- 二一组卷

题型：解答题题类：难易度：困难

上海市复旦大学附属中学2023-2024学年高三上学期期中考试物理试题

《流浪地球》是刘慈欣创作的中篇小说，小说中有很多物理知识的应用。

故事中“流浪地球计划”分为五个阶段：

“第一阶段： ……

第二阶段：……

第三阶段：地球利用木星的引力弹弓效应，完成最后的加速冲刺，正式踏上流浪之旅。

第四阶段：地球脱离太阳系后，用500年时间加速至光速的千分之五，并滑行1300年，随后再用700年进行减速。

第五阶段：地球泊入目标恒星系，成为目标恒星系的新行星。

本计划将持续“一百代人”，尽管我们不知道4.2光年外的新太阳会带来什么样的家园，但从今天开始，人类的勇气与坚毅将永刻于星空之下。”

（1）、已知太阳与地球的距离 $\text{[math]}$ 则地球公转的线速度为 km/s；已知太阳与木星的距离 $\text{[math]}$ ，则木星公转的线速度为 km/s。（本题结果保留3 位有效数字）

（2）、霍曼转移轨道（Hohmann transfer orbit）是一种变换太空船轨道的方法。在电影《流浪地球》中，利用霍曼转移轨道，可用最少的燃料将地球送达木星轨道，最终逃出太阳系。如图所示，利用地球上的万台超级聚变发动机瞬间点火，使地球在地球轨道Ⅰ上的P点加速，进入椭圆轨道Ⅱ，再在椭圆轨道上的Q点瞬间点火，从而进入木星轨道Ⅲ。关于地球的运动，下列说法中正确的是（　　）

A、在椭圆轨道上经过P的速度小于经过Q 的速度 B、在轨道Ⅱ上经过P的动能大于在轨道Ⅲ上经过Q的动能 C、在轨道Ⅱ上运动的周期小于在轨道Ⅰ上运动的周期 D、在轨道Ⅱ上经过P的加速度等于在椭圆轨道上经过P的加速度

（3）、太阳系中的8大行星的轨道均可以近似看成圆轨道。下列四幅图是用来描述这些行星运动所遵从的某一规律的图像。图中坐标系的横轴是 $\text{[math]}$ 纵轴 $\text{[math]}$ ，这里T和 R 分别是行星绕太阳运行的周期和相应的圆轨道半径，T₀和R₀分别是水星绕太阳运行的周期和相应的圆轨道半径。下列4幅图中正确的是（　　）

A、

B、

C、

D、

（4）、电影中地球的目标恒星系中心有一颗质量为太阳2倍的新恒星。假设地球绕新恒星做匀速圆周运动，且地球到这颗新恒星中心的距离是地球到太阳中心的距离的2倍。则地球绕新恒星的运动与绕太阳的运动相比，下列说法正确的是（　　）

A、万有引力是绕太阳的0.25 倍 B、周期是绕太阳的2倍 C、线速度是绕太阳的 0.25 倍 D、向心加速度是绕太阳的 2 倍

（5）、“引力弹弓效应”是小质量天体利用大质量天体的引力大幅获得动能的一种方法。如图所示，在太阳系中观察此效应，已知木星是地球质量的三百余倍，木星在轨道上公转速度记为v₁ ，若使地球从很远的距离以v₂的速度面对面冲向木星（运动方向会稍微错开一定距离以免相撞），则地球飞离木星很远距离后的速度v₃约为（结果用v₁、v₂表示）该引力弹弓效应中，地球、木星系统的初末状态动量守恒、动能守恒，可类比一条直线上大质量钢球与小质量钢球的完全弹性碰撞。

举一反三

如图所示，质量为2m、长为L的长木板c静止在光滑水平面上，质量为m的物块b放在c的正中央，质量为m的物块a以大小为 $\text{[math]}$ 的速度从c的左端滑上c，a与b发生弹性正碰，最终b刚好到c的右端与c相对静止，不计物块大小，物块a、b与c间动摩擦因数相同，重力加速度为g，则下列说法正确的是（）

如图所示，在足够大的光滑水平面上，静止着两个半径均为 $\text{[math]}$ 的光滑四分之一圆弧体 $\text{[math]}$ 、 $\text{[math]}$ ，两圆弧面的最底端与水平面相切，圆弧体 $\text{[math]}$ 的质量 $\text{[math]}$ ，质量 $\text{[math]}$ 的小球由圆弧体 $\text{[math]}$ 的顶端静止滑下，一段时间后冲上圆弧体 $\text{[math]}$ 。重力加速度 $\text{[math]}$ 取 $\text{[math]}$ 。求：

（1）小球刚离开圆弧体A时的速度大小；

（2）小球从圆弧体 $\text{[math]}$ 上下滑过程中，圆弧体 $\text{[math]}$ 滑行的距离及小球第一次滑上圆弧体 $\text{[math]}$ 瞬间对圆弧体的压力大小；（结果可用分式表示）

（3）若使小球不能再次滑上圆弧体 $\text{[math]}$ ，圆弧体 $\text{[math]}$ 的质量应满足的条件。

处理废弃卫星的方法之一是将报废的卫星推到更高的轨道——“墓地轨道”，这样它就远离正常卫星，继续围绕地球运行。我国实践21号卫星（SJ—21）曾经将一颗失效的北斗导航卫星从拥挤的地球同步轨道上拖拽到了“墓地轨道”上。拖拽过程如图所示，轨道1是同步轨道，轨道2是转移轨道，轨道3是墓地轨道，则下列说法正确的是（　　）

小行星撞击地球虽然发生概率较低，却会使地球生命面临重大威胁。我国已经提出了近地小行星防御的发展蓝图，计划在2030年实现一次对小行星的动能撞击，2030至2035年间实现推离偏转。已知地球质量为M，可视为质量分布均匀的球体，引力常量为G。若一颗质量为m的小行星距离地心为r时，速度的大小 $\text{[math]}$ ， m远小于M。不考虑地球运动及其它天体的影响。

（1）若小行星的速度方向垂直于它与地心的连线，通过分析判断该小行星能否围绕地球做圆周运动。

（2）若小行星的速度方向沿着它与地心的连线指向地心。已知取无穷远处的引力势能为零，则小行星在距地心为r处的引力势能 $\text{[math]}$ 。

a．设想提前发射质量为0.1m的无人飞行器，在距离地心为r处与小行星发生迎面撞击，小行星撞后未解体。将撞击过程简化为完全非弹性的对心碰撞。为彻底解除小行星对地球的威胁，使其不与地球碰撞。求飞行器撞击小行星时的最小速度 $\text{[math]}$ 。

b．设想对小行星施加适当的“推力”后，使其在距离地心为r处的速度方向与它和地心连线的夹角变为 $\text{[math]}$ ，速度大小不变，也能解除对地球的威胁。已知小行星仅在地球引力所用下的运动过程，它与地心的连线在任意相等时间内扫过相等的面积。求小行星在此后的运动过程中，距地心的最近距离 $\text{[math]}$ 。

嫦娥六号探测器在中国探月工程中，旨在探索月球背面南极——艾特肯盆地，寻找新矿物“嫦娥石”。如图，嫦娥六号在发射5天后，进入周期12小时的椭圆轨道I。在这之后，嫦娥六号将继续制动，进入周期4小时的椭圆停泊轨道II，最后在近月点再次制动进入高度为200km、周期约128分钟的圆轨道III。下列说法正确的是（　　）

嫦娥六号成功从月球表面取样并返回地球。嫦娥六号在着陆月球前经过多次变轨进入近月轨道Ⅳ，如图所示是变轨前的部分轨道示意图，Ⅰ是地月转移轨道，Ⅱ、Ⅲ是绕月球运行的椭圆轨道，Ⅳ是绕月球运行的圆形轨道。P、Q分别为椭圆轨道Ⅱ的远月点和近月点。已知P、Q两点的距离为a，圆轨道Ⅳ到月球表面的高度为h，月球半径为R，月球表面的重力加速度为g，不考虑月球的自转，嫦娥六号（　　）

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