高考物理一轮复习 考点20 卫星变轨问题 多星模型（核心考点精讲精练）-备战2024年高考物理一轮复习（新高考专用）（原卷版）

考点20卫星变轨多星模型1.3年真题考点分布题型选择题高考考点航天器的变轨问题；宇宙中的双星模型和多星模型新高考2023新课标卷4题、2022福建卷4题、浙江卷8题、2021天津卷5题、湖南卷7题、北京卷6题、2.命题规律及备考策略【命题规律】近3年新高考卷对于运动的描述考查共计6次，主要考查：1.航天器、卫星的变轨问题；2.宇宙中的双星模型和多星模型；【备考策略】能熟练掌握万有引力定律，掌握卫星变轨过程中各种运动参量的变化；熟记双星模型，掌握双星模型的特点；掌握并理解三星或多星模型做圆周运动的向心力来源并求各种的运动参量。【命题预测】本节内容单独出现在各省高考试卷中的概念不是很大，一般会与上一考点卫星相关的知识结合在一起考察，2024年的考生不能轻视本节内容，在平时练题的时，多选择以我国航空航天技术的发展成果为背景相关的题型训练。双星模型规律性较强，高考灵活多变，出现在高考题中光的概率不大，多星模型难度偏大，如果出现在考卷中，一般会以压轴题的形式出现，2024年的考试想获得高分，不能忽视多星模型的训练。

考法1航天器的变轨问题卫星轨道的突变由于技术上的需要，有时要在适当的位置短时间内启动飞行器上的发动机，使飞行器运行轨道发生突变，使其进人预定的轨道。如图所示，发射同步卫星时，可以分多过程完成：（1）先将卫星发送到近地轨道I，使其绕地球做速圆周运动，速率为v1；（2）变轨时在P点点火加速，短时间内将速率由v1增加到v2，使卫星进入椭圆形的转移轨道II；（3）在Q点再次点火加速进入圆形轨道III，最后以速率v4绕地球做匀速圆周运动。2.卫星变轨的实质两类变轨离心运动向心运动变轨原因卫星速度突然增大卫星速度突然变小F万与Fn的关系（万有引力不足提供所需要的向心力）（万有引力大于提供所需要的向心力）变轨结果转变为椭圆轨道运动或在较大半径圆轨道上运动转变为椭圆轨道运动或在较小半径圆轨道上运动在新圆轨道上稳定运动的速率比原轨道的小，周期比原轨道的大在新圆轨道上稳定运动的速率比原轨道的大，周期比原轨道的小3.对接问题在对接问题中，同一轨道上的飞行器，欲使后面的飞行器追上前面的飞行器，需将后面的飞行器减速，使其变轨到更低的轨道上从而获得更大的速度，然后再在适当的位置加速回归到原来的轨道上。【典例1】（2023·湖南长沙·长郡中学校考模拟预测）2023年2月24日下午，“逐梦寰宇问苍穹——中国载人航天工程三十年成就展”开幕式在中国国家博物馆西大厅举行，本次展览为期3个月，全面系统回顾工程全线三十年来自信自强、奋斗圆梦的辉煌历程．载人航天进行宇宙探索过程中，经常要对航天器进行变轨．某次发射Z卫星时，先将Z卫星发射至近地圆轨道Ⅰ，Z卫星到达轨道Ⅰ的A点时实施变轨进入椭圆轨道Ⅱ，到达轨道Ⅱ的远地点B时，再次实施变轨进入轨道半径为（R为地球半径）的圆形轨道Ⅲ绕地球做圆周运动．下列判断正确的是（  ）

A．Z卫星可能是一颗地球同步卫星B．Z卫星在轨道Ⅱ上运动的周期大于在轨道Ⅲ上运动的周期C．Z卫星在轨道Ⅲ上经过B点时的速度大于在轨道Ⅱ上经过B点时的速度D．Z卫星在圆形轨道Ⅲ上运行时的加速度小于它在圆轨道Ⅰ上运行时的加速度航天器变轨问题的三点注意事项航天器变轨问题的三点注意事项（1）航天器变轨时半径的变化，根据万有引力和所需向心力的大小关系判断；稳定在新圆周轨道上的运行速度变化由判断.（2）航天要在不同轨道上运行时机械能不同，轨道半径越大，机械能越大；（3）航天器经过不同轨道的相交点时，加速度相等，外轨道的速度大于内轨道的速度.·1．（2023·安徽亳州·蒙城第一中学校考三模）如图所示，“天问一号”探测器成功进入环绕火星椭圆轨道，在椭圆轨道的近火点P（接近火星表面）制动后顺利进入近火圆轨道，Q点为近火轨道上的另一点，M点是椭圆轨道的远火点，椭圆轨道的半长轴等于圆形轨道的直径，下列说法正确的是（）

A．探测器在M点的速度大于在Q点的速度B．探测器在Q点与椭圆轨道上的P点的加速度相同C．探测器在椭圆轨道与圆轨道上的周期之比为8：1D．探测器在椭圆轨道上P点与M点的速度之比为3：12．（2023·广东·广州市第二中学校联考三模）天问一号火星探测器搭乘长征五号遥四运载火箭成功发射意味着中国航天开启了走向深空的新旅程。由着陆巡视器和环绕器组成的天问一号经过如图所示的发射、地火转移、火星捕获、火星停泊和离轨着陆等阶段，其中的着陆巡视器于2021年5月15日着陆火星，则（

）

A．天问一号发射速度大于第一宇宙速度，小于第二宇宙速度B．天问一号在“火星捕获段”运行的周期小于它在“火星停泊段”运行的周期C．天问一号从图示“火星捕获段”需在合适位置减速才能运动到“火星停泊段”D．着陆巡视器从图示“离轨着陆段”至着陆到火星表面的全过程中，机械能守恒3．（2023·安徽合肥·合肥市第八中学校考模拟预测）2023年1月21日，神舟十五号3名航天员在400km高的空间站向祖国人民送上新春祝福，空间站的运行轨道可近似看作圆形轨道Ⅰ，设地球表面重力加速度为g，地球半径为R，椭圆轨道Ⅱ为载人飞船运行轨道，两轨道相切与A点，下列说法正确的是（）

A．在轨道I通过A点的速度大于在轨道Ⅱ通过B点的速度B．载人飞船在A点的加速度大于在B点的加速度C．空间站在轨道I上的速度小于D．载人飞船沿轨道I和轨道Ⅱ运行时，在相同时间内与地球连线扫过的面积相等考法2宇宙中的双星和多星模型1．双星模型（1）定义：绕公共圆心转动的两个星体组成的系统，我们称之为双星系统，如图所示．（2）特点：①各自所需的向心力由彼此间的万有引力相互提供，即eq\f(Gm1m2,L2)＝m1ω12r1，eq\f(Gm1m2,L2)＝m2ω22r2②两颗星的周期及角速度都相同，即T1＝T2，ω1＝ω2③两颗星的半径与它们之间的距离关系为：r1＋r2＝L（3）两颗星到圆心的距离r1、r2与星体质量成反比，即eq\f(m1,m2)＝eq\f(r2,r1).2．多星模型（1）定义：所研究星体的万有引力的合力提供做圆周运动的向心力，除中央星体外，各星体的角速度或周期相同．（2）三星模型：①三颗星位于同一直线上，两颗环绕星围绕中央星在同一半径为R的圆形轨道上运行(如图甲所示)．②三颗质量均为m的星体位于等边三角形的三个顶点上(如图乙所示)．（3）四星模型：①其中一种是四颗质量相等的恒星位于正方形的四个顶点上，沿着外接于正方形的圆形轨道做匀速圆周运动(如图丙所示)．②另一种是三颗恒星始终位于正三角形的三个顶点上，另一颗位于中心O，外围三颗星绕O做匀速圆周运动(如图丁所示)．【典例2】（2023·福建福州·福建师大附中校考模拟预测）宇宙中的两个距离较近的天体组成双星系统，两天体可看作在同一平面内绕其连线上某一点做匀速圆周运动，由于某些原因两天体间的距离会发生变化，持续对这两个天体进行观测，每隔固定时间记录一次，得到两天体转动周期随观测次数的图像如图所示。若两天体的总质量保持不变，且每次观测的双星系统稳定转动，则第3次观测时两天体间的距离变为第1次观测时距离的（）

A． B． C． D．【典例3】（多选）（2023·河南郑州·统考模拟预测）宇宙中存在一个由四颗星组成的系统，三颗质量均为m的星球a、b、c恰好构成一个边长为L的正三角形，在它们的中心O处还有一颗质量也为m的星球，如图所示。已知引力常量为G，每个星球的半径均远小于L。对于此系统，则下列说法正确的是（）

A．中心O处的星球受到a、b、c三颗星球总的万有引力为零B．a、b、c三颗星球的线速度大小均为C．a、b、c三颗星球的加速度大小均为D．若某时刻中心O处星球消失，则a、b、c三颗星球仍将按原轨道运动且运动周期不变1．（2023·安徽·模拟预测）天文学家发现了一对被称为“灾难变星”的罕见双星系统，约每51分钟彼此绕行一圈，通过天文观测的数据，模拟该双星系统的运动，推测在接下来的7000万年里，这对双星彼此绕行的周期逐渐减小至18分钟。如果将该双星系统简化为理想的圆周运动模型，如图所示，两星球在万有引力作用下，绕O点做匀速圆周运动。不考虑其他天体的影响，两颗星球的质量不变，在彼此绕行的周期逐渐减小的过程中，下列说法中正确的是（）

A．每颗星球的角速度都在逐渐变小B．两颗星球的距离在逐渐的变大C．两颗星球的轨道半径之比保持不变D．每颗星球的加速度都在变小4．（2023·重庆·模拟预测）中国天眼FAST已发现约500颗脉冲星，成为世界上发现脉冲星效率最高的设备，如在球状星团M92第一次探测到“红背蜘蛛”脉冲双星。如图是相距为L的A、B星球构成的双星系统绕O点做匀速圆周运动情景，其运动周期为T。C为B的卫星，绕B做匀速圆周运动的轨道半径为R，周期也为T，忽略A与C之间的引力，且A与B之间的引力远大于C与B之间的引力。引力常量为G，则（）A．A、B的轨道半径之比为 B．C的质量为C．B的质量为 D．A的质量为5．（多选）（2023·重庆万州·重庆市万州第二高级中学校联考模拟预测）如图所示是宇宙中存在的某三星系统，忽略其他星体的万有引力，三个星体A、B、C在边长为d的等边三角形的三个顶点上绕同一圆心O做匀速圆周运动。已知A、B、C的质量分别为2m、3m、3m，引力常量为G，则下列说法正确的是（

）A．三个星体组成的系统动量守恒B．A的周期小于B、C的周期C．A所受万有引力的大小为D．若B的角速度为，则A与圆心O的距离为【基础过关】2.（2023·浙江温州·乐清市知临中学校考模拟预测）我国成功发射“神舟七号”载人飞船，随后航天员圆满完成了太空出舱任务并释放了“伴飞”小卫星。载人飞船在固定的轨道上做匀速圆周运动，“伴飞”小卫星与载人飞船相对静止，“伴飞”小卫星有多种伴飞模式，图1和图2是其中的两种伴飞模式，则下列说法正确的是（）

A．载人飞船的速度大小介于7.9km/s到11.2km/s之间B．图1的伴飞模式下，“伴飞”小卫星的线速度大于载人飞船的线速度C．图2模式下“伴飞”小卫星只需向后喷出气体，加速后，就可以和载人飞船对接D．图1和图2这两种伴飞模式下“伴飞”小卫星的角速度大小是相等的2．（2023·湖北武汉·湖北省武昌实验中学校考模拟预测）登陆火星需经历如图所示的变轨过程，已知引力常量为G，则下列说法错误的是（）

A．飞船在轨道上运动时，运行的周期B．飞船在轨道在Ⅱ上，在飞船里可用弹簧测力计可以测出物体的重力的大小C．飞船在P点从轨道Ⅱ变轨到轨道Ⅰ，需要在P点朝前喷气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3．（2023·天津宁河·天津市宁河区芦台第一中学校考模拟预测）某载人宇宙飞绕地球做圆周运动的周期为T，由于地球遮挡，宇航员发现有时间会经历“日全食”过程，如图所示，已知地球的半径为R，引力常量为G，地球自转周期为，太阳光可看作平行光，则下列说法正确的是（）

A．宇宙飞船离地球表面的高度为2RB．一天内飞船经历“日全食”的次数为C．宇航员不受地球引力的作用，呈现漂浮状态D．地球的平均密度为4．（2023·河北·模拟预测）长篇科幻小说《三体》中设想构建太空电梯，与生活中的普通电梯十分相似。只需要在地球同步轨道上建造一个空间站，并用某种足够长且足够结实的“绳索”将其与地面相连，宇航员、乘客以及货物可以通过像电梯轿厢一样的升降舱沿绳索直入太空。如图乙所示，假设有一长度为r的太空电梯连接地球赤道上的固定基地与同步空间站相对地球静止，卫星b与同步空间站a的运行方向相同，其轨道半径比同步轨道半径大。某时刻二者距离最近，再经过时间t之后，a、b再次相距最近。已知地球自转周期为T，下列说法正确的是（）

A．太空电梯上各点的加速度随高度增大而减小B．太空电梯上各点线速度与高度正比C．卫星b的运动周期为D．卫星b受到的向心力比同步空间站a的向心力小5．（2023·陕西西安·西安中学校考模拟预测）2020年12月1日，嫦娥五号探测器成功在月球正面预选着陆区着陆。某中学的科技小组设想嫦娥五号的登月轨道方案如图所示，环月轨道I为圆形轨道，环月轨道II为椭圆轨道，远月点记为P点，近月点记为Q点（图中未标出）。减速下降阶段速度很小能安全着陆。下列说法正确的是（）A．嫦娥五号在环月轨道I上的运动速度比月球的第一宇宙速度大B．嫦娥五号在环月轨道I上的机械能小于在环月轨道II上的机械能C．嫦娥五号在轨道I和轨道II上经过P点时的加速度相等D．嫦娥五号在环月轨道I上的运行周期比在环月轨道II上的运行周期短6．（2023·山东聊城·统考三模）如图所示，双星系统由质量不相等的两颗恒星组成，质量分别是M、m，它们围绕共同的圆心O做匀速圆周运动。从地球A看过去，双星运动的平面与AO垂直，A、O间距离恒为L。观测发现质量较大的恒星M做圆周运动的周期为T，运动范围的最大张角为（单位是弧度）。已知引力常量为G，很小，可认为，忽略其他星体对双星系统的作用力。则（）

A．恒星m的角速度大小为B．恒星m的轨道半径大小为C．恒星m的线速度大小为D．两颗恒星的质量m和M满足关系式7．（2023·辽宁大连·育明高中校考一模）如图甲所示，河外星系中两黑洞A、B的质量分别为和，它们以连线上的某一点为圆心做匀速圆周运动。为研究方便简化为如图所示的示意图，黑洞A和黑洞B均可看成球体，，且黑洞A的半径大于黑洞B的半径，下列说法正确的是（）A．黑洞A的向心力大于黑洞B的向心力B．若两黑洞间的距离一定，把黑洞A上的物质移到黑洞B上，它们运行的角速度变大C．若两黑洞间的距离一定，把黑洞A上的物质移到黑洞B上，A运行的线速度变大D．人类把宇航器发射到距黑洞A较近的区域进行探索，发射速度不大于第三宇宙速度8．（2023·江苏·模拟预测）宇宙中存在一些离其他恒星较远的三星系统，通常可忽略其他星体对它们的引力作用，三星质量也相同。现已观测到稳定的三星系统存在两种基本的构成形式：一种是三颗星位于同一直线上，两颗星围绕中央星做圆周运动，如图甲所示；另一种是三颗星位于等边三角形的三个顶点上，并沿外接于等边三角形的圆形轨道运行，如图乙所示。设两种系统中三个星体的质量均为m，且两种系统中各星间的距离已在图中标出，引力常量为G，则下列说法中正确的是（）A．直线形三星系统中星体做圆周运动的线速度大小为B．直线形三星系统中星体做圆周运动的周期为C．三角形三星系统中每颗星做圆周运动的角速度为D．三角形三星系统中每颗星做圆周运动的加速度大小为9．（多选）（2023·贵州毕节·统考三模）地球公转轨道的半径在天文学上常用来作为长度单位，叫作天文单位，用来量度太阳系内天体与太阳的距离。在天文学中，天文单位有严格的定义，用符号AU表示，即地球到太阳的距离为1AU。科学家对银河系中心附近的恒星S2进行了多年的持续观测，绘出1994年到2002年间S2的位置如图所示。科学家认为S2的运动轨迹是半长轴约为1000AU的椭圆，其轨道可近似为圆轨道，在银河系中心可能存在质量很大的黑洞。地球绕太阳公转周期为1年，根据题中给出的数据，可以估算的是（）

A．S2的周期 B．太阳的质量C．太阳与黑洞的质量比 D．黑洞的质量10．（多选）（2023·福建厦门·统考二模）我国天文学家通过“天眼”在武仙座球状星团中发现一个由白矮星P、脉冲星Q组成的双星系统．如图所示，P、Q绕两者连线上的O点做匀速圆周运动，忽略其他天体对P、Q的影响．已知P的轨道半径大于Q的轨道半径，P、Q的总质量为M，距离为L，运动周期均为T，则（

）．A．P的质量小于Q的质量 B．P的线速度小于Q的线速度C．P受到的引力小于Q受到的引力 D．若总质量M恒定，则L越大，T越大【能力提升】1．（2023·贵州黔东南·校考模拟预测）2022年10月9日，我国综合性太阳探测卫星“夸父一号”先进天基太阳天文台发射升空，以“一磁两暴”为科学目标开启了对太阳的探索之旅。“夸父一号”运行轨道距地面的高度为720公里，周期为99分钟，轨道为太阳同步晨昏轨道，下列说法正确的是（）A．“夸父一号”的加速度比地球同步卫星的加速度大B．“夸父一号”运动的角速度小于地球同步卫星运行的角速度C．“夸父一号”的线速度比地球同步卫星的线速度小D．由以上信息和万有引力常量G可估算出“夸父一号”的质量2．（2023·北京平谷·统考一模）发射地球同步卫星，可简化为如下过程：先将卫星发射到近地圆轨道1，然后点火，使其沿椭圆轨道2运行，最后再次点火，将卫星送入同步圆轨道3。轨道1、2相切于P点，轨道2、3相切于Q点，如图所示。则当卫星分别在1、2、3轨道上正常运行时，下列说法正确的是（

）A．地球同步卫星可以定点在北京上空B．卫星在轨道3上的速率大于在轨道1上的速率C．卫星在轨道2上从P点向Q点运动的过程中机械能逐渐增大D．卫星在轨道1上经过P点时的速率小于它在轨道2上经过P点时的速率3．（2023·江苏·模拟预测）石墨烯是一种超轻超高强度的新型材料。有人设想：用石墨烯制作超级缆绳连接地球赤道上的固定基地与地球静止同步空间站（周期与地球自转周期相同），利用超级缆绳承载太空电梯从地球基地向空间站运送物资。已知地球半径为R，自转周期为T，地球北极表面重力加速度为。若该设想能实现，质量为m的太空电梯（可视为质点）停在距地球表面高度为R的位置时，超级缆绳对太空电梯的拉力大小为（）A．0 B．C． D．4．（2023·内蒙古通辽·校考模拟预测）如图所示，2022年7月15日，由清华大学天文系祝伟教授牵头的国际团队近日宣布在宇宙中发现两个罕见的恒星系统。该系统均是由两颗互相绕行的中央恒星组成，被气体和尘埃盘包围，且该盘与中央恒星的轨道成一定角度，呈现出“雾绕双星”的奇幻效果。若其中一个系统简化模型如图所示，质量不等的恒星A和B绕两者连线上某一定点O做匀速圆周运动，由天文观察测得其运动周期为T，A到O点的距离为r1，A和B的距离为r，已知引力常量为G，则A的质量为（）A． B． C． D．5．（2023·陕西西安·统考模拟预测）天玑星是北斗七星之一，在天玑星周围还有一颗伴星，它们组成双星系统，各自绕二者连线上的某一点O做匀速圆周运动，伴星距O点较远，如图所示。现已知天玑星的质量为M，二者之间连线的距离为L，运动周期均为T，万有引力常量为G。下列说法正确的是（）A．伴星的线速度小于天玑星的线速度B．伴星的质量大于天玑星的质量C．天玑星的运动半径为D．天玑星和伴星的总质量为6．（2023·北京东城·北京一七一中校考模拟预测）宇宙间存在一些离其他恒星较远的三星系统，其中有一种三星系统如图所示，三颗质量均为m的星体位于等边三角形的三个顶点，三角形边长为L，忽略其他星体对它们的引力作用，三星在同一平面内绕三角形中心O做匀速圆周运动，引力常量为G，下列说法正确的是（）A．每颗星做圆周运动的角速度为B．每颗星做圆周运动的加速度大小与三星的质量无关C．若距离L和每颗星的质量m都变为原来的2倍，则周期变为原来的2倍D．若距离L和每颗星的质量m都变为原来的2倍，则线速度变为原来的4倍7．（多选）（2023·山东济南·山东师范大学附中校考模拟预测）某载人飞船发射过程可以简化为如图所示，轨道1是椭圆轨道，变轨后到圆轨道2，A点和C点分别是轨道1的远日点和近日点，B点是轨道2上与A、C共线的点，A点距地心的距离为2r，C点距地心的距离为r，则（

）

A．飞船在轨道1上过C点的速度大于轨道2过A点的速度B．若轨道2的速度为v，则轨道1在A点的加速度为C．在轨道1上运行的周期与轨道2上运行周期的之比为D．在轨道1上由C点运动到A点的过程中，由于离地高度越来越大，所以机械能逐渐增大8．（多选）（2023·湖北·模拟预测）2016年2月11日，科学家宣布“激光干涉引力波天文台（LIGO）”探测到由两个黑洞合并产生的引力波信号，这是在爱因斯坦提出引力波概念100周年后，引力波被首次直接观测到。在两个黑洞合并过程中，由于彼此间的强大引力作用，会形成短时间的双星系统。如图所示，黑洞A、B可视为质点，它们围绕连线上O点做匀速圆周运动，且AO大于BO，不考虑其他天体的影响。下列说法正确的是（）

A．黑洞A的向心加速度等于B的向心加速度B．黑洞A的质量小于B的质量C．黑洞A、B合并过程中距离减小，相互绕转增大D．两黑洞之间的距离越大，A的周期越小9．（多选）（2023·重庆·统考模拟预测）近年科学研究发现，在宇宙中，三恒星系统约占所有恒星系统的十分之一，可见此系统是一个比较常见且稳定的系统。在三恒星系统中存在这样一种运动形式：忽略其他星体对它们的作用，三颗星体在相互之间的万有引力作用下，分别位于等边三角形的三个顶点上，绕某一共同的圆心在三角形所在平面内以相同角速度做匀速圆周运动。如图所示为、、三颗星体质量、、大小不同时，星体运动轨迹的一般情况。设三颗星体在任意时刻受到的万有引力的合力大小分别为、、，加速度大小分别为、、，星体轨迹半径分别为、、，下列说法正确的是（）A．图中星球对的万有引力大于星球对的万有引力B．