資源簡介

以“神舟六號”宇宙飛船為背景的物理試題賞析
重慶市黔江中學校 朱宗華 郵編 409000

“神舟”號系列飛船的發射與回收成功，使我國成為世界上第三個能夠成功發射與回收載人飛船的國家之一。表明我國載人航天工程技術日臻成熟，為最終實現載人飛行奠定了堅實基礎。同時，利用飛船開展的對地觀測、空間材料科學、生命科學及空間環境探測等一系列空間科學實驗，進行多學科、大規模和前沿性的空間科學與應用研究，標志著我國空間科學研究和空間資源的開發進入了新的發展階段。航空航天是一個涉及物理、化學、生物、天文、地理、工程、氣象等多學科的綜合性工程，在目前考試模式下，以“神舟號”宇宙飛船為背景的物理試題無疑成為全國高考考生關注的焦點和熱點，筆者通過查閱有關資料，收集整理出如下試題奉獻給廣大師生，以期拋磚引玉，僅供參考。
背景資料回放
２００５年金秋十月神州大地一片歡騰，中國載人航天成就舉世矚目．繼神舟五號圓滿進行首次載人航天飛行后，神舟六號載人航天飛行又取得了圓滿成功．“神六”載人飛船于2005年10月12日9時在酒泉載人航天城發射場由“長征二號F”大推力運載火箭發射升空．飛船載著費俊龍、聶海勝兩位航天員，按預定軌道在太空飛行5天約115小時，環繞地球76圈后，于2005年10月17日4時33分，在內蒙古中部草原安全著陸．“神六”飛行任務的順利實施和圓滿完成，表明中國完全有能力獨立自主地攻克尖端技術，在世界高科技領域占有一席之地，使我國成為繼前蘇聯和美國之后的航天大國．以“神舟”六號載人航天飛船為背景題材，圍繞“神舟”飛船的發射、運行、返回等幾個方面可編制如下的物理學科內綜合能力題，可以幫助同學們培養航天科學興趣，強化中學物理基礎知識，提高應用意識，培養分析問題、解決問題的綜合能力．已知地球半徑R=6400km，第一宇宙速度為7.9km/s
一、宇航員的選拔
題１ 為了使飛船順利升空，飛船需要一個加速過程．人們把飛船加速時宇航員對座椅的壓力與其靜止在地球表面時所受重力的比值，稱為耐受力值，用ｋ表示．在選拔宇航員時，要求他在此狀態下的耐受力值為4≤ｋ≤12．宇航員費俊龍、聶海勝的ｋ值為１０．
(1) 設宇航員的質量為m，加速上升的加速度為α試求ｋ的表達式及飛船發射時的加速度值的變化范圍．
(2)當飛船沿豎直方向加速升空時，宇航員需要承受巨大的壓力．求在他們能夠承受的最大壓力情況下，飛船的加速度最大是多少?
解析：(1)宇航員對座椅的壓力為
牛頓第三定律可知，座椅對宇航員的支持力為
根據牛頓第二定律，得，ａ＝（ｋ－１）ｇ
所以 　　　k=1+α/g ，30m/s2≤α≤ 110m/s2
(2)由題意將ｋ＝１０代入ａ＝（ｋ－１）ｇ中得ａ＝９０ｍ／ｓ
二、飛船的發射
題２ “神舟”號系列飛船為何選在夜晚或凌晨發射?
解析:航天發射是一項極其復雜和龐大的系統工程,飛船發射時機的選擇要考慮到各種各樣可能影到發射的因素,其中,氣象因素往往是最關鍵最直接的決定因素.在綜合考慮判斷的基礎上,最終確定下來的一天中的某一個時間段會作為飛船發射的時機,這個時間段被稱為“發射窗口”。“神舟”號飛船的發射窗口之所以選擇在夜晚而不是白天，最重要的原因是便于飛船發射升空時，地面的光學跟蹤測量設備易于捕捉到跟蹤目標。
題３　 簡述將“神舟六號”無人航天試驗飛船送入太空的“長征二號F”捆綁式大推力運載火箭發射的物理原理和提高火箭最終速度的因素.
解析：（１）火箭點燃后生成的氣體以很大的速度向后噴出，根據動量守恒，火箭向前做反沖運動；（２）提高火箭最終速度的因素，一方面是噴氣速度，另一方面是火箭開始飛行時的質量與燃料燒盡時的質量之比，噴氣速度越大，質量比越大，火箭最終速度越大。
題４ “神舟六號”飛船發射升空時，火箭內測試儀平臺上放一個壓力傳感器，傳感器上面壓著一個質量為ｍ的物體，火箭點火后從地面向上加速升空，當升到某一高度時，加速度為，壓力傳感器此時顯示出物體對平臺的壓力為點火前壓力的，已知地球的半徑為R，為地面附近的重力加速度，試求此時火箭離地面的高度．
解析：設此時火箭升空高度為ｈ，此處重力加速度為，則有：
再根據萬有引力定律：　　得：
而　，　　所以　　
　題５　載人航天飛船在發射升空和降落時，如果宇航員保持直立的姿態，則他的心血管系統會受到何種影響？你認為宇航員應采取什么姿態？　
解析：飛船在發射升空和降落的一段時間內處于超重狀態，在超重狀態下，人直立，頭部血液會流向下肢，血液淤積在下肢靜脈中，影響血液回流心臟，造成頭部供血不足，引起頭暈，視物模糊，反應遲鈍，操縱準確度下降；重則意志喪失，完全失去控制飛船的能力，因此宇航員在發射和降落階段應采取平臥方式。
題６（１）圖中A為某火箭發射場，Ｂ為山區，Ｃ為城市。發射場正在進行某型號火箭的發射試驗。該火箭起飛時的質量為２．０２×１０Ｋg，起飛推力為２．７５×１０Ｎ，火箭發射塔高１００m，則該火箭起飛時的加速度大小為多少m/s？。在火箭推力不變的情況下，若不考慮空氣阻力及火箭質量的變化，火箭起飛后，經多少秒鐘飛離火箭發射塔。（參考公式及常數：Ｆ＝ma，Ｖ＝Ｖ＋at，s=Ｖt＋at，g＝９．８m/s）
　（２）為了轉播火箭發射的實況，在發射場建立了發射臺用于廣播與電視信號．已知傳輸無線電廣播所用的電磁波波長為５５０m，而傳輸無線電廣播所用的電磁波波長為０．５６６m，為了不讓山區擋住信號的傳播，使城市居民和收看火箭發射的實況，必須通過建在山頂上的轉發站來轉發____________（選填：無線電廣播信號或電視信號）．這是因為：______________________．
解析　　根據物理知識很容易得答案分別為：
　　（１）３．８１m/s；７．２５s
　　　　（２）電視信號的波長短，沿直線傳播，受山坡阻擋，不易衍射
三、火箭能源
題７　作為火箭推進器，最理想的是利用反物質，如正負電子的湮滅（e+e=2）時產生巨大的能量，依此類推，試問１Ｋg粒子和它的反物質，湮滅時能產生多小焦耳的能量？
解析：依題意，粒子和它的反物質湮滅時的質量虧損△m=２Ｋg,
由愛因斯坦質能方程，有
　　　　　　Ｅ＝△mc2=２×(3×108)2 =1.8×1017J
四、太空實驗
題８．費俊龍和聶海勝兩名航天員乘坐神舟六號飛船在酒泉衛星發射中心起飛，開始環繞地球的大空之旅，神舟六號飛據在距地面343Ｋｍ軌道上運動．下列說法正確的是( )
Ａ．宇航員在飛船內無法使用水銀體溫計
Ｂ．宇航員在飛船內無法正常行走
Ｃ．宇航員在飛船內無法使用彈簧拉力器
Ｄ．宇航員在飛船內無法使用彈簧秤測量物體重力
解析 溫度計原理是“熱脹冷縮”，與失重無關，(A)錯；由于在宇宙飛船中處于完全失重狀態，人與地板無摩擦力，不能正常行走，(B)正確；完全失重時重物對彈簧秤無拉力，(D)正確；在失重的環境中可以用手拉彈簧拉力器，(C)錯．本題答案為Ｂ、Ｄ．
題９．在繞地球圓周運動的神舟六號飛船上不能正常使用的儀器有( )
Ａ ．液體密度計 　Ｂ．指南針電磁器　　Ｃ．打點計時器　　Ｄ．天平
解析：宇宙飛船繞地球作勻速圓周運動時，所受地球的引力完全用來提供向心力．向心加速度即飛船所在位置的重力加速度，豎直向下指向地心(即軌道的圓心)，所以飛船內是完全失重的環境．由于物體在宇宙飛船中處于完全失重狀態，液體浮力等于零，故液體密度計不能使用，不能選(A)項．天平利用的是力矩平衡原理，在失重的環境下處于隨遇平衡狀態，不能選(D)項．指南針和電磁打點計時器靠磁場力作用，不受失重環境的影響，故本題答案為(B)(C)．
　題１０．2005年10月13日航天員在繞地球圓周運動的神舟六號上進行了預定的科學試驗．下面是一中學生設想的在飛船中進行的高中物理部分實驗，可行的是( )
(A)用單擺測定重力加速度
(B)用彈簧秤驗證力的平行四邊形定則
(C)研究平拋物體的運動
(D)驗證機械能守恒定律
解析 宇宙飛船繞地球作勻速圓周運動時，所受地球的引力完全用來提供向心力．向心加速度即飛船所在位置的重力加速度，豎直向下指向地心(即軌道的圓心)，所以飛船內是完全失重的環境．所以A、C、 D均不可行．本題答案為Ｂ．
題１１．在環繞軌道飛行的“神舟”六號飛船軌道艙內空間是微重力環境，正確的理解是（ ）
Ａ．飛船內物體所受的重力遠比在地面時小，可以忽略.
Ｂ．飛船內物體所受的重力與在地面時比相比不會是數量級上的差別.
Ｃ．飛船內物體也在繞地球做勻速圓周運動，地球對物體的萬有引力恰好提供了它所需要的向心力.
Ｄ．飛船內物體能漂浮在艙內，好象重力消失了一樣.
答案:Ｄ
題１２．航天飛船內有一個“晶體”艙，主要用于材料的研究和加工，如制造晶體。制得的晶體純度與大小遠遠優于地球上所得的晶體，其主要原因可能是：
Ａ、由于有宇宙射線的作用。　　　Ｂ、由于處于失重狀態，微粒分布特別均勻
Ｃ、微粒間失去相互作用。　　　　Ｃ、微粒的大小發生了根本的變化
答案: Ｂ
題１３． 宇宙飛船可用于探測和獲取海洋、大氣和陸地有關的降水、積雪、土壤水分、海面高度、大洋環流以及海面風速、風向等信息。這一研究是利用微波的什么性質？
解析：地球有60%～70%被云層覆蓋，多模態微波遙感器利用了微波波長，易發生干涉、衍射、反射，因此不論刮風下雨和白天黑夜多模態微波遙感器都能全天工 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 作，彌補了可見光、紅外線技術在惡劣天氣下不能工作等缺陷
　　題１４． 2005年10月14日16點30分，神舟六號航天員費俊在飛船上翻了4個筋斗大約用了3分鐘，此時神舟六號飛船正在距地面343形軌道上繞地球做勻速圓周運動，試計算他翻一個筋斗飛船運動的路程．
（已知地球半徑為6400Ｋｍ，地球表面重力加速度g＝１０ｍ／ｓ）
　　解析 設飛船的運行速度為，飛船做圓周運動的向心力由萬有引力提供，即：

又因，所以
翻一個筋斗飛船運行的距離為
五、飛船的運行、變軌及對接
題１５．據西安測控中心提供的精確變軌參數，“神舟六號”飛船運動在軌道傾角為４２．４，近地點Ｑ度為200km，遠地點Ｐ度為343km的橢圓軌道上．“神舟六號”飛船運動至第5圈時，要對飛船實施變軌控制，使飛船由入軌時的橢圓軌道，進入圓軌道．實施變軌后，進入343km高的近地圓軌道，如圖所示．不考慮稀薄氣體的影響，下列判斷正確的是(　　)
Ａ．飛船由Q向Ｐ行時速度變小
B．飛船由Ｑ向Ｐ飛行時速度變大
C．飛船在軌道2上Ｐ時的加速度比飛船在軌道1上Ｐ時的加速度大
D．飛船在軌道2上Ｐ時的速度比飛船在軌道1上Ｐ時的速度大
Ｅ．在橢圓軌道1上運動時不受地球的引力作用
Ｆ．在軌道2上運動的周期為24h
解析：飛船由Ｑ向Ｐ飛行時，所受萬有引力與速度方向成鈍角，飛船做減速運動，所以速度變小，選項A正確．飛船在軌道2上Ｐ和飛船在軌道l上Ｐ時受力情況一樣，只受萬有引力作用，所以加速度一樣的，飛船要由軌道1上點Ｐ進入到軌道2上，需要做離心運動，即要向后噴氣以增大速度．飛船在橢圓上運動仍然受到地球的萬有引力，選項Ｅ錯；；神舟六號飛船在軌道2上離地高度為343Ｋｍ不是在同步衛星軌道上運行，其周期不等于24h．所以，正確答案為A、D
題16．神舟六號載入飛船在繞地球飛行的第5圈進行變軌，由原來的橢圓軌道變為距地面高ｈ＝３４３km的圓形軌道。已知地球半徑R=6.37×103km，地面處的重力加速度g=10m/s2。試導出飛船在上述圓軌道上運行的周期T的公式（用h、R、g表示），然后計算周期T的數值（保留兩位有效數字）。
解析：
設地球質量為M，飛船質量為m，速度為v，圓軌道的半徑為r，由萬有引力和牛頓第二定律，有
　　　　　　
地面附近　　　
由已知條件 r＝R＋h
解以上各式得
代入數值，得 T=5.4×103s
例１７．飛船在近地圓軌道上運行時，由于極稀薄空氣阻力的影響，飛行高度會發生變化，需要進行軌道維持．軌道維持就是通過控制飛船上的發動機的點火時間和推力，使飛船能保持在同一軌道上穩定運行．2005年10月14日5時56分“神舟”六號飛船在運行30圈時進行了軌道維持，飛船發動機點火工作了6．5秒．稍后，航天員報告和地面監測表明，首次軌道維持獲得圓滿成功．下列說法正確的是( )
Ａ．由于極稀薄的空氣的影響，飛船的飛行高度會緩慢降低
Ｂ．由于極稀薄的空氣的影響，飛船的機械能逐漸減小
Ｃ．進行軌道維持時應該提高飛船的速度
Ｄ．進行軌道維持時發動機應該向著飛船前進的方向噴氣
解析 空氣阻力不斷對飛船作負功，飛船的速度減小，在萬有引力的作用下高度會緩慢降低，(A)正確；在軌道減小的過程中，空氣阻力做負功，故飛船的機械能減小，(B)正確；進行軌道維持時，應該提高飛船的速度通過離心效應使飛船回到原來的高度，(C)正確；進行軌道維持時發動機應該向著飛船前進的反方向噴氣，反沖力推動飛船加速，從而使飛船回到原來的高度，(D)選項錯．本題答案為(A)(B)(C)．
題１８． 宇宙飛船要與軌道空間站對接,飛船為了追上軌道空間站:
A、只能從較低軌道上加速 B、只能從較高軌道上加速
C、只能從同空間站同一軌道上加速 D、無論在什么軌道上，只要加速都行。
解析：飛船繞地球作圓周運動，由G＝m得v＝.一定的軌道與一定的速度相對應。當飛船在軌道上加速時，萬有引力小于所需的向心力，故要做離心運動，從而使半徑增大，所以A答案正確。
六、飛船的回收
題１９．在載人航天飛船返回地球表面的過程中，有一段時間航天飛船會與地面失去無線電聯系，即發生“黑障”現象。這是因為航天飛船：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
Ａ．加速度太大，減速太快。　　　Ｂ．表面溫度太高。
Ｃ．和空氣摩擦產生高溫使易熔金屬和空氣形成等離子體層。
Ｄ．為下落安全關閉無線電通訊系統。
解析：飛船返回艙再入地球大氣層時，與大氣層產生劇烈摩擦，外表變成一團火球，溫度達１０００Ｃ上，周圍產生等離子層，形成電磁屏蔽．此時，返回艙與地面通信中斷．這段不太長的時間也是回收能否成功的關鍵時段之一．應選Ｃ．
題２０．返回艙在將要著陸之前，由于空氣阻力作用有一段勻速下落過程，若空氣阻力與速度的平方成正比，比例系數為k，返回艙的質量為m，且勻速下降過程的重力加速度為，則此過程中返回艙的速度以及勻速下降過程中，單位時間內轉化為內能的機械能為分別為多少？
解析：設空氣阻力為f，由題設可知 f=kv2 ，勻速下降時 f=m ，由此可解得勻速下降的速度為 ，單位時間內轉化為內能的機械能為：
題２１．設吊在降落傘上的返回艙重8t，距地面約1米時，下落速度仍為14m/s，這時點燃反推火箭發動機，使飛船以不大于3.5m/s的速度實現軟著陸，求反推火箭的平均推力約為多少N？（保留一位有效數字）
解析：把返回艙著陸前下落1米的運動看著勻減速運動。則由 v02-v2=2as得

設火箭的反推力為F，則由牛頓定律有 F－m＝ma 所以 F＝m＋ma
代入數據可求得 F8.0N 。
題２２．一個連同裝備總質量為ｍ＝100Ｋｇ的宇航員,在距離飛船S=45m處與飛船處于相對靜止,宇航員背著裝有質量為m0=0.5Kg氧氣以相對于飛船為v=50m/s的速度噴出的噴嘴,宇航員必須向著返回飛船的相反方向放出氧氣,才能回到飛船,同時又必須保留一部分氧氣供途中呼吸使用,宇航員的耗氧率為P=2.5×10-4Kg/s,不考慮噴出氧氣對設備及宇航員總質量的影響,則
（１）若宇航員在離地面為h的圓軌道上繞地球飛行,則飛行速度應為多少?地球半徑R,重力加速度為g.
（２）已知超氧化鉀(KO2)的性質與Na2O2相似,若該宇航員貯氣筒的氧氣由超氧化鉀提供,試寫出化學方程式,并求出需用多少千克KO2?
（３）瞬時噴出多少氧氣,宇航員才能安全返回飛船?
（４）為了使總耗氧量最低,應一次噴出多少氧氣?返回時間又是多少?(設在一段很短的圓弧上,飛船可視作勻速直線運動)
解析：（1）宇航員繞地球作圓周運動時遵從的基本規律為 G==m，又物體在地面附近時有 G=mg，解得v==。
（2）化學方程式為 4KO2 + 2CO2 = 2K2CO3 + 3O2 　由化學方程式可知：
２８４KgKO2可制得９６KgO2，故制取０．５KgO2需KO2的質量為m=×0.5Kg=1.48Kg。
（３）噴氣過程為反沖運動，動量守恒，設噴出氣體的質量為m，則０＝mV －MV1，又由題給條件知　×P=m0－m，即×２．５×１０＝０．５－m，解得m=０．０５Kg，或m=０．４５Kg。故噴出的氧氣質量滿足０．０５Kg≤m≤０．４５Kg　時，宇航員才能安全返回飛船．
（４）為了耗氧量最低，設噴出mKg氧氣，則耗氧△m=Pt＋m，又t=，mV＝MV1，解得△m=＋m=＋m，因＋m=定值，故當＋m時耗氧量最少，于是得m=0.15Kg，返回時間t==600s。　　　　　　
七、與飛船有關的創新試題
題２３．2005年10月17日，中國“神舟六號”載人航天飛船經過5天的太空之旅順利返回，這標志著我國的航天技術有了長足的進步。設宇航員測出自己繞地球球心做勻速圓周運動的周期為Ｔ，離地面的高度為Ｈ、地球半徑為Ｒ。根據Ｔ、Ｈ、Ｒ和萬有引力恒量Ｇ，宇航員能計算出下面的哪一項（　　）
Ａ．地球的質量 　　　　　　　　　　Ｂ．地球的平均密度
C．飛船所需的向心力 　　　　　　　Ｄ．飛船線速度的大小
解析：因為已知飛船的周期及飛船的高度所以根據萬有引力提供向心力，可算出地球的質量也可算出地球的平均密度及飛船的飛行速度，由于飛船的質量未知，所以無法算出萬有引力。故正確答案為A、B、D．
題２４．如圖所示為一名宇航員“漂浮”在地球外層空間的照片，根據照片展示的情景提出兩個與物理知識有關的問題。（所提的問題可以涉及力學、電磁學、熱學、光學、原子物理等各個部分，只需要提出問題，不必作出回答和解釋）
解析：這是２０００年上海高考的一道開放性試題，答案開放不唯一,只要合理、符合要求即可,在此不作統一規定。
　
題２５．在月球上的宇航員，如果他已知月球半徑，且手頭有一質量為m的小球，他怎樣才能測出月球的質量？寫出月球質量的表達式．實驗中應選用哪些實驗器材？
解析：
方案一：
用測力計測出小球重力Ｗ，則月球表面重力加速度為g’．由萬有引力定律可得mg’＝Ｇ，得出月球質量Ｍ＝＝，在方案中，需要測力計．
方案二：
將小球從空中適當高處由靜止釋放，測出其下落高度（h）和下落時間（t），則有h＝g’t，得g’＝，由萬有引力定律得mg’＝Ｇ，月球的質量為Ｍ＝，此實驗方案中需要使用的測量工具有：卷尺、秒表。
題２６ 據報道，1992年7月，美國“阿特蘭蒂斯”號航天飛機進行了一顆衛星懸繩發電實驗，實驗取得了部分成功。航天飛機在地球赤道上空離地面約3000km處由東向西飛行，相對地面速度大約6.5× 103m／s，從航天飛機上向地心方向發射一顆衛星，攜帶一根長20km，電阻為800Ω的金屬懸繩，使這根懸繩與地磁場垂直，作切割磁感線運動，假定這一范圍內的地磁場是均勻的，磁感強度為4×10T，且認為懸繩上各點的切割速度和航天飛機的速度相同，根據理論設計，通過電離層(由等離子體組成)的作用，懸繩可產生約3A的感應電流，試求：
(1)金屬懸繩中產生的感應電動勢；
(2)懸繩兩端的電壓；
(3)航天飛機經地球運行一周懸繩輸出的電能。(已知地球半徑為6400km)
解析：本題情景新穎，猛一看似乎非常陌生，但通過聯想，便可轉化為學生所熟知的“發電機模型”；解答此題所需的知識——法拉第電磁感定律、閉合電路歐姆定律、能的轉化和守恒定律等，都是學生已具備的，此題堪稱一道典型的“起點高、落點低”的好題。
根據法拉第電磁感應定律，懸繩產生的電動勢：
ε＝Blv＝4×10×20×10×6.5×10＝5200V
懸繩兩端的電壓即路端電壓：
Ｕ＝ε－Ｉr＝５２００Ｖ－３×８００Ｖ＝２８００Ｖ
（３）根據能的轉化和守恒定律，懸繩輸出的電能等于外電路的電功，即
Ｗ＝ＵＩt＝ＵＩ．　＝７．６×１０Ｊ

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