以$a \lt a_{P}$

$\rm B$错误;

$\rm C$.若卫星$2$$OQ$为半径的轨道上做匀速圆周运动,万有引力提供向心力$G\dfrac{Mm}{(1.5R)^{2}}=m\dfrac{v^{2}}{1.5R}$

解得$v=\sqrt{\dfrac{2GM}{3R}}$

由于卫星在椭圆轨道的$Q$点要做近心运动,所以$v_{Q} \lt \sqrt{\dfrac{2GM}{3R}}$

$\rm C$错误;

$\rm D$.若卫星在$P$点做半径为$R$的圆周运动,根据$v=\sqrt{\dfrac{GM}{r}}$

易知卫星在$P$点做半径为$R$的圆周运动的速度$v_{1}$大于$v_{0}$$v_{1} \gt v_{0}$),由于卫星在圆轨道的$P$点要做离心运动,则有$v_{p} \gt v_{1} \gt v_{0}$

同理,若卫星在$Q$点做半径为$1.5R$的圆周运动,根据$v=\sqrt{\dfrac{GM}{r}}$

易知卫星在$Q$点做半径为$1.5R$的圆周运动的速度$v_{2}$小于$v_{0}$$v_{2} \lt v_{0}$),由于卫星在圆轨道的$Q$点要做近心运动,则有$v_{0} \gt v_{2} \gt v_{Q}$

综合以上可知$v_{p} \gt v_{0} \gt v_{Q}$

$\rm D$正确。

故选:$\rm D$

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