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第六讲 载人飞船工程中的物理知识
1. 声学
（1）在太空中没有空气，声音不能传播，宇航员与地面联系是通过电磁波来实现的。
（2）在返回舱内有空气，空气能传声，宇航员能正常对话，能听到机器工作时的噪音，所以睡觉时要戴专用耳塞，这是通过“在人耳处减弱”的途径减弱噪声的。
2. 光学
（1）在太空中看地球是一个蔚蓝色的星球，这是由于地球不是光源，同月亮一样反射太阳光形成的效果。在太空中看太阳，就只能看到黑暗太空中一个地别明亮的光球，周围却一片暗淡，这是因为太空中没有空气等物质散射光线。
（2）为了在黑暗中拍摄清晰返回地面的过程，采用了红外线拍摄，因为返回舱与空气剧烈摩擦后温度很高，发出的红外线很明显。
3. 热学
（1）能量转换：火箭上升段时，燃料的化学能转化为火箭的机械能和热能，且动能和重力势能不断增加；返回舱返回时机械能由于“摩擦生热”不断转化成热能，且动能和重力势能都在减小；飞船进入椭圆轨道后，在由近地点飞向远地点的过程中，飞船的动能不断减小，重力势能不断增加。
（2）火箭发射时，周围冒出大量的“白气”，这是因为火箭喷出的高温、高压的燃气能将附近所有物体熔化，为了避免这种破坏，科学家在发射台下设计了一个巨大的水池，利用水的比热容较大，不易升温，且水汽化时要吸收大量的热量，防止损坏发射台。
（3）返回舱返回时，由于与空气剧烈摩擦产生大量的热，为了防止烧坏船体，科学家在设计和制造时，除了选用耐高温的材料外，还在飞船外面覆盖了一层特殊的物质，这种物质在发生熔化、汽化和升华时会吸收大量的热，使返回舱的温度不致升得过高，保护了飞船和宇航员的安全。
4. 电学
（1）“神舟”飞船进入太空后会展开巨大的太阳能电池帆板，在面向太阳时将光能转化为电能供设备使用，同时储存一部分在蓄电池中（电能转化为化学能）；在没有阳光时，蓄电池放电供设备使用，将化学能转化为电能。
（2）天地间的通话是靠电磁波来实现的。我们看到宇航员与家人通话时略有延迟，是由于电磁波在天地间往返的路程较长（通过布置在各地的测控站间传递）引起的。
5. 力学
（1）在太空失重状态下，不能够使用的仪器有：天平、弹簧测力计测动（测拉力可以）、压强计、密度计等，但温度计、刻度尺、放大镜、电流表和电压表等仍能使用。在失重状态下浮力、液体压强将消失，在水中吹气泡，气泡将既不上升、也不下降。不能以正常方式喝水，只能通过塑料袋挤进口中……
（2）宇航员在太空漫步应穿上专用的宇航服，因为在太空没有空气，没有大气压，有强烈的紫外线辐射和易受太空垃圾的撞击等不适合人类生存的因素。
（3）火箭上升段，推力大于阻力和重力，做加速运动。返回舱返回时阻力大于重力，做减速运动。
6．嫦娥一号将受300℃温差和两次月食
初次奔月的“嫦娥”还会遭遇到“热问题”，需经历地球、奔月、月球及月食等多种热环境。
以前的卫星都是对地球进行探测，对地球的热环境经历得比较多，我们比较熟悉。但月球本身的热环境我们并不了解。而外部的热环境会影响到星上的热环境，同时嫦娥一号卫星本身设备的工作模式比较复杂，星上一会儿热一会儿冷，使得热控问题很突出。
嫦娥一号卫星两个小时左右绕月球转一圈，一小时有太阳照着，一小时被月亮挡住太阳。在太阳照着月亮的地方，温度有110摄氏度到130摄氏度，温度太高；暗的地方，温度一下掉到零下130摄氏度至零下180摄氏度，温差可以达到300摄氏度。但所有的仪器、工作状态都要适应这种变化。
在一年的工作寿命期内，“嫦娥一号”还不可避免的要经历两次月食，每次月食的有效阴影时间均在3小时左右。这对星上提供能量的蓄电池组的低温放电能力、温度维持能力以及各设备的低温耐受能力提出了更高要求。为确保能安全度过两次月食，卫星针对月食工况进行了充分试验。
目前月表环境的输入条件，我们认为已经突破了。对于星上工作模式复杂的情况，研制过程中也安排了几次大型实验，都是很长周期的，模拟月表环境，模拟在轨所有的可能，来验证星上温度能不能控制住。实验结果都满足要求。
一、“神舟五号”飞船中的物理问题
飞船在近地圆轨道上运行时，由于极稀薄的空气的影响，飞行高度会缓慢降低，需要进行多次轨道维持。轨道维持就是通过控制飞船上的发动机的点火时间和推力，使飞船能保持在同一轨道上稳定运行。2003年11月份，太阳风暴频发，太阳风暴使“神舟五号”轨道舱运行轨道上的稀薄大气密度增加，轨道舱飞行阻力加大，如果不进行轨道维持，飞船轨道舱的轨道高度就会逐渐降低，在这种情况下，飞船轨道舱的动能、重力势能和机械能变化的关系正确的是 （ ）
A．动能、重力势能和机械能逐渐减小
B．重力势能逐渐减小，动能逐渐增大，机械能不变
C．重力势能逐渐增大，动能逐渐减小，机械能不变
D．重力势能逐渐减小，动能逐渐增大，机械能逐渐减小
解析：空气阻力不断对飞船做负功，飞船的机械能减小；在轨道减小的过程中，除空气阻力做功外，地球对它的万有引力也做功，而且做正功，其功大于克服空气阻力做的功，所以卫星的动能增加，重力势能减小。
答案：D
练习题
1．绕轨道飞行的“神舟”五号飞船轨道舱内空间是微重力环境，理解正确的是（　　）
A．飞船内物体能漂浮在舱中，说明物体不受重力作用
B．飞船内物体所受的重力与在地面时相差非常大
C．飞船内物体也在绕地球做匀速圆周运动，地球对物体的万有引力恰好提供了它所需要的向心力
D．飞船内物体所受的重力比在地面时大
2．关于对“神舟五”飞船，下面说法不正确的是（　　）
A．火箭发射升空阶段，飞船内座椅对人的作用力大于人对座椅的作用力
B．火箭发射升空阶段，飞船内人对座椅的作用力大于人所受的重力
C．火箭发射的原理和我们过年时放“冲天炮”的原理一样，都利用了反冲运动
D．为了节省燃料，火箭在酒泉卫星发射中心升空后应向东南方向飞行
3．航天员若在轨道舱内长时期停留，需每天进行体育锻炼．下列器材适合航天员进行锻炼的是 （　　）
A．哑铃 B．弹簧拉力器 C．单杠 D．跑步机
4.“神舟五号”在载人航天飞船返回地球表面的过程中，在通过“黑障区”时会和地面失去了无线电联系，这是因为 （ ）
A．飞船加速度太大，减速太快 B．表面温度太高
C．和空气摩擦产生高温使易熔金属和空气形成等离子体层
D．为下落安全关闭无线电通讯系统
5．在“神舟”五号飞行中，由多个地面测控站和四艘“远望”号远洋航天测量船组成的测控网，对其进行了跟踪、测量与控制。这是利用了下列的那一种波？（　　）
A．超声波 B．次声波 C．微波 D．红外线
6．“神舟五号”飞船要从环绕轨道返回地面，必须让推进舱尾部，即喷气发动机喷嘴朝向飞行方向，点燃发动机制动．发动机关闭后一段时间，飞船速度_____________，高度_____________。
参考答案
1.C　　2.A　　3.B　　4.C　　5.C?　6.增大，降低
二、“神舟六号”飞船中的物理问题
2005年10月12日9时，我国再次进行载人航天试验，五天后，搭载着航天员聂海胜、费俊龙的神舟六号返回舱成功着路！
1．2005年10月12日9时零分零秒，发射神六飞船的长征二号F型运载火箭点火。火箭在点火4s后升空，轰鸣声回荡在戈壁滩上空。这是长征火箭第88次发射。飞船在脱离火箭之前，相对于_________是静止的。飞船返回舱在返回过程中，与大气层剧烈摩擦，机械能转变为_________，使船体外表变成一团火球。
2．神舟六号飞船在太空完成数百个运行动作，是通过喷射燃气来实现变轨（改变运行高度.运行方向）。这是运用了物理学中_______________________的原理。而太阳能帆板展开是为了________________________。
3．神舟六号飞船遨游太空搭载的8类64种物品中除了有中国载人航天办公室及有关系统的载人航天工程纪念品外，还有极地考察国旗、国际奥委会会旗、上海世界博览会会旗和“国防教育”、“见证中华腾飞”等旗帜，有《共和国元帅》特种邮票、《神舟六号》个性化邮票等邮品，有《跃马图》、《神州颂》、《和平颂》、《长征万里图》等书画名家的作品。在这些搭载物品中，生物菌种、植物组培苗和作物、植物、花卉种子等将用于太空育实试验。处于失重状态的种子，其质量和惯性如何变化。
4．神舟六号飞船返回舱减速降落的过程中，重力势能_________,机械能____
_____。
5．发射神舟六号飞船的燃料主要是液态氢，是因为它的________，返回舱在返回时，虽然表面与大气层剧烈摩擦，就象一个闪光的火球，但由于表面有一层叫“烧蚀层”的特殊物质在汽化时，能__________从而起到保护作用。
6．神舟六号飞船在轨道上正常飞行时处于“失重”状态，在这种环境下，以下哪个实验不能像在地面上一样正常进行（?　　?）
A、用刻度尺测长度　　　　　　B、用放大镜看物体
C、用平面镜改变光路　　　　　D、用测力计测物重。
7．神舟系列飞船的成功发射和顺利回收标志着我国载人航天技术的研究已经进入世界领先行列，我国飞行员登上月球即将成为现实。月球表面没有空气，它对物体的引力仅为地球的六分之一，月球表面没有磁场。根据这些特征，在月球上下列四种情况能做到的是（　　　）
A、用指南针定向　　　　　　　B、用电风扇吹风
C、举行露天演唱会　　　　　　D、用天平称质量。
8．从“神舟五号”到“神舟六号”，中国载人航天工程的每一次壮丽腾飞，有这样一种精神不断地震撼着人们的心灵──艰苦奋斗、勇于奉献。正是这种强大的精神力量，托举起了一个民族千年的飞天梦想。作为中华民族飞天梦想的实践者，费俊龙、聂海胜在太空中的一举一动，都吸引了亿万人的关注。神舟六号的成功发射和平安着陆，是中华民族在攀登世界科技高峰征程上完成的又一伟大壮举，标志着中华民族为人类探索太空的伟大事业做出了新的重大贡献。
（1）两位航天员在太空中要穿特制的宇航服，宇航服的作用很多，你能说出几点吗？
（2）请你说出火箭升空过程中的能量转化。
（3）分析发射台底受保护的原理。
（4）飞船在太空遨游，它是否受力的作用，为什么？
（5）生物对外界的刺激能产生相应的反应，这在生物上叫应激性。比如地面生长的植物，根向地生长，茎背地生长，这是对重力的适应。若在飞船上也有一棵树，将怎样生长，说说理由。
（6）在飞船的实验室里，仍然能够使用的仪器是 （?? ?）
A、密度计 B、无液温度计 C、天平 D、水银气压计
（7）如果在宇宙飞船上划燃火柴，火焰会立即熄灭，是因为（???）
A、氧气不够 ???? B、在失重状态下，空气不对流
C、达不到着火点 D、宇宙飞船上的温度低。
参考答案
1．火箭、热能 2．力能改变物体的运动方向和速度、太阳能转化为电能 3．保持不变 4．减小、减小 5．燃烧值高、吸收热量降低温度
6．D 7．D
8．（1）控温、抗辐射等 （2）化学能转化为机械能 （3）水汽化吸收大量的热 （4）受到，因为它不是匀速直线运动
（5）没有重力，根茎可能向任意方向生长 （6）B （7）B
综合试题
1. 2003年10月15日至16日，我国成功地发射并回收了“神舟五号”载人飞船。
（1）火箭发射时，高温的火焰向下喷射，大量的“白气”从发射台底部的大水池中涌出，这些“白气”是怎样产生的？
（2）返回舱返回地球时，在距地面1.2m高处，反冲发动机向地面喷火，飞船进一步减速，最后落地。请写出这一过程中包含的两条力学知识。
第一条：_______________________________________________
第二条：________________________________________________
2. “神舟”五号飞船在减速降落过程中，其减小的机械能转化为________能，能量的转化是通过________方式进行的。
3. 我国自行研制的“神舟五号”载人飞船发射后于2003年10月16日安全返回。在飞船飞行过程中，测控部门在国内外布设了由13个地面测控站、测控船组成的庞大测控网，对它进行连续跟踪和测控，跟踪和测控利用了（ ）
A. 超声波 B. 次声波
C. 无线电波 D. X射线
4. 2003年10月15日，我国成功发射“神舟五号”载人飞船，飞船随火箭一起离开发射塔飞向太空的过程中，下列表述错误错误的是（ ）
A. 飞船受到平衡力的作用
B. 火箭推力对飞船做了功
C. 飞船的动能和势能不断增加
D. 燃料的化学能最终转化为火箭的机械能
5. 若在太空飞行的“神舟五号”飞船的轨道舱中进行物理实验，下列仪器中①托盘天平、②摆钟、③电子秤、④电流表、⑤电压表、⑥放大镜、⑦密度计、⑧刻度尺，仍能正常使用的有（ ）
A. ①③⑥⑧ B. ②③⑦⑧
C. ②⑥⑦⑧ D. ④⑤⑥⑧
6. 2003年10月15日9时，随着火箭发动机的轰鸣，长征二号F运载火箭将我国第一艘载人航天飞船“神舟五号”送入太空，实现了中华民族五千年的飞天梦。小宇利用星期天到青岛会展中心观看了有关“神舟五号”的航天展，他搜集了一些问题：
（1） 长征二号F火箭：它的发动机工作时将内能转化为___________能。它是利用向后喷出气流而使自身受力前进的，这是运用了力的作用是___________的道理。
（2） 飞船上的太阳能电池翼是为飞船提供能源的装置。它的作用是将太阳能转化为___________能。
（3） 飞船的运行过程：飞船沿椭圆轨道围绕地球运行了14圈，轨道上离地面最近点200km，最远点350km。从远地点到近地点运行的过程中，飞船的速度__
_______，势能_________。（选填“变大”、“变小”或“不变”）
（4） 太空生活与工作：若不穿太空服，只带氧气瓶，航天员能否走出舱外？运用你所学的物理知识说出一条理由。答：_________（填“能”或“不能”）：因为舱外______________。
（5） 返回大气层：这时飞船与大气层发生剧烈摩擦，变成一个火球，将___________能转化为___________能，因此给飞船降温十分重要。一种重要的降温方式就是“烧蚀防热”：在飞船表面涂有一层高分子固体材料，让这些材料在发生物态变化时吸收热量。你认为可能发生的物态变化有______、______、______，理由是这些物态变化都是______过程。
（6） 降落：飞船距离地面15km时，速度达到200m/s。若不打开降落伞，则速度保持不变，飞船落到地面仅仅需要___________秒的时间。
综合试题 参考答案
1.（1）水池中的水遇到高温火焰汽化变成水蒸气，高温的水蒸气遇冷液化成小水珠形成“白气”。
（2）物体间力的作用是相互的；力可以改变物体的运动状态。
2．内（热） 做功
3．C
4．A
解析：飞船上升时，推力大于阻力和重力，做加速运动，同时推力对飞船做了功，飞船的动能和势能不断增加。从能量角度看，是燃料的化学能转化为了火箭的机械能。所以正确选项为A。
5．D
6．（1） 机械 相互 （2） 电 （3） 变大 变小
（4） 不能 有强烈的红外线辐射和无大气压
（5） 机械 内（热） 熔化 汽化 升华 吸热 （6） 75

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