2023年高考物理知识点复习与真题 卫星变轨问题

卫星变轨问题

一、真题精选（高考必备）

1.（2022•浙江•高考真题）"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（）

天问τz⅜r

A.发射速度介于7.9km∕s与11.2km∕s之间

B.从尸点转移到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

2.（2021•天津•高考真题）2021年5月15日，天问一号探测器着陆火星取得成功，迈出了我国星际探测征程的重要

一步，在火属上首次留下国人的印迹。天问一号探测器成功发射后，顺利被火星捕获，成为我国第一颗人造火星卫

星。经过轨道调整，探测器先沿椭圆轨道回运行，之后进入称为火星停泊轨道的椭圆轨道回运行，如图所示，两轨道

相切于近火点P,则天问一号探测器（）

A.在轨道回上处于受力平衡状态在轨道Ia运行周期比在El时短

C.从轨道田进入田在P处要加速D.沿轨道回向P飞近时速度增大

3.（2021・北京•高考真题）2021年5月，"天问一号"探测器成功在火星软着陆，我国成为世界上第一个首次探测火

星就实现"绕、落、巡”三项任务的国家。“天问一号"在火星停泊轨道运行时，近火点距离火星表面2.8x102km、远

火点距离火星表面5.9x105km,贝∣J"天问一号"（）

A.在近火点的加速度比远火点的小B.在近火点的运行速度比远火点的小

C.在近火点的机械能比远火点的小D.在近火点通过减速可实现绕火星做圆周运动

4.（2019•江苏•高考真题）1970年成功发射的"东方红一号"是我国第一颗人造地球卫星，该卫星至今仍沿椭圆轨道

绕地球运动，如图所示，设卫星在近地点、远地点的速度分别为刃、V2,近地点到地心的距离为广，地球质量为M,

B∙V1>v2,vl>

GM

D.vl<v2,V1<

5.（2019•全国•高考真题）金星、地球和火星绕太阳的公转均可视为匀速圆周运动，它们的向心加速度大小分别为“

金、。次，它们沿轨道运行的速率分别为V金、V卧V火.已知它们的轨道半径R铲RmRg由此可以判定

A.aQa哈a火B.a4>a*a金

c.V⅛>UQV金D.V次>v⅛>v金

6.（2011•全国•高考真题）我国"嫦娥一号"探月卫星发射后，先在“24小时轨道"上绕地球运行（即绕地球一圈需要

24小时）；然后，经过两次变轨依次到达"48小时轨道"和"72小时轨道”；最后奔向月球。如果按圆形轨道计算，并

忽略卫星质量的变化，则在每次变轨完成后与变轨前相比（）

A.卫星动能增大，引力势能减小B.卫星动能增大，引力势能增大

C.卫星动能减小，引力势能减小D.卫星动能减小，引力势能增大

7.（2012•天津•高考真题）一人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动，假如该卫星变轨后仍做匀速圆周运动，动能减

小为原来的：，不考虑卫星质量的变化，则变轨前后卫星的

A.向心加速度大小之比为4：1

B.角速度大小之比为2：1

C.周期之比为1:8

D.轨道半径之比为1：2

8∙（2016∙天津•高考真题）我国将发射“天宫二号"空间实验室，之后发射“神州十一号"飞船与"天宫二号"对接•假设“天

宫二号，，与"神州十一号，，都围绕地球做匀速圆周运动，为了实现飞船与空间实验室的对接，下列措施可行的是

A.使飞船与空间实验室在同一轨道上运行，然后飞船加速追上空间实验室实现对接

B.使飞船与空间实验室在同一轨道上运行，然后空间实验室减速等待飞船实现对接

C.飞船先在比空间实验室半径小的轨道上加速，加速后飞船逐渐靠近空间实验室，两者速度接近时实现对接

D.飞船先在比空间实验室半径小的轨道上减速，减速后飞船逐渐靠近空间实验室，两者速度接近时实现对接

9.（2016・北京・高考真题）如图所示，一颗人造卫星原来在椭圆轨道1绕地球E运行，在P点变轨后进入轨道2做

匀速圆周运动.下列说法正确的是：（）

A.不论在轨道1还是轨道2运行，卫星在P点的速度都相同

B.不论在轨道1还是轨道2运行，卫星在P点的加速度都相同

C.卫星在轨道1的任何位置都具有相同加速度

D.卫星在轨道2的任何位置都具有相同动量（动量P=〃?v,V为瞬时速度）

10.（2021•湖南•高考真题）（多选）2021年4月29日，中国空间站天和核心舱发射升空，准确进入预定轨道。根

据任务安排，后续将发射问天实验舱和梦天实验舱，计划2022年完成空间站在轨建造。核心舱绕地球飞行的轨道

可视为圆轨道，轨道离地面的高度约为地球半径的上。下列说法正确的是（）

Io

A.核心舱进入轨道后所受地球的万有引力大小约为它在地面时的J倍

B.核心舱在轨道上飞行的速度大于7.9km∕s

C.核心舱在轨道上飞行的周期小于24h

D.后续加挂实验舱后，空间站由于质量增大，轨道半径将变小

11.（2009■山东•高考真题）（多选）2008年9月25日至28日我国成功实施了"神舟"七号载人航天飞行并实现了航

天员首次出舱.飞船先沿椭圆轨道飞行，后在远地点343千米处点火加速，由椭圆轨道变成高度为343千米的圆轨

道，在此圆轨道上飞船运行周期约为90分钟.下列判断正确的是（）

轨道2

B.飞船在圆轨道上时航天员出舱前后都处于失重状态

C.飞船在此圆轨道上运动的角速度大于同步卫星运动的角速度

D.匕船变轨前通过椭圆轨道远地点时的加速度大于变轨后沿圆轨道运动的加速度

12.（2010•江苏•高考真题）（多选）2009年5月，航天飞机在完成对哈勃空间望远镜的维修任务后，在A点从圆形

轨道团进入椭圆轨道回，B为轨道回上的一点，如图所示，关于航天飞机的运动，下列说法中正确的有

A.在轨道田上经过A的速度小于经过B的速度

B.在轨道团上经过A的动能小于在轨道回上经过A的动能

C.在轨道团上运动的周期小于在轨道回上运动的周期

D.在轨道13上经过A的加速度小于在轨道EI上经过A的加速度

二、强基训练（高手成长基地）

1.（2022・湖北•二模）2021年10月我国发射的神舟十三号飞船实现了和空间站径向对接的新突破，如图甲所示。假

定对接前飞船在椭圆轨道团上，如图乙所示，团为空间站圆轨道，轨道半径为kR（R为地球半径），A为两轨道交点，

8为飞船轨道近地点。地球表面重力加速度为g,下列说法中正确的是（）

A.空间站在圆轨道团上的向心加速度大于g

B.飞船和空间站在A处所受的万有引力相同

C.飞船在A处的机械能大于B处的机械能

D.飞船在B处的速度彩＞杼

2.（2022•陕西汉中•一模）2021年2月10日，中国首次火星探测任务"天问一号"探测器实施近火星捕获制动，成为

火星卫星。如图所示为探测器经过多次变轨后登陆火星的轨道示意图，其中轨道团、团为椭圆，轨道回为圆，探测器

经轨道团、团、团后从。点登陆火星.。点是三个轨道的交点，轨道上的。、P、。三点与火星中心在一条直线上，。、

。分别为椭圆轨道回的远火点和近火点。已知火星的半径为R,OQ=4R,探测器在轨道回上正常运行时经过。点的

速度为V,在此轨道上运行的周期为T,下列说法正确的是（）

A.沿轨道回运行时探测器与Q点的连线在相等时间内扫过的面积相等

2

B,沿轨道回运行时探测器经过。点时的加速度大小为二

R

C.沿轨道回运动到。点的速度小于沿轨道回运动到。点的速度

D.沿轨道⑦运行时探测器从。点到。点的时间为亚7

9

3.（2022•河北省唐县第一中学高三阶段练习）2020年7月我国的“长征五号"遥四运载火箭，将火星探测器"天问一

号”送入太空，简化示意图如图所示，探测器在4位置脱离地球被送入地火转移轨道（即标准霍曼转移轨道），运动

半个周期，在B位置与火星会合。已知火星公转周期为687个地球日，则下列有关"天间一号"探测器的说法正确的

是（)

A.在地球上发射探测器时的速度必须大于7.9km∕s并小于11.2km∕s

B.探测器在地火转移轨道A位置时的速度比地球公转速度大

C.探测器在由A到B的运动过程中，太阳引力做正功

D.探测器到达B位置时，地球可能在C位置

4.（2022•浙江・丽水第二高级中学高三阶段练习）"天间一号"探测器需要通过霍曼转移轨道从地球发送到火星，地

球轨道和火星轨道看成圆形轨道，此时霍曼转移轨道是一个近日点。和远日点P都与地球轨道、火星轨道相切的椭

圆轨道（如图所示）。在近日点短暂点火后"天问一号"进入霍曼转移轨道，接着"天间一号"沿着这个轨道直至抵达远

日点，然后再次点火进入火星轨道。已知万有引力常量为G,太阳质量为M,地球轨道和火星轨道半径分别为，•和

凡地球、火星、"天问一号"运行方向都为逆时针方向。下列说法正确的是（）

两次点火之间的时间大于

B.S=VtA

2√2VGM

C."天问一号"在地球轨道上的角速度小于在火星轨道上的角速度

D."天问一号"在转移轨道上近日点的速度大小大于地球公转速度大小

5.（2022•江苏•高三专题练习）2021年2月15日17时，我国首次火星探测任务天间一号探测器成功实施“远火点平

面轨道调整"。图为该过程的示意图，图中虚线轨道所在平面，与实线轨道所在平面垂直、探测器由远处经A点进

入轨道L经B点进入轨道2,经C点进入轨道3,再经C点进入轨道4。上述过程仅在点A、B、C启动发动机点

火，A、B、C、E各点均为各自所在轨道的近火点或远火点，各点间的轨道均为椭圆。。以下说法正确的是（）

轨道2

轨道3

A.探测器经过E点的机械能大于。点的机械能

B.在B点发动机点火过程中推力对探测器做正功

C.探测器经过E点的速度一定大于火星的第一宇宙速度

D.探测器从A点运行到B点的时间大于在轨道2上从B点运行到C点的时间

6.（2022・安徽•模拟预测）2020年11月24日凌晨，搭载嫦娥五号探测器的长征五号遥五运载火箭从文昌航天发射

场顺利升空,12月17日“嫦娥五号"返回器携带月球样品在预定区域安全着陆,在落地之前,它在大气层打个"水漂"。

现简化过程如图所示，以地心为中心、半径为4的圆周为大气层的边界,忽略大气层外空气阻力。己知地球半径为R,

返回器从。点进入大气层，经“、b、c、d回到地面，其中。、b、d为轨道和大气层外边界的交点，C点到地心

的距离为4,地球表面重力加速度为g,以下结论正确的是（）

B.返回器在6点动能大于在"点的动能

C.返回器在C点的加速度大于整

D.返回器通过。点处于失重状态

7.（2021・安徽•高三专题练习）我国航天技术走在世界的前列，探月工程“绕、落、回”三步走的最后一步即将完成，

即月球探测器实现采样返回，如图所示为该过程简化后的示意图，探测器从圆轨道1上的A点减速后变轨到椭圆轨

道2,之后又在轨道2上的B点变轨到近月圆轨道3。已知探测器在轨道1上的运行周期为工，运行速度为匕，在

轨道3上运行速度为匕，。为月球球心，C为轨道3上的一点AC与轨道3相切，AC与40之间的最大夹角为6,

A.探测器在轨道2运行时的机械能大于在轨道1运行时的机械能

B.探测器在轨道2运行时的线速度匕大小满足匕<匕<匕

C.探测器在轨道3上运行时的周期为7；标而

D.探测器在轨道2上运行和在圆轨道1上运行，加速度大小相等的位置有两个

8∙（2022∙浙江•高三专题练习）中国计划已经实现返回式月球软着陆器对月球进行科学探测，如图所示，发射一颗

运动半径为『的绕月卫星，登月着陆器从绕月卫星出发（不影响绕月卫星运动），沿椭圆轨道降落到月球的表面上,

与月球表面经多次碰撞和弹跳才停下来。假设着陆器第一次弹起的最大高度为〃，水平速度为W,第二次着陆时速

度为打，已知月球半径为R,着陆器质量为m,不计一切阻力和月球的自转。求:

（1）月球表面的重力加速度。

（2）在月球表面发射一颗月球卫星的最小发射速度是多大？

（3）设想软着陆器完成了对月球的科学考察任务后，再返回绕月卫星，返回与卫星对接时，二者具有相同的速度，

着陆器在返回过程中需克服月球引力做功W=Wg小则着陆器的电池应提供给着陆器多少能量，才能使着

陆器安全返回到绕月卫星。

三、参考答案及解析

（一）真题部分

1.C

【解析】A.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ll∙2km∕s与

16.7km∕s之间,故A错误;

B.因尸点转移到。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；

C.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；

D.卫星从尸点变轨时，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。

2.D

【解析】A.天问一号探测器在轨道El上做变速圆周运动，受力不平衡，故A错误；

B.根据开普勒第三定律可知，轨道回的半径大于轨道团的半长轴，故在轨道回运行周期比在团时长，故B错误；

C.天问一号探测器从轨道回进入回，做近心运动，需要的向心力要小于提供的向心力，故要在P点点火减速，故C

错误；

D.在轨道回向P飞近时，万有引力做正功，动能增大，故速度增大，故D正确。故选D。

3.D

【解析】A.根据牛顿第二定律有G粤=,加

故在近火点的加速度比远火点的大，故A错误；

B.根据开普勒第二定律，可知在近火点的运行速度比远火点的大，故B错误；

C."天问一号"在同一轨道，只有引力做功，则机械能守恒，故C错误；

D∙"天问一号”在近火点做的是离心运动，若要变为绕火星的圆轨道，需要减速，故D正确。

故选

D0

4.B

【解析】"东方红一号”从近地点到远地点万有引力做负功，动能减小，所以匕＞匕，过近地点圆周运动的速度为

V=J器，由于“东方红一号"在椭圆上运动，所以匕＞/¥，故B正确.

5.A

Mm

【解析】AB.由万有引力提供向心力G等=，加可知轨道半径越小,向心加速度越大,故知A项正确,B错误;

CD.由Gtr=mq■得V=可知轨道半径越小,运行速率越大,故C、D都错误.

6.D

【解析】当卫星在圆周轨道上做匀速圆周运动时，万有引力充当向心力，有

GMm

r2

所以环绕周期T=2肛」一

NGM

环绕速度U=

可以看出，周期越大，轨道半径越大，轨道半径越大，环绕速度越小，动能越小。在变轨过程中，克服引力做功,

引力势能增加。故选D。

7.C

【解析】卫星绕地球做匀速圆周运动，G誓m?卫星动能EWmg等，卫星动能减小为原来好时，卫星轨道

半径变为原来的4倍，D错误.卫星的速度变为原来的三，根据a=^可知向心加速度变为原来的三，A错误.根据

1rx∙

3二可知角速度变为原来的三，B错误.根据TW可知，周期变为原来的8倍，C正确.

FG<9

8.C

【解析】在同一轨道上运行加速做离心运动，减速做向心运动均不可实现对接.则AB错误；飞船先在比空间实验

室半径小的轨道上加速，则其做离心运动可使飞船逐渐靠近空间实验室，两者速度接近时实现对接.则C正确；飞

船先在比空间实验室半径小的轨道上减速，则其做向心运动，不可能与空间实验室相接触.则D错误.故选C.

9.B

【解析】从轨道1变轨到轨道2,需要加速逃逸，故A错误；根据公式G"=∕≡可得：α=G"，故只要到地心

rr2

距离相同，加速度就相同，卫星在椭圆轨道1绕地球E运行，到地心距离变化，运动过程中的加速度在变化，B正

确C错误；卫星在轨道2做匀速圆周运动，运动过程中的速度方向时刻在变，所以动量方向不同，D错误.

10.AC

【解析】A.根据万有引力定律有F=GiF

IL-__R__√M

核心舱进入轨道后的万有引力与地面上万有引力之比为名一（IY-117）

I16）

所以A正确;

B.核心舱在轨道上飞行的速度小于7.9km∕s,因为第一宇宙速度是最大的环绕速度，所以B错误;

C.根据T=2%E-

∖GM

可知轨道半径越大周期越大，则其周期比同步卫星的周期小，小于24h,所以C正确;

D.卫星做圆周运动时万有引力提供向心力有G”=加且

rr

GM

解得U=

则卫星的环绕速度与卫星的质量无关，所以变轨时需要点火减速或者点火加速，增加质量不会改变轨道半径，所以

D错误；故选AC。

11.BC

【解析】A.据题意，由于点火加速飞船由椭圆轨道变为圆轨道，有外力做正功，则飞船的机械能增加，A错误;

B.整体受到的万有引力完全充当向心力，故航天员在出舱前后都处于完全失重状态，B正确；

C.飞船在圆轨道上运动的角速度为0=半，由于飞船运动周期小于同步卫星周期，则飞船运动角速度大于同步卫

星的，C正确；

,.GM坊,

D.据r.＞可知，飞船变轨前后所在位置距离地球的距离都相等，则两者加速度相等，故选项D错误.

Q=R~

12.ABC

【解析】本题考查人造地球卫星的变轨问题以及圆周运动各量随半径的变化关系.小E=G丝ɪ,得V=、平,在

rrVr

人造卫星自然运行的轨道上,线速度随着距地心的距离减小而增大,所以远地点的线速度比近地点的线速度小,VA<VB,

A项正确；人造卫星从椭圆轨道SI变轨到圆形轨道回，需要点火加速，发生离心运动才能实现，因此VAII<VAI,所以

EKAΠ<EKAI,B项正确；机/二Y=G"，得T=、叵二可知到地心距离越大，周期越大，因此T∏<T],C项正确；

{TJr2VGM

人造卫星运动的加速度由万有引力提供，而不管在轨道回还是在轨道回，两者的受力是相等的，因此加速度相等，D

项错误.

（二）强基部分

1.D

CMtn

【解析】A.空间站绕地球做匀速圆周运动时，万有引力充当向心力，有6函=研

在地面的物体，有G方=

因为空间站在圆轨道回上时轨道半径大于地球半径，故向心加速度小于g,A错误；

B.由万有引力表达式可知飞船和空间站在A处所受的万有引力还与飞船和空间站的质量有关，因为题目中不知道

二者质量的关系，故无法判断二者在A处万有引力是否相等。B错误；

C.飞船沿轨道回运动时只有引力做功，机械能守恒。C错误；

Mmmv2

D.空间站在轨道回绕地球做匀速圆周运动时，万有引力充当向心力，有G鬲^kR

又因为GR-=Wg

故空间站线速度为V=

因飞船运动轨道因为椭圆轨道，故飞船在B点的处的速度大于第一宇宙速度，而空间站的速度小于第一宇宙速度,

2柠D正确。故选Do

2.D

【解析】A.根据开普勒第二定律，沿轨道团运行时探测器与火星中心的连线在相等时间内扫过的面积相等，故A错

误；

B.沿轨道回运行时探测器做匀速圆周运动，万有引力全部提供向心力，其轨迹半径为3K,则经过。点时的加速度

2

为a=L,故B错误；

3R

C.沿轨道回运行到O点需要减速做近心运动才能进入轨道回，故C错误；

D.沿轨道回运行时探测器的周期为豆，半长轴为2R,根据开普勒第三定律有

^L=^L=k

τ2η2

解得与=母

沿轨道回运行时探测器从。点到。点的时间为r=gτ;=97,故D正确；故选D。

3.B

【解析】A.探测器发射后脱离的地球的吸引，所以其在地球上的发射速度应在第二宇宙速度lL2km∕s与第三宇宙

速度16.7km∕s之间，故A错误；

B.如果探测器与地球在同一轨道上运行时探测器的速度与地球公转的速度相等；探测器运动到A位置时需要加速

才能进入地火转移轨道，因此探测器在地火转移轨道A位置时的速度比地球公转速度大，故B正确；

C.在由A到B的运动过程中，探测器离太阳的距离逐渐变大，太阳引力做负功，故C错误；

D.由图示可知，地火转移轨道半长轴比地球绕太阳运动的半长轴大，由开普勒第三定律可知，探测器的运行周期

大于地球的公转周期，探测器从A到B点的时间等于探测器的半个周期，该时间大于地球公转的半个周期，地球绕

太阳运动的距离大于半个圆周，此时地球已经经过C点了，地球不在C位置，故D错误。故选B。

4.D

【解析】A.两次点火都让探测器做加速运动，因此点火喷气的方向都与运动方向相反，探测器做曲线运动，速度

方向一直在变化，所以两次点火喷气方向不同，故A错误；

GMM

B.地球绕太阳运行时，根据牛顿第二定律一产=

建+一）3

由根据开普勒第三定律Zl=Lɪʌ

7]2T；

可得"天间一号"探测器沿椭圆轨道运行的周期TL余

而两次点火之间的时间品，，萨,故B错误；

C.绕太阳运行时,根据G等

GM

解得（D-

可得轨道半径越大，角速度越小，因此〃天问一号〃在地球轨道上的角速度大于在火星轨道上的角速度，故C错误;

D.由于〃天问一号〃通过近日点后将做离心运动，因此在转移轨道上近日点的速度大于地球公转速度，故D正确。

故选D。

5.D

【解析】A∙探测器由轨道3进入轨道4需要点火减速，机械能减少，因此探测器经过E点的机械能小于。点的机

械能，选项A错误；

B.在2点发动机点火使探测器进入半径较小的轨道2,需要减速，因此此过程中推力对探测器做负功，选项B错

误；

C.第一宇宙速度是最大运行速度，因此探测器经过E点的速度一定小于火星的第一宇宙速度，选项C错误；

D.探测器从A点运行到B点的半径大于轨道2上的半径，根据开普勒第三定律∕=α可知探测器从4点运行到B

点的时间大于在轨道2上从B点运行到C点的时间，选项D正确。

故选D。

6.A

【解析】A.返回器在。点运动到b点的过程中由于离地心的距离不变，则万有引力不做功，但由于返回器受到大

气层空气阻力，且空气阻力做负功，则返回器在。点动能大于在b