专题研究神舟五号载人飞船.docx
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专题研究神舟五号载人飞船
专题研究——“神舟”五号载人飞船
2003年10月15日9时，我国自主研制的“神舟”五号载人飞船在酒泉卫星发射中心”用“长征”二号F运载火箭发射成功，将中国第一名航天员杨利伟送上太空，飞船准确进入预定轨道，2003年10月16日6时，“神舟”五号载人飞船在内蒙古主着陆场（东经111°29′、北纬42°06′）成功着陆，实际着陆点与理论着陆点相差4.8km，返回舱完好无损，航天员状况良好。
我们的航天英雄杨利伟自主出舱，凯旋而归。
我国首次载人航天飞行圆满成功。
这是我国进行的首次载人航天飞行，标志着中国载人航天工程取得历史性重大突破，中国已成为世界上继美、俄之后第三个能够独立开展载人航天活动的国家。
1.发射问题
[例5]“神舟”五号飞船的发射是使用“长征”二号F型运载火箭，其推力是六百多吨，自重全部加起来是四百多吨，与发射卫星和导弹相比，加速度小得多，这主要是为航天员的安全和舒适着想。
如果火箭加速度过大，航天员会感觉不舒适，甚至有生命危险。
问：
在加速上升过程中，宇航员处于什么状态？
飞船在发射升空时，如果宇航员是站立的，则他的心血管系统会受到何种影响？
飞船在发射升空时，你认为宇航员采取什么姿势为好？
[例6]飞船升空时有一个加速过程。
在加速过程中，宇航员处于超重状态。
人们把这种状态下宇航员对座椅的压力与静止在地球表面时的重力的比值，称为耐受力值，用k表示。
在选拔宇航员时，要求他们在此状态的耐受力值为4?
k?
12（这次飞行杨利伟的k值约为8），求飞船的竖直向上发射时加速度值的变化范围。
（地球表面的重力
2加速度g=10m/s）
2.变轨问题
[例7]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应该是（）
A.动能、重力势能和机械能逐渐减小
B.重力势能逐渐减小，动能增大，机械能不变
C.重力势能逐渐增大，动能减小，机械能不变
D.重力势能逐渐减小，动能增大，机械能逐渐减小
1
3.在轨运行问题
[例8]已知飞船在离地面高度为343km的轨道做匀速圆周运动，地球半径为
26400km，地球表面的重力加速度为g=9.8m/s，求飞船的速度。
（保留两位有效数字）
[例9]飞船进入轨道绕地球做圆周运动时，宇航员处于什么状态？
他对躺椅的压力
有多大？
65kg的宇航员在离觌面43km时的重力是多少？
（已知地球半径为6400km，地
2球表面的重力加速度为g=10m/s）。
[例10]2003年10月15日9时，杨利伟乘坐“神舟”五号飞船在酒泉卫星发射中心起飞，开始了这次环绕地球的太空之旅，飞船在近地的圆形轨道上飞行，离地面的高度大约340km，于16日6时许在内蒙古中部一处草原着陆。
飞船环绕地球飞行的过程中杨利伟
2看到日出日落的次数为多少次？
（已知地球半径为6400km，地球表面重力加速度g=10m/s）
4．返回问题
[例11]“神舟”五号飞船绕地球飞行14圈后，于2003年10月6日5时35分受到返回信号，5时38分发动机制动点火，通过喷气使飞船做减速运动，飞船应该向什么方向喷气？
减速过程中飞船的高度怎样变化？
[例12]“神舟”五号载人飞船返回过程中，在距地1.2m时，返回舱的底部4个反推发动机点火工作，主伞使返回舱约以7m/s的速度着陆，反推发动机工作以后，速度会降到2m/s左右，保证了航天员的安全着陆，计算体重为65kg的杨利伟在这个过程中受到座椅的平均冲击力。
2
点评：
“神舟”号系列飞船的成功发射与物理知识密切相关，特别是万有引力定律、
匀速圆周运动、超失重等，在分析与此有关的综合题时，要注意将实际问题转化为理想化的物理模型，然后运用合适的物理规律去处理。
阅读探究——“黑洞”天体
黑洞，是一种神气玄妙的天体，它的密度极大，对靠近它的物质（包括光线）有非
常强大的万有引力，使得一切物体（包括以3?
10m/s的高速度行进的光线）都没有足够的能量从它的表面逃逸。
我们可以利用前面学过的知识加以说明。
理论计算表明，人造卫星脱离地球的速度
v28s。
由此可知，天体的质量m?
越大，半径越小，其表面的物体就越不容易脱离它的束缚。
质量与太阳相近、半径只有10km左右的中子星，其脱离速度竟达1.6?
105s；质量与太阳相近，而半径与地球差不多的白矮星，其脱离速度也达6.5?
103。
设想如果某天体质量非常大，半径非常小，则其脱离速度有可能超过光速，即c。
爱因斯坦相对论指出，任何物体的速度都不可能超过光速。
由此可推
断，对这种天体来说，任何物体都不能逃脱它的束缚，甚至连光也不能射出。
这种天体就是近代引力理论所预言的一种特殊的天体——黑洞。
[例13]
已知物体从地球上的逃逸速度（第二宇宙速度）v2G、-11m′、R分别表示引力常量、地球质量、地球的半径。
已知G=6.67?
10Nm2kg2，
c?
2.9979?
108，求：
（1）
30逃逸速度大于真空中光速c的天体叫做黑洞。
设黑洞的质量等于太阳的质量1.98?
10kg，它的最大半径（这个半径叫Schwarzchild半径）可能为多少？
（2）在目前天文观测范围内，宇宙的平均密度为1?
10?
27如果认为宇kgm3。
宙是这样的一个均匀的大球体，其密度使得它的逃逸速度大于光在真空中的光速c，因此任何物体都不能脱离宇宙,宇宙的半径至少多大?
特别提示：
“光年”不是时间单位，而是长度单位。
1光年：
cT?
3?
10?
365?
8
24?
3600m?
9.46?
1015m。
3
[综合拓展]
一、研究天体运动的基本思路
无论是行星绕太阳的运动，还是卫星绕行星的运动，均把它们的运动看作是匀速圆周运动。
向心力由万有引力提供，可计算天体的密度，还可分析、比较天体运动的相关物理量，有时还需利用在地面上GMm=mg，R是地球半径，g是地面上重力加速度，这是R2
本单元的关键点，也是高考热点。
二、万有引力定律主要应用
（1）计算天体的密度、质量；
（2）研究人造卫星的线速度、角速度、周期等；
（3）研究有关同步卫星的知识；
（4）研究重力与加速度的变化；
（5）发现未知天体和黑洞。
[例14]“黑洞”是爱因斯坦的广义相对论中预言的一种特殊天体，它的密度极大，对周围的物质（包括光子）有极强的吸引力，根据爱因斯坦理论，光子是有质量的，光子到达黑洞表面时也有被吸入，恰能绕黑洞表面做圆周运动。
根据天文观测，银河系中心可能有一个黑洞，距该黑洞6.0?
10m的星体正以2.0?
106s的速度绕它旋转，据此估算该黑洞的最大半径是多少？
（保留一位有效数字）
[方法总结]：
分析本题要抓住黑洞之“黑“因：
光子也逃不出它的引力；光子绕黑洞做圆周运动的半径，即为黑洞的最大可能半径。
12
[活学活练]
[基础达标]
1、人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动的轨道半径是r，则卫星的速度v与r的关系和周期T与r的关系分别是（）
A.v与r成正比，T与r成正比
B.v
T
成正比C.v与r成反比，T与r成反比
D.v与r成反比，T与r成正比
2、关于第一宇宙速度，下列说法错误的是（）
A.它是人造地球卫星绕地球飞行的最小速度
B.它是人造地球卫星在近地圆形轨道上的运行速度
C.它是能使卫星进入近地圆形轨道的最小发射速度
D.它是卫星在椭圆轨道上运行时近地点的速度
4
3、关于绕地球做匀速圆周运动的人造地球卫星，以下判断正确的是（）Ａ.同一轨道上，质量大的卫星线速度大
Ｂ.同一轨道上，质量大的卫星向心加速度大
Ｃ.离地面越近的卫星线速度越大
Ｄ.离地面越远的卫星线速度越大
４、下面关于同步卫星的说法正确的是（）
Ａ.同步卫星和地球自转同步，卫星的高度和速率被确定
Ｂ.同步卫星的角速度已被确定，但高度和速率可以选择，高度增加，速率越大；高度降低，速率减小，仍同步
Ｃ.我国发射的第一颗人造地球卫星的周期是114min，比同步卫星的周期短，所以第一颗人造地球卫星离地面的高度比同步卫星低。
D.同步卫星的速率比我国发射的第一颗人造卫星的速率小
5、地球半径为R，地面的重力加速度为g，一卫星做匀速圆周运动，距地面的高度R，则该卫星的（）
A.线速度为
B.
C.加速度为g2D.
周期为26、下列关于地球同步通讯卫星的说法中，正确的是（）
A.为避免通讯卫星在轨道上相撞，必须使它们运行在不同的轨道上
B.通讯卫星定点在地球上空某处，各个通讯卫星的角速度相同，但线速度可以不同
C.不同国家发射通讯卫星的地点不同，这些卫星轨道不一定在同一平面内
D.通讯卫星只能运行在赤道上空某一恒定高度上
7、同步卫星离地心距离为r，运行速率为v1，加速度为a1，地球赤道上的物体随地球自转的加速度为a2，第一宇宙速度为v2，地球半径为R，则以下正确的是（）a1?
R?
2rA?
Ba2?
r?
a2Ra1
Cv1
v2?
v1rD.?
Rv28、若航天飞机在一段时间内保持绕地心做圆周运动，则（）
A.它的速度的不便
B.它不断克服克服地球对它的万有引力做功
C.它的动能不变
D.它的速度的大小不变，加速度等于零
9、两颗人造地球卫星A、B绕地球作圆周运动，周期之比为TA：
TB=1：
8，则轨道半径之比和运动速率之比分别为（）
A.RA：
RB=4：
1，vA：
vB=1：
2
B.RA：
RB=4：
1，vA：
vB=2：
1
C.RA：
RB=1：
4，vA：
vB=1：
2
D.RA：
RB=1：
4，vA：
vB=2：
1
a2b2c10、地球同步卫星到地心的距离r可由r=求出。
已知式中a的单位为m，b的单4π23
5
位是s，c的单位是m/s。
则（）
A.a是地球半径，b是地球自转周期，c是地球表面处的重力加速度
B.a是地球半径，b是同步卫星绕地心运动的周期，c是同步卫星的加速度
C.a是赤道周长，b是地球自转周期，c是同步卫星的加速度
D.a是地球半径，b是同步卫星绕地心运动的周期，c是地球表面处重力加速度
11、我国将要发射一颗绕月运行的探月卫星“嫦蛾1号”。
设该卫星的轨道是圆形的，且贴近月球表面。
已经月球的质量约为地球质量的1/81，月球繁荣半径约为地球半径的1/4，地球上的第一宇宙速度约为7.9km/s，则该探月卫星绕月运行的速率约为（）
A.0.4km/sB.1.8km/s
C.11km/sD36km/s
12、试图发射一颗绕地球做圆周运动的卫星，设地球半径为6400km，地球表面的重力加
2速度为9.8m/s，下列设想中可以实现的是（）
A.环绕速度为9.7km/sB.环绕速度为6.5km/s
C.周期为12hD.周期为1h
13、美国在2003年6月发射的火星探测器“勇气号”和“机遇号”于2004年1月相继在火星表面着陆成功。
下面关于火星探测器的发射原理，正确的说法有（）
A.发射速度只要大雨第一宇宙速度即可
B.发射速度要达到第三宇宙速度才可以
C.发射速度要大于第二宇宙速度，但不需要达到第三宇宙速度
D.发射后应使探测器进去一个椭圆轨道的人造行星轨道，它的远日点轨道和火星的运行
轨道相切，且和火星同时到达轨道上的切点附近位置
14、地球和月球的质量之比为81：
1，半径之比为4：
1，求在地球上和月球上发射卫星所需最小速度之比。
15、两个星球组成双星，它们在相互之间的万有引力作用下，绕连线上某点做周期相同的匀速圆周运动，现测得两星中心距离为R，其运动周期为T。
求两星的总质量。
[能力提升]
1、某人造地球卫星因受高空稀薄空气的阻力作用，绕地球的轨道会慢慢改变。
每次测量出的卫星的运动可近似看作圆周运动。
某次测量卫星的轨道半径为r1，后来变为r2，r2<r1。
以Ek1、Ek2表示卫星在这两个轨道上的动能，T1、T2表示卫星在这两个轨道上绕地球运动的周期，则（）2
6
A.Ek1<Ek2，T1<T2B.Ek1<Ek2，T1>T2
C.Ek1>Ek2，T1<T2D.Ek1>Ek2，T1>T2
2、“神舟”号飞船在离地面870km的高空轨道上运转十几圈，进行科学实验，已知地球的半径是6400km，则这时的卫星运行速度是多少？
3、一宇宙飞船飞近某一行星并进入靠近行星表面的圆形轨道，绕行数圈后着陆在该行星上。
宇宙飞船上备有以下实验仪器：
秒表、弹簧测力计、天平、砝码、刻度尺。
已知宇航员在绕行时和着陆后各做了一次测量，依据测量的数据可以求出该星球的质量M、密度?
及半径R（已知万有引力常量G），则两次测量所选用的器材是_________________________，两次测量的物理量分别是_________________________和_____________________________，由测量的量可得该星球的质量M=_______________，该星球的密度?
=_________________，该星球的半径R=__________________。
4、设想有一个宇航员在某行星的极地上着陆时，
发现物体在当地的重力是同一物体在地球上的重力的
0.01倍，而该行星一昼夜的时间与地球相同，物体
在它的赤道上时恰好完全失重。
若存在这样的星球，
它的半径有多大？
FN
5、1986年2月20日发射升空的“和平号”空间站，在服役15年后于2001年3月23日坠落在南太平洋。
“和平号”风风雨雨15年铸就了辉煌业绩，已成为航天史上的永恒篇章。
3“和平号”空间站总质量137吨，工作容积超过400m，是迄今为止人类探索太空规模
最大的航天器，有“人造天宫”之称。
在太空运行的这一“庞然大物”按照地面指令准确坠落在预定海域，这在人类历史上还是第一次。
“和平号”空间站正常运行时，距离地面的平均高度大约为350km。
为保证空间站最终安全坠落，俄罗斯航天局地面控制中心对空间站的运行做了精心安排和控制。
在坠落前空间站已经顺利进入了指定低空轨道，此时“和平号”距离地面的高度大约为240km。
在“和平号”沿指定的低空轨道运行时，其轨道高度平均每昼夜降低2.7km。
设“和平号”空间站正常运转时沿高度为350km圆形轨道运行，在坠落前沿高度为240km的指定圆形低空轨道运行，而且沿指定的低空轨道运行时，每运行一周空间站的高度变化很小，因此计算时对空间站的每一周的运动都可以看做匀速圆周运动处理。
（1）空间站沿正常轨道运行时的加速度与沿指定的低空轨道运行时加速度大小的比值多大？
计算结果保留2位有效数字。
（2）空间站沿指定的低空轨道运行时，每运行一周过程中空间站高度平均变化多大？
计算中取地球半径R=6.4?
10km，计算结果保留1位有效数字。
73
［真题再现］
1、可以发射一颗这样的人造地球卫星，使其圆轨道（）
A.与地球表面上某一纬度（非赤道）是共面的同心圆
B.与地球表面上某一经线所决定的是圆共面的同心圆
C.与地球表面上的赤道是共面的同心圆，且卫星相对地球表面是静止的
D.与地球表面上的赤道是共面的同心圆，且卫星相对于地球表面是运动的
2、一飞船在某行星表面附近沿圆轨道绕该行星飞行。
认为行星是密度均匀的球体。
要确定该行星的密度，只要测量（）
A.飞船的轨道半径B.飞船的运行速度
C.飞船的运行周期D.行星的质量
3、宇航员在月球上做自由落体实验，将某物体由距月球表面高h处释放，经时间t后落到月球表面（设月球半径为R）。
根据上述信息推断，飞船在月球表面附近绕月球做匀速圆周运动所必须具有的速率为（）
A.C.D.t
t
t
2t
4、如图所示，A是地球的同步卫星，另一卫星B的
圆形轨道位于赤道平面内，离地面高度为h，已知地球半
径为R，地球自转角速度为ω0，地球表面的重力加速度
为g，O为地球中心。
（1）求卫星Bde运动周期
（2）如卫星B绕行方向与地球自转方向相同，某时
刻A、B两卫星相距最近（O、B、A在同一直线上）。
则至
少经过多长时间，他们再一次相距最近？
5、神奇的黑洞是近代引力理论所预言的一种特殊天体，探寻黑洞的方案之一是观测双8
星系统的运动规律。
天文学家观测河外星系大麦哲伦云时，发现了LMCX－3双星系统，它由可见星A和不可见的暗星B构成。
两星视为质点，不考虑其他天体的影响，A、B围绕两者连线上的O点做匀速圆周运动，它们之间的距离保持不变，如图所示。
引力常量为G，由观测能够得到可见星A的速率v和运行周期T。
（1）可见星A所受暗星B的引力FA可等效为位于O点处质量为m′的星体（视为质点）对它的引力，设A和B的质量分别为m1、m2。
试求m′（用m1、m2表示）。
（2）求暗星B的质量m2与可见星A的速率v、运行周期T和质量m1之间的关系式。
（3）恒星演化到末期，如果其质量大于太阳质量ms的2倍，它将来可能成为黑洞。
若可见星A的速率v=2.7?
105s，运行周期T=4.7π?
10s，质量m1=6ms，试通过估算来判断暗星B有可能是黑洞吗？
（θG=6.67?
10－11N?
m2kg2,ms=2.0?
1030kg）
6、宇宙中存在一些离其他恒星较远的、由质量相等的三颗星组成的三星系统，通常可忽略其他星体对它们的引力作用。
已观测到稳定的三星系统存在两种基本的构成形式。
一种是三颗星位于同一直线上，两颗星围绕中央星在同一半径为R的圆轨道上运行；另一种形式是三颗星位于等边三角形的三个顶点上，并沿外接于等边三角形的圆形轨道运行。
设每个星体的质量均为m。
（1）试求第一种情况下，星体运动的线速度和周期。
（2）假设两种形式星体的运动周期相同，第二种情况下星体之间的距离应为多少？
7、某颗地球同步卫星正下方的地球表面上有一观察者，他用天文望远镜观察被太阳光照射的此卫星。
试问，春分那天（太阳光直射赤道）在日落后12小时内有多长时间该观察者看不见此卫星？
已知地球半径为R，地球表面的重力加速度为g，地球自转的周期为T，49
不考虑大气对光的折射。
8、在“勇气号”火星探测器着陆的最后阶段，探测器降落到火星表面上，再经过多次弹跳才停下来。
假设探测器第一次落到火星表面弹起后，到达最高点时高度为h，速度方向是水平的，速度大小为v0。
求它第二次落到火星表面时速度的大小。
计算时不计火星大气阻力，已知火星的一个卫星的圆轨道的半径为r，周期为T。
活性可视为半径为r0的均匀球体。
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