專題研究——“神舟”五號載人飛船

1、專題研究“神舟”五號載人飛船2003年10月15日9時，我國自主研制的“神舟”五號載人飛船在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心”用“長征”二號F運載火箭發(fā)射成功，將中國第一名航天員楊利偉送上太空，飛船準(zhǔn)確進(jìn)入預(yù)定軌道，2003年10月16日6時，“神舟”五號載人飛船在內(nèi)蒙古主著陸場（東經(jīng)11129、北緯4206）成功著陸，實際著陸點與理論著陸點相差4.8km，返回艙完好無損，航天員狀況良好。我們的航天英雄楊利偉自主出艙，凱旋而歸。我國首次載人航天飛行圓滿成功。這是我國進(jìn)行的首次載人航天飛行，標(biāo)志著中國載人航天工程取得歷史性重大突破，中國已成為世界上繼美、俄之后第三個能夠獨立開展載人航天活動的國家。1. 發(fā)射問題

2、例5 “神舟”五號飛船的發(fā)射是使用“長征”二號F型運載火箭，其推力是六百多噸，自重全部加起來是四百多噸，與發(fā)射衛(wèi)星和導(dǎo)彈相比，加速度小得多，這主要是為航天員的安全和舒適著想。如果火箭加速度過大，航天員會感覺不舒適，甚至有生命危險。問：在加速上升過程中，宇航員處于什么狀態(tài)？飛船在發(fā)射升空時，如果宇航員是站立的，則他的心血管系統(tǒng)會受到何種影響？飛船在發(fā)射升空時，你認(rèn)為宇航員采取什么姿勢為好？ 例6 飛船升空時有一個加速過程。在加速過程中，宇航員處于超重狀態(tài)。人們把這種狀態(tài)下宇航員對座椅的壓力與靜止在地球表面時的重力的比值，稱為耐受力值，用k表示。在選拔宇航員時，要求他們在此狀態(tài)的耐受力值為（這次飛

3、行楊利偉的k值約為8），求飛船的豎直向上發(fā)射時加速度值的變化范圍。（地球表面的重力加速度g=10m/s2） 2. 變軌問題例7飛船在近地圓軌道上運行時，由于極稀薄的空氣的影響，飛行高度會緩慢降低，需要進(jìn)行多次軌道維持。軌道維持就是通過控制飛船上的發(fā)動機(jī)的點火時間和推力，使飛船能保持在同一軌道上穩(wěn)定運行。2003年11月份，太陽風(fēng)暴使“神舟”五號軌道艙運行軌道上的稀薄大氣密度增加，軌道艙飛行阻力加大，如果不進(jìn)行軌道維持，飛船軌道艙的軌道高度就會逐漸降低，在這種情況下，飛船軌道艙的動能、重力勢能和機(jī)械能變化的關(guān)系應(yīng)該是（ ）A .動能、重力勢能和機(jī)械能逐漸減小B .重力勢能逐漸減小，動能增大，機(jī)械

4、能不變C .重力勢能逐漸增大，動能減小，機(jī)械能不變D .重力勢能逐漸減小，動能增大，機(jī)械能逐漸減小 3. 在軌運行問題例8 已知飛船在離地面高度為343km的軌道做勻速圓周運動，地球半徑為6400km，地球表面的重力加速度為g=9.8m/s2，求飛船的速度。（保留兩位有效數(shù)字） 例9 飛船進(jìn)入軌道繞地球做圓周運動時，宇航員處于什么狀態(tài)？他對躺椅的壓力有多大？65kg的宇航員在離覿面43km時的重力是多少？（已知地球半徑為6400km，地球表面的重力加速度為g=10m/s2）。 例10 2003年10月15日9時，楊利偉乘坐“神舟”五號飛船在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心起飛，開始了這次環(huán)繞地球的太空之旅，飛

5、船在近地的圓形軌道上飛行，離地面的高度大約340km，于16日6時許在內(nèi)蒙古中部一處草原著陸。飛船環(huán)繞地球飛行的過程中楊利偉看到日出日落的次數(shù)為多少次？（已知地球半徑為6400km，地球表面重力加速度g=10m/s2） 4返回問題 例11 “神舟”五號飛船繞地球飛行14圈后，于2003年10月6日5時35分受到返回信號，5時38分發(fā)動機(jī)制動點火，通過噴氣使飛船做減速運動，飛船應(yīng)該向什么方向噴氣？減速過程中飛船的高度怎樣變化？ 例12 “神舟”五號載人飛船返回過程中，在距地1.2m時，返回艙的底部4個反推發(fā)動機(jī)點火工作，主傘使返回艙約以7m/s的速度著陸，反推發(fā)動機(jī)工作以后，速度會降到2m/s左

6、右，保證了航天員的安全著陸，計算體重為65kg的楊利偉在這個過程中受到座椅的平均沖擊力。 點評：“神舟”號系列飛船的成功發(fā)射與物理知識密切相關(guān)，特別是萬有引力定律、勻速圓周運動、超失重等，在分析與此有關(guān)的綜合題時，要注意將實際問題轉(zhuǎn)化為理想化的物理模型，然后運用合適的物理規(guī)律去處理。閱讀探究“黑洞”天體 黑洞，是一種神氣玄妙的天體，它的密度極大，對靠近它的物質(zhì)（包括光線）有非常強(qiáng)大的萬有引力，使得一切物體（包括以的高速度行進(jìn)的光線）都沒有足夠的能量從它的表面逃逸。我們可以利用前面學(xué)過的知識加以說明。理論計算表明，人造衛(wèi)星脫離地球的速度等于第一宇宙速度的倍，即。由此可知，天體的質(zhì)量越大，半徑越小

7、，其表面的物體就越不容易脫離它的束縛。質(zhì)量與太陽相近、半徑只有10km左右的中子星，其脫離速度竟達(dá)；質(zhì)量與太陽相近，而半徑與地球差不多的白矮星，其脫離速度也達(dá)。設(shè)想如果某天體質(zhì)量非常大，半徑非常小，則其脫離速度有可能超過光速，即。愛因斯坦相對論指出，任何物體的速度都不可能超過光速。由此可推斷，對這種天體來說，任何物體都不能逃脫它的束縛，甚至連光也不能射出。這種天體就是近代引力理論所預(yù)言的一種特殊的天體黑洞。例13 已知物體從地球上的逃逸速度（第二宇宙速度），式中G 、m、R分別表示引力常量、地球質(zhì)量、地球的半徑。已知，求：（1） 逃逸速度大于真空中光速c的天體叫做黑洞。設(shè)黑洞的質(zhì)量等于太陽的質(zhì)

8、量1.98，它的最大半徑（這個半徑叫Schwarzchild半徑）可能為多少？（2） 在目前天文觀測范圍內(nèi)，宇宙的平均密度為。如果認(rèn)為宇宙是這樣的一個均勻的大球體，其密度使得它的逃逸速度大于光在真空中的光速c，因此任何物體都不能脫離宇宙,宇宙的半徑至少多大?特別提示：“光年”不是時間單位，而是長度單位。1光年：。 綜合拓展一、 研究天體運動的基本思路無論是行星繞太陽的運動，還是衛(wèi)星繞行星的運動，均把它們的運動看作是勻速圓周運動。向心力由萬有引力提供，可計算天體的密度，還可分析、比較天體運動的相關(guān)物理量，有時還需利用在地面上，R是地球半徑，g是地面上重力加速度，這是本單元的關(guān)鍵點，也是高考熱點。

9、二、 萬有引力定律主要應(yīng)用（1） 計算天體的密度、質(zhì)量；（2） 研究人造衛(wèi)星的線速度、角速度、周期等；（3） 研究有關(guān)同步衛(wèi)星的知識；（4） 研究重力與加速度的變化；（5） 發(fā)現(xiàn)未知天體和黑洞。例14 “黑洞”是愛因斯坦的廣義相對論中預(yù)言的一種特殊天體，它的密度極大，對周圍的物質(zhì)（包括光子）有極強(qiáng)的吸引力，根據(jù)愛因斯坦理論，光子是有質(zhì)量的，光子到達(dá)黑洞表面時也有被吸入，恰能繞黑洞表面做圓周運動。根據(jù)天文觀測，銀河系中心可能有一個黑洞，距該黑洞m的星體正以的速度繞它旋轉(zhuǎn)，據(jù)此估算該黑洞的最大半徑是多少？（保留一位有效數(shù)字） 方法總結(jié)：分析本題要抓住黑洞之“黑“因：光子也逃不出它的引力；光子繞黑洞

10、做圓周運動的半徑，即為黑洞的最大可能半徑?；顚W(xué)活練基礎(chǔ)達(dá)標(biāo)1、人造地球衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動的軌道半徑是r，則衛(wèi)星的速度v與r的關(guān)系和周期T與r的關(guān)系分別是（）A .v與r成正比，T與r成正比B .v與成正比，T與成正比C .v與r成反比，T與r成反比D .v與r成反比，T與r成正比2、關(guān)于第一宇宙速度，下列說法錯誤的是（ ）A .它是人造地球衛(wèi)星繞地球飛行的最小速度B .它是人造地球衛(wèi)星在近地圓形軌道上的運行速度C .它是能使衛(wèi)星進(jìn)入近地圓形軌道的最小發(fā)射速度D .它是衛(wèi)星在橢圓軌道上運行時近地點的速度3、關(guān)于繞地球做勻速圓周運動的人造地球衛(wèi)星，以下判斷正確的是（）.同一軌道上，質(zhì)量大的衛(wèi)

11、星線速度大.同一軌道上，質(zhì)量大的衛(wèi)星向心加速度大.離地面越近的衛(wèi)星線速度越大.離地面越遠(yuǎn)的衛(wèi)星線速度越大、下面關(guān)于同步衛(wèi)星的說法正確的是（）.同步衛(wèi)星和地球自轉(zhuǎn)同步，衛(wèi)星的高度和速率被確定.同步衛(wèi)星的角速度已被確定，但高度和速率可以選擇，高度增加，速率越大；高度降低，速率減小，仍同步.我國發(fā)射的第一顆人造地球衛(wèi)星的周期是114min，比同步衛(wèi)星的周期短，所以第一顆人造地球衛(wèi)星離地面的高度比同步衛(wèi)星低。D.同步衛(wèi)星的速率比我國發(fā)射的第一顆人造衛(wèi)星的速率小5、地球半徑為R，地面的重力加速度為g，一衛(wèi)星做勻速圓周運動，距地面的高度R，則該衛(wèi)星的（ ）A. 線速度為 B.角速度為C. 加速度為 D.

12、周期為6、下列關(guān)于地球同步通訊衛(wèi)星的說法中，正確的是（ ）A. 為避免通訊衛(wèi)星在軌道上相撞，必須使它們運行在不同的軌道上B. 通訊衛(wèi)星定點在地球上空某處，各個通訊衛(wèi)星的角速度相同，但線速度可以不同C. 不同國家發(fā)射通訊衛(wèi)星的地點不同，這些衛(wèi)星軌道不一定在同一平面內(nèi)D. 通訊衛(wèi)星只能運行在赤道上空某一恒定高度上7、同步衛(wèi)星離地心距離為r，運行速率為v1，加速度為a1，地球赤道上的物體隨地球自轉(zhuǎn)的加速度為a2，第一宇宙速度為v2，地球半徑為R，則以下正確的是（ ）A B C D .8、若航天飛機(jī)在一段時間內(nèi)保持繞地心做圓周運動，則（ ）A. 它的速度的不便B. 它不斷克服克服地球?qū)λ娜f有引力做功

13、C. 它的動能不變D. 它的速度的大小不變，加速度等于零9、兩顆人造地球衛(wèi)星A、B繞地球作圓周運動，周期之比為TA：TB=1：8，則軌道半徑之比和運動速率之比分別為（ ）A. RA：RB=4：1，vA ：vB=1：2B. RA：RB=4：1，vA ：vB=2：1C. RA：RB=1：4，vA ：vB=1：2D. RA：RB=1：4，vA ：vB=2：110、地球同步衛(wèi)星到地心的距離r可由求出。已知式中a的單位為m，b的單位是s，c的單位是m/s2。則（ ）A. a是地球半徑，b是地球自轉(zhuǎn)周期，c是地球表面處的重力加速度B. a是地球半徑，b是同步衛(wèi)星繞地心運動的周期，c是同步衛(wèi)星的加速度C.

14、a是赤道周長，b是地球自轉(zhuǎn)周期，c是同步衛(wèi)星的加速度D. a是地球半徑，b是同步衛(wèi)星繞地心運動的周期，c是地球表面處重力加速度11、我國將要發(fā)射一顆繞月運行的探月衛(wèi)星“嫦蛾1號”。設(shè)該衛(wèi)星的軌道是圓形的，且貼近月球表面。已經(jīng)月球的質(zhì)量約為地球質(zhì)量的1/81，月球繁榮半徑約為地球半徑的1/4，地球上的第一宇宙速度約為7.9km/s，則該探月衛(wèi)星繞月運行的速率約為（ ）A . 0.4km/s B . 1.8km/sC .11km/s D 36km/s12、試圖發(fā)射一顆繞地球做圓周運動的衛(wèi)星，設(shè)地球半徑為6400km，地球表面的重力加速度為9.8m/s2，下列設(shè)想中可以實現(xiàn)的是（ ）A.環(huán)繞速度為9

15、.7km/s B.環(huán)繞速度為6.5km/sC.周期為12h D.周期為1h13、美國在2003年6月發(fā)射的火星探測器“勇氣號”和“機(jī)遇號”于2004年1月相繼在火星表面著陸成功。下面關(guān)于火星探測器的發(fā)射原理，正確的說法有（ ）A. 發(fā)射速度只要大雨第一宇宙速度即可B. 發(fā)射速度要達(dá)到第三宇宙速度才可以C. 發(fā)射速度要大于第二宇宙速度，但不需要達(dá)到第三宇宙速度D. 發(fā)射后應(yīng)使探測器進(jìn)去一個橢圓軌道的人造行星軌道，它的遠(yuǎn)日點軌道和火星的運行軌道相切，且和火星同時到達(dá)軌道上的切點附近位置14、地球和月球的質(zhì)量之比為81：1，半徑之比為4：1，求在地球上和月球上發(fā)射衛(wèi)星所需最小速度之比。15、兩個星球

16、組成雙星，它們在相互之間的萬有引力作用下，繞連線上某點做周期相同的勻速圓周運動，現(xiàn)測得兩星中心距離為R，其運動周期為T。求兩星的總質(zhì)量。 能力提升1、某人造地球衛(wèi)星因受高空稀薄空氣的阻力作用，繞地球的軌道會慢慢改變。每次測量出的衛(wèi)星的運動可近似看作圓周運動。某次測量衛(wèi)星的軌道半徑為r1，后來變?yōu)閞2，r2r1。以Ek1、Ek2表示衛(wèi)星在這兩個軌道上的動能，T1、T2表示衛(wèi)星在這兩個軌道上繞地球運動的周期，則（ ）A. Ek1Ek2 ，T1T2 B. Ek1T2 C. Ek1Ek2 ，T1Ek2 ，T1T2 2、“神舟”號飛船在離地面870km的高空軌道上運轉(zhuǎn)十幾圈，進(jìn)行科學(xué)實驗，已知地球的半徑

17、是6400km，則這時的衛(wèi)星運行速度是多少？3、一宇宙飛船飛近某一行星并進(jìn)入靠近行星表面的圓形軌道，繞行數(shù)圈后著陸在該行星上。宇宙飛船上備有以下實驗儀器：秒表、彈簧測力計、天平、砝碼、刻度尺。已知宇航員在繞行時和著陸后各做了一次測量，依據(jù)測量的數(shù)據(jù)可以求出該星球的質(zhì)量M、密度及半徑R（已知萬有引力常量G），則兩次測量所選用的器材是_，兩次測量的物理量分別是_和_，由測量的量可得該星球的質(zhì)量M=_，該星球的密度=_，該星球的半徑R=_。 4、設(shè)想有一個宇航員在某行星的極地上著陸時，發(fā)現(xiàn)物體在當(dāng)?shù)氐闹亓κ峭晃矬w在地球上的重力的0. 01倍，而該行星一晝夜的時間與地球相同，物體在它的赤道上時恰好完

18、全失重。若存在這樣的星球，它的半徑有多大？5、1986年2月20日發(fā)射升空的“和平號”空間站，在服役15年后于2001年3月23日墜落在南太平洋。“和平號”風(fēng)風(fēng)雨雨15年鑄就了輝煌業(yè)績，已成為航天史上的永恒篇章?！昂推教枴笨臻g站總質(zhì)量137噸，工作容積超過400m3，是迄今為止人類探索太空規(guī)模最大的航天器，有“人造天宮”之稱。在太空運行的這一“龐然大物”按照地面指令準(zhǔn)確墜落在預(yù)定海域，這在人類歷史上還是第一次。“和平號”空間站正常運行時，距離地面的平均高度大約為350km。為保證空間站最終安全墜落，俄羅斯航天局地面控制中心對空間站的運行做了精心安排和控制。在墜落前空間站已經(jīng)順利進(jìn)入了指定低空軌

19、道，此時“和平號”距離地面的高度大約為240km。在“和平號”沿指定的低空軌道運行時，其軌道高度平均每晝夜降低2.7km。設(shè)“和平號”空間站正常運轉(zhuǎn)時沿高度為350km圓形軌道運行，在墜落前沿高度為240km的指定圓形低空軌道運行，而且沿指定的低空軌道運行時，每運行一周空間站的高度變化很小，因此計算時對空間站的每一周的運動都可以看做勻速圓周運動處理。（1） 空間站沿正常軌道運行時的加速度與沿指定的低空軌道運行時加速度大小的比值多大？計算結(jié)果保留2位有效數(shù)字。（2） 空間站沿指定的低空軌道運行時，每運行一周過程中空間站高度平均變化多大？計算中取地球半徑，計算結(jié)果保留1位有效數(shù)字。 真題再現(xiàn)1、可

20、以發(fā)射一顆這樣的人造地球衛(wèi)星，使其圓軌道（ ）A. 與地球表面上某一緯度（非赤道）是共面的同心圓B. 與地球表面上某一經(jīng)線所決定的是圓共面的同心圓C. 與地球表面上的赤道是共面的同心圓，且衛(wèi)星相對地球表面是靜止的D. 與地球表面上的赤道是共面的同心圓，且衛(wèi)星相對于地球表面是運動的 2、一飛船在某行星表面附近沿圓軌道繞該行星飛行。認(rèn)為行星是密度均勻的球體。要確定該行星的密度，只要測量（ ）A.飛船的軌道半徑 B.飛船的運行速度C.飛船的運行周期 D.行星的質(zhì)量 3、宇航員在月球上做自由落體實驗，將某物體由距月球表面高h(yuǎn)處釋放，經(jīng)時間t后落到月球表面（設(shè)月球半徑為R）。根據(jù)上述信息推斷，飛船在月球

21、表面附近繞月球做勻速圓周運動所必須具有的速率為（ ）A. B. C. D. 4、如圖所示，A是地球的同步衛(wèi)星，另一衛(wèi)星B的圓形軌道位于赤道平面內(nèi)，離地面高度為h，已知地球半徑為R，地球自轉(zhuǎn)角速度為0，地球表面的重力加速度為g，O為地球中心。（1） 求衛(wèi)星Bde運動周期（2） 如衛(wèi)星B繞行方向與地球自轉(zhuǎn)方向相同，某時刻A、B兩衛(wèi)星相距最近（O、B、A在同一直線上）。則至少經(jīng)過多長時間，他們再一次相距最近？ 5、神奇的黑洞是近代引力理論所預(yù)言的一種特殊天體，探尋黑洞的方案之一是觀測雙星系統(tǒng)的運動規(guī)律。天文學(xué)家觀測河外星系大麥哲倫云時，發(fā)現(xiàn)了LMCX3雙星系統(tǒng)，它由可見星A和不可見的暗星B構(gòu)成。兩星視為質(zhì)點，不考慮其他天體的影響，A、B圍繞兩者連線上的O點做勻速圓周運動，它們之間的距離保持不變，如圖所示 。引力常量為G，由觀測能夠得到可見星A的速率v和運行周期T。（1） 可見星A