高三物理以“神舟六号”宇宙飞船为背景的物理试题赏析

以“神舟六号”宇宙飞船为背景的物理试题赏析

重庆市黔江中学校 朱宗华 邮编 409000

“神舟”号系列飞船的发射与回收成功，使我国成为世界上第三个能够成功发射与回收载人飞船的国家之一。表明我国载人航天工程技术日臻成熟，为最终实现载人飞行奠定了坚实基础。同时，利用飞船开展的对地观测、空间材料科学、生命科学及空间环境探测等一系列空间科学实验，进行多学科、大规模和前沿性的空间科学与应用研究，标志着我国空间科学研究和空间资源的开发进入了新的发展阶段。航空航天是一个涉及物理、化学、生物、天文、地理、工程、气象等多学科的综合性工程，在目前考试模式下，以“神舟号”宇宙飞船为背景的物理试题无疑成为全国高考考生关注的焦点和热点，笔者通过查阅有关资料，收集整理出如下试题奉献给广大师生，以期抛砖引玉，仅供参考。

背景资料回放

２００５年金秋十月神州大地一片欢腾，中国载人航天成就举世瞩目．继神舟五号圆满进行首次载人航天飞行后，神舟六号载人航天飞行又取得了圆满成功．“神六”载人飞船于2005年10月12日9时在酒泉载人航天城发射场由“长征二号F ”大推力运载火箭发射升空．飞船载着费俊龙、聂海胜两位航天员，按预定轨道在太空飞行5天约115小时，环绕地球76圈后，于2005年10月17日4时33分，在内蒙古中部草原安全着陆．“神六”飞行任务的顺利实施和圆满完成，表明中国完全有能力独立自主地攻克尖端技术，在世界高科技领域占有一席之地，使我国成为继前苏联和美国之后的航天大国．以“神舟”六号载人航天飞船为背景题材，围绕“神舟”飞船的发射、运行、返回等几个方面可编制如下的物理学科内综合能力题，可以帮助同学们培养航天科学兴趣，强化中学物理基础知识，提高应用意识，培养分析问题、解决问题的综合能力．已知地球半径R=6400km ，第一宇宙速度为7.9km/s

一、宇航员的选拔

题１ 为了使飞船顺利升空，飞船需要一个加速过程．人们把飞船加速时宇航员对座椅的压力与其静止在地球表面时所受重力的比值，称为耐受力值，用ｋ表示．在选拔宇航员时，要求他在此状态下的耐受力值为4≤ｋ≤12．宇航员费俊龙、聂海胜的ｋ值为１０．

(1) 设宇航员的质量为m ，加速上升的加速度为α试求ｋ的表达式及飞船发射时的加速度值的变化范围．

(2)当飞船沿竖直方向加速升空时，宇航员需要承受巨大的压力．求在他们能够承受的最大压力情况下，飞船的加速度最大是多少?

解析：(1)宇航员对座椅的压力为kmg F N =

牛顿第三定律可知，座椅对宇航员的支持力为kmg F N =/

根据牛顿第二定律，得ma mg F N =-/

，ａ＝（ｋ－１）ｇ

所以 k=1+α/g ，30m/s 2≤α≤ 110m/s 2

(2)由题意将ｋ＝１０代入ａ＝（ｋ－１）ｇ中得ａ＝９０ｍ／ｓ2 二、飞船的发射

题２ “神舟”号系列飞船为何选在夜晚或凌晨发射?

解析:航天发射是一项极其复杂和庞大的系统工程,飞船发射时机的选择要考虑到各种各样可能影到发射的因素,其中,气象因素往往是最关键最直接的决定因素.在综合考虑判断的基础上,最终确定下来的

一天中的某一个时间段会作为飞船发射的时机,这个时间段被称为“发射窗口”。“神舟”号飞船的发射

窗口之所以选择在夜晚而不是白天，最重要的原因是便于飞船发射升空时，地面的光学跟踪测量设备易

于捕捉到跟踪目标。

题３ 简述将“神舟六号”无人航天试验飞船送入太空的“长征二号F ”捆绑式大推力运载火箭发

射的物理原理和提高火箭最终速度的因素.

解析：（１）火箭点燃后生成的气体以很大的速度向后喷出，根据动量守恒，火箭向前做反冲运动；

（２）提高火箭最终速度的因素，一方面是喷气速度，另一方面是火箭开始飞行时的质量与燃料烧尽时

的质量之比，喷气速度越大，质量比越大，火箭最终速度越大。

题４ “神舟六号”飞船发射升空时，火箭内测试仪平台上放一个压力传感器，传感器上面压着一个质量为ｍ的物体，火箭点火后从地面向上加速升空，当升到某一高度时，加速度为2

0g a =，压力传感器此时显示出物体对平台的压力为点火前压力的

16

17，已知地球的半径为R ，0g 为地面附近的重力加速度，试求此时火箭离地面的高度． 解析：设此时火箭升空高度为ｈ，此处重力加速度为/g ，则有：

ma mg F =-/ 再根据万有引力定律：/2)(mg h R Mm G =+

得：02/2)(g R g h R =+ 而 2

0g a =，01617mg F = 所以 3R h = 题５ 载人航天飞船在发射升空和降落时，如果宇航员保持直立的姿态，则他的心血管系统会受到

何种影响？你认为宇航员应采取什么姿态？

解析：飞船在发射升空和降落的一段时间内处于超重状态，在超重状态下，人直立，头部血液会流

向下肢，血液淤积在下肢静脉中，影响血液回流心脏，造成头部供血不足，引起头晕，视物模糊，反应

迟钝，操纵准确度下降；重则意志丧失，完全失去控制飞船的能力，因此宇航员在发射和降落阶段应采

取平卧方式。

题６（１）图中A 为某火箭发射场，Ｂ为山区，Ｃ为城市。发射场正在进行某型号火箭的发射试验。

该火箭起飞时的质量为２．０２×１０6Ｋg ，起飞推力为２．７５×１０6Ｎ，火箭发射塔高１００m ，

则该火箭起飞时的加速度大小为多少m/s 2？。在火箭推

力不变的情况下，若不考虑空气阻力及火箭质量的变化，

火箭起飞后，经多少秒钟飞离火箭发射塔。（参考公式及

常数：Ｆ合＝ma ，Ｖt ＝Ｖ0＋at ，s=Ｖ0t ＋

2

1at 2，g ＝９．８m/s 2）

（２）为了转播火箭发射的实况，在发射场建立了发射台用于广播与电视信号．已知传输无线电广播

所用的电磁波波长为５５０m ，而传输无线电广播所用的电磁波波长为０．５６６m ，为了不让山区挡住

信号的传播，使城市居民和收看火箭发射的实况，必须通过建在山顶上的转发站来转发____________（选

填：无线电广播信号或电视信号）．这是因为：______________________．解析根据物理知识很容易得答案分别为：

（１）３．８１m/s2；７．２５s

（２）电视信号的波长短，沿直线传播，受山坡阻挡，不易衍射三、火箭能源

题７作为火箭推进器，最理想的是利用反物质，如正负电子的湮灭（0

1-e+0

1+

e=2γ）时产生巨大的

能量，依此类推，试问１Ｋgα粒子和它的反物质，湮灭时能产生多小焦耳的能量？

解析：依题意，α粒子和它的反物质湮灭时的质量亏损△m=２Ｋg,

由爱因斯坦质能方程，有

Ｅ＝△mc2=２×(3×108)2 =1.8×1017J

四、太空实验

题８．费俊龙和聂海胜两名航天员乘坐神舟六号飞船在酒泉卫星发射中心起飞，开始环绕地球的大空之旅，神舟六号飞据在距地面343Ｋｍ轨道上运动．下列说法正确的是( )

Ａ．宇航员在飞船内无法使用水银体温计

Ｂ．宇航员在飞船内无法正常行走

Ｃ．宇航员在飞船内无法使用弹簧拉力器

Ｄ．宇航员在飞船内无法使用弹簧秤测量物体重力

解析温度计原理是“热胀冷缩”，与失重无关，(A)错；由于在宇宙飞船中处于完全失重状态，人与地板无摩擦力，不能正常行走，(B)正确；完全失重时重物对弹簧秤无拉力，(D)正确；在失重的环境中可以用手拉弹簧拉力器，(C)错．本题答案为Ｂ、Ｄ．

题９．在绕地球圆周运动的神舟六号飞船上不能正常使用的仪器有( )

Ａ．液体密度计Ｂ．指南针电磁器Ｃ．打点计时器Ｄ．天平

解析：宇宙飞船绕地球作匀速圆周运动时，所受地球的引力完全用来提供向心力．向心加速度即飞船所在位置的重力加速度，竖直向下指向地心(即轨道的圆心)，所以飞船内是完全失重的环境．由于物体在宇宙飞船中处于完全失重状态，液体浮力等于零，故液体密度计不能使用，不能选(A)项．天平利用的是力矩平衡原理，在失重的环境下处于随遇平衡状态，不能选(D)项．指南针和电磁打点计时器靠磁场力作用，不受失重环境的影响，故本题答案为(B)(C)．

题１０．2005年10月13日航天员在绕地球圆周运动的神舟六号上进行了预定的科学试验．下面是一中学生设想的在飞船中进行的高中物理部分实验，可行的是( )

(A)用单摆测定重力加速度

(B)用弹簧秤验证力的平行四边形定则

(C)研究平抛物体的运动

(D)验证机械能守恒定律

解析宇宙飞船绕地球作匀速圆周运动时，所受地球的引力完全用来提供向心力．向心加速度即飞船所在位置的重力加速度，竖直向下指向地心(即轨道的圆心)，所以飞船内是完全失重的环境．所以A、C、D均不可行．本题答案为Ｂ．

题１１．在环绕轨道飞行的“神舟”六号飞船轨道舱内空间是微重力环境，正确的理解是（）Ａ．飞船内物体所受的重力远比在地面时小，可以忽略.

Ｂ．飞船内物体所受的重力与在地面时比相比不会是数量级上的差别.

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．飞船内物体能漂浮在舱内，好象重力消失了一样.

答案:Ｄ

题１２．航天飞船内有一个“晶体”舱，主要用于材料的研究和加工，如制造晶体。制得的晶体纯

度与大小远远优于地球上所得的晶体，其主要原因可能是：

Ａ、由于有宇宙射线的作用。 Ｂ、由于处于失重状态，微粒分布特别均匀

Ｃ、微粒间失去相互作用。 Ｃ、微粒的大小发生了根本的变化

答案: Ｂ

题１３． 宇宙飞船可用于探测和获取海洋、大气和陆地有关的降水、积雪、土壤水分、海面高度、

大洋环流以及海面风速、风向等信息。这一研究是利用微波的什么性质？

解析：地球有60%～70%被云层覆盖，多模态微波遥感器利用了微波波长，易发生干涉、衍射、反射，

因此不论刮风下雨和白天黑夜多模态微波遥感器都能全天工 作，弥补了可见光、红外线技术在恶劣天气下不能工作等缺陷

题１４． 2005年10月14日16点30分，神舟六号航天员费俊在飞船上翻了4个筋斗大约用了3

分钟，此时神舟六号飞船正在距地面343形轨道上绕地球做匀速圆周运动，试计算他翻一个筋斗飞船运

动的路程．

（已知地球半径为6400Ｋｍ，地球表面重力加速度g ＝１０ｍ／ｓ2

）

解析 设飞船的运行速度为，飞船做圆周运动的向心力由万有引力提供，即： r v m r

Mm G 2

2= 又因mg R Mm G =2，所以s Km r

gR v /8.72== 翻一个筋斗飞船运行的距离为Km vt s 3518.74180=?=

= 五、飞船的运行、变轨及对接

题１５．据西安测控中心提供的精确变轨参数，“神舟六号”飞船运动在轨道倾角为４２．４0

，近

地点Ｑ度为200km ，远地点Ｐ度为343km 的椭圆轨道上．“神舟六号”飞船运动至第5圈时，要对飞船

实施变轨控制，使飞船由入轨时的椭圆轨道，进入圆轨道．实施变轨后，进入343km 高的近地圆轨道，

如图所示．不考虑稀薄气体的影响，下列判断正确的是( )

Ａ．飞船由Q 向Ｐ行时速度变小

B ．飞船由Ｑ向Ｐ飞行时速度变大

C ．飞船在轨道2上Ｐ时的加速度比飞船在轨道1上Ｐ时的加速度大

D ．飞船在轨道2上Ｐ时的速度比飞船在轨道1上Ｐ时的速度大

Ｅ．在椭圆轨道1上运动时不受地球的引力作用

Ｆ．在轨道2上运动的周期为24h

解析：飞船由Ｑ向Ｐ飞行时，所受万有引力与速度方向成钝角，飞船做减速运动，所以速度变小，

选项A 正确．飞船在轨道2上Ｐ和飞船在轨道l 上Ｐ时受力情况一样，只受万有引力作用，所以加速度m

F a =一样的，飞船要由轨道1上点Ｐ进入到轨道2上，需要做离心运动，即要向后喷气以增大速度．飞船在椭圆上运动仍然受到地球的万有引力，选项Ｅ错；；神舟六号飞船在轨道2上离地高度为343Ｋｍ不

是在同步卫星轨道上运行，其周期不等于24h ．所以，正确答案为A 、D

题16．神舟六号载入飞船在绕地球飞行的第5圈进行变轨，由原来的椭圆轨道变为距地面高ｈ＝３４３km 的圆形轨道。已知地球半径R=6.37×103km ，地面处的重力加速度g=10m/s 2。试导出飞船在上述圆轨道上运行的周期T 的公式（用h 、R 、g 表示），然后计算周期T 的数值（保留两位有效数字）。 解析：

设地球质量为M ，飞船质量为m ，速度为v ，圆轨道的半径为r ，由万有引力和牛顿第二定律，有 r v m r

Mm G 2

2== v r T π2=

地面附近 mg R Mm G =2

由已知条件 r ＝R ＋h

解以上各式得 g R h R T 23)(2+=π 代入数值，得 T=5.4×103s

例１７．飞船在近地圆轨道上运行时，由于极稀薄空气阻力的影响，飞行高度会发生变化，需要进行轨道维持．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．2005年10月14日5时56分“神舟”六号飞船在运行30圈时进行了轨道维持，飞船发动机点火工作了6．5秒．稍后，航天员报告和地面监测表明，首次轨道维持获得圆满成功．下列说法正确的是

( )

Ａ．由于极稀薄的空气的影响，飞船的飞行高度会缓慢降低

Ｂ．由于极稀薄的空气的影响，飞船的机械能逐渐减小

Ｃ．进行轨道维持时应该提高飞船的速度

Ｄ．进行轨道维持时发动机应该向着飞船前进的方向喷气

解析 空气阻力不断对飞船作负功，飞船的速度减小，在万有引力的作用下高度会缓慢降低，(A)正确；在轨道减小的过程中，空气阻力做负功，故飞船的机械能减小，(B)正确；进行轨道维持时，应该提高飞船的速度通过离心效应使飞船回到原来的高度，(C)正确；进行轨道维持时发动机应该向着飞船前进的反方向喷气，反冲力推动飞船加速，从而使飞船回到原来的高度，(D)选项错．本题答案为(A)(B)(C)．

题１８． 宇宙飞船要与轨道空间站对接,飞船为了追上轨道空间站:

A 、只能从较低轨道上加速

B 、只能从较高轨道上加速

C 、只能从同空间站同一轨道上加速

D 、无论在什么轨道上，只要加速都行。

解析：飞船绕地球作圆周运动，由G 2r Mm ＝m r v 2得v ＝r

GM .一定的轨道与一定的速度相对应。当飞船在轨道上加速时，万有引力小于所需的向心力，故要做离心运动，从而使半径增大，所以A 答案正确。

六、飞船的回收

题１９．在载人航天飞船返回地球表面的过程中，有一段时间航天飞船会与地面失去无线电联系，即发生“黑障”现象。这是因为航天飞船：

Ａ．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。

解析：飞船返回舱再入地球大气层时，与大气层产生剧烈摩擦，外表变成一团火球，温度达１００

０0

Ｃ上，周围产生等离子层，形成电磁屏蔽．此时，返回舱与地面通信中断．这段不太长的时间也是回收能否成功的关键时段之一．应选Ｃ．

题２０．返回舱在将要着陆之前，由于空气阻力作用有一段匀速下落过程，若空气阻力与速度的平方成正比，比例系数为k ，返回舱的质量为m ，且匀速下降过程的重力加速度为g ，则此过程中返回舱的速度以及匀速下降过程中，单位时间内转化为内能的机械能为分别为多少？

解析：设空气阻力为f ，由题设可知 f=kv 2 ，匀速下降时 f=m g ，由此可解得匀速下降的速度为 k mg v = ，单位时间内转化为内能的机械能为： k

g m mgv 33= 题２１．设吊在降落伞上的返回舱重8t ，距地面约1米时，下落速度仍为14m/s ，这时点燃反推火箭发动机，使飞船以不大于3.5m/s 的速度实现软着陆，求反推火箭的平均推力约为多少N ？（保留一位有效数字）

解析：把返回舱着陆前下落1米的运动看着匀减速运动。则由 v 02-v 2=2as 得

222

2220921

253142s m s m s v v a //.≈?-=-= 设火箭的反推力为F ，则由牛顿定律有 F －m g ＝ma 所以 F ＝m g ＋ma

代入数据可求得 F ≈8.0510?N 。

题２２．一个连同装备总质量为ｍ＝100Ｋｇ的宇航员,在距离飞船S=45m 处与飞船处于相对静止,宇航员背着装有质量为m 0=0.5Kg 氧气以相对于飞船为v=50m/s 的速度喷出的喷嘴,宇航员必须向着返回飞船的相反方向放出氧气,才能回到飞船,同时又必须保留一部分氧气供途中呼吸使用,宇航员的耗氧率为P=2.5×10-4Kg/s,不考虑喷出氧气对设备及宇航员总质量的影响,则

（１）若宇航员在离地面为h 的圆轨道上绕地球飞行,则飞行速度应为多少?地球半径R,重力加速度为g.

（２）已知超氧化钾(KO 2)的性质与Na 2O 2相似,若该宇航员贮气筒的氧气由超氧化钾提供,试写出化学方程式,并求出需用多少千克KO 2?

（３）瞬时喷出多少氧气,宇航员才能安全返回飞船?

（４）为了使总耗氧量最低,应一次喷出多少氧气?返回时间又是多少?(设在一段很短的圆弧上,飞船可视作匀速直线运动)

解析：（1）宇航员绕地球作圆周运动时遵从的基本规律为 G 2r Mm ==m r

v 2

，又物体在地面附近时有 G 2R Mm =mg ，解得v=r GM =h

R g R +2。 （2）化学方程式为 4KO 2 + 2CO 2 = 2K 2CO 3 + 3O 2 由化学方程式可知：

２８４KgKO 2可制得９６KgO 2，故制取０．５KgO 2需KO 2的质量为m '=96

284×0.5Kg=1.48Kg 。 （３）喷气过程为反冲运动，动量守恒，设喷出气体的质量为m ，则０＝mV －MV 1，又由题给条件知 1V S ×P=m 0－m ，即1

45V ×２．５×１０4-＝０．５－m ，解得m=０．０５Kg ，或m=０．４５Kg 。故喷出的氧气质量满足０．０５Kg ≤m ≤０．４５Kg 时，宇航员才能安全返回飞船．

（４）为了耗氧量最低，设喷出mKg 氧气，则耗氧△m=Pt ＋m ，又t=1

V S ，mV ＝MV 1，解得△m=mv PSM ＋m=m

2

1025.2-?＋m ，因m 21025.2-?＋m=定值，故当m 21025.2-?＋m 时耗氧量最少，于是得m=0.15Kg ，返回时间t=1

V S =600s 。 七、与飞船有关的创新试题

题２３．2005年10月17日，中国“神舟六号”载人航天飞船经过5天的太空之旅顺利返回，这标志着我国的航天技术有了长足的进步。设宇航员测出自己绕地球球心做匀速圆周运动的周期为Ｔ，离地面的高度为Ｈ、地球半径为Ｒ。根据Ｔ、Ｈ、Ｒ和万有引力恒量Ｇ，宇航员能计算出下面的哪一项（ ）

Ａ．地球的质量 Ｂ．地球的平均密度

C ．飞船所需的向心力 Ｄ．飞船线速度的大小

解析：因为已知飞船的周期及飞船的高度所以根据万有引力提供向心力，可算出地球的质量也可算出地球的平均密度及飞船的飞行速度，由于飞船的质量未知，所以无法算出万有引力。故正确答案为A 、

B 、D ．

题２４．如图所示为一名宇航员“漂浮”在地球外层空间的照片，根据照片展示的情景提出两个与物理知识有关的问题。（所提的问题可以涉及力学、电磁学、热学、光学、原子物理等各个部分，只需要提出问题，不必作出回答和解释）

解析：这是２０００年上海高考的一道开放性试题，答案开放不唯一,只要合理、符合要求即可,在此不作统一规定。

题２５．在月球上的宇航员，如果他已知月球半径，且手头有一质量为m 的小球，他怎样才能测出月球的质量？写出月球质量的表达式．实验中应选用哪些实验器材？

解析：

方案一：

用测力计测出小球重力Ｗ，则月球表面重力加速度为g ’．由万有引力定律可得mg ’＝Ｇ2R

Mm ，得出月球质量Ｍ＝G g R '2＝Gm

WR 2

，在方案中，需要测力计．

方案二：

将小球从空中适当高处由静止释放，测出其下落高度（h ）和下落时间（t ），则有h ＝21g ’t 2，得g ’＝22t

h ，由万有引力定律得mg ’＝Ｇ2R Mm ，月球的质量为Ｍ＝222Gt

h R ，此实验方案中需要使用的测量工具有：卷尺、秒表。

题２６ 据报道，1992年7月，美国“阿特兰蒂斯”号航天飞机进行了一颗卫星悬绳发电实验，实验取得了部分成功。航天飞机在地球赤道上空离地面约3000km 处由东向西飞行，相对地面速度大约6.5× 103m ／s ，从航天飞机上向地心方向发射一颗卫星，携带一根长20km ，电阻为800Ω的金属悬绳，使这根悬绳与地磁场垂直，作切割磁感线运动，假定这一范围内的地磁场是均匀的，磁感强度为4×105-T ，且认为悬绳上各点的切割速度和航天飞机的速度相同，根据理论设计，通过电离层(由等离子体组成)的作用，悬绳可产生约3A 的感应电流，试求：

(1)金属悬绳中产生的感应电动势；

(2)悬绳两端的电压；

(3)航天飞机经地球运行一周悬绳输出的电能。(已知地球半径为6400km)

解析：本题情景新颖，猛一看似乎非常陌生，但通过联想，便可转化为学生所熟知的“发电机模型”；解答此题所需的知识——法拉第电磁感定律、闭合电路欧姆定律、能的转化和守恒定律等，都是学生已具备的，此题堪称一道典型的“起点高、落点低”的好题。

(1) 根据法拉第电磁感应定律，悬绳产生的电动势：

ε＝Blv ＝4×105-×20×103×6.5×103

＝5200V (2) 悬绳两端的电压即路端电压：

Ｕ＝ε－Ｉr ＝５２００Ｖ－３×８００Ｖ＝２８００Ｖ

（３）根据能的转化和守恒定律，悬绳输出的电能等于外电路的电功，即 Ｗ＝ＵＩt ＝ＵＩ．

v r h )(2+π ＝７．６×１０8Ｊ