物理考试与航空航天

一、内容概述

航空航天是近年来中考物理的热门知识点.随着中考改革的不断推进,知识与能力,以能力考核为主;理论与实际,以解决现实问题为中心.这些已成为中考命题的一个指导思想和趋势.再加上载人飞船的发射成功和中国探月计划的实施,各地中考中经常以此为背景来命题.现以航空航天中的具体事件为例来探讨物理考试和航空航天中的相关内容.

对初中学生来说,航空航天部分涉及到考查的知识点难度并不是很高,但知识面很广,包括声、光、热、电、力以及能量的转化和转换.这几乎涵盖了初中物理的所有知识点,因此要求同学们对各个知识点的内容都要很好掌握.

声现象:主要要求同学们知道真空不能传声,宇航员之间的交流主要通过无线电,电磁波可以在真空中传播以及在无线电损坏的情况下宇航员之间如何交流.

光现象:光的直线传播、如何利用光能(太阳能).

热学:如何利用物态变化来解决航天器发射时以及在大气层中飞行时摩擦产生的热,起到保护航天器的作用;航天器上燃料的携带及对燃料燃烧时所提供的能量的计算.

电学:能计算太阳能电板把太阳能转化为电能后提供给航天器或着落器的能量,要求同学们能很好地掌握电学的基础知识以及和做功及能量的结合.

力学:航天器的发射、运转、着陆无处不涉及力学知识,这也是航空航天最基本的理论基础.

二、典型试题

例1(1)目前发射航天器的火箭部分的动力由液氢和液氧提供,它们都是通过加压的方法液化的,以液态的形式储存在火箭里,这样做的好处是,用液态氢作燃料是因为它①;②,该反应中液氢燃烧的产物是.

(2)卫星热控系统采用一种特殊的产物——热管,其导热性是紫铜的200倍,换句话说假如有人拿着一根2~3m长的热管,将另一端放入沸水中,也就几秒的功夫,手便会感觉出温度在飞速上升而不能把持.卫星装上热管,就是利用它将一个设备或者某个部位的热量迅速传递到另一个设备上去.热管的工作原理是.(提示:热管两端的温差越大热量的传递越快)

(3)对人类来说太空是个充满危险的地方.首先,太空是真空环境,那里的大气压强接近于零,如果人直接暴露在太空中,缺氧会使人窒息死亡,超低压会使人立刻爆炸.其次,太空没有吸热物质,环境温度在-270℃左右,一旦被太阳直接照射到,物体表面立刻升至几百摄氏度,人是无法适应这种恶劣的环境的.再有,超强的紫外线、γ射线、带电粒子流等等无形杀手在太空中无处不在.在地球上,这些杀手经大气层吸收或减弱而不会对人类造成危害,如图l所示是宇航员身着舱外航天服走出飞船船舱,根据他所处的实际环境,你认为他所穿的宇航服应具备哪些功能?

解析本题将航天器材料特点与物理知识相结合.(1)中以液氢和液氧的形成背景考查了气体液化的方法,从液体的特点来阐述其好处,从氢和氧将物理知识与化学知识有机地结合,突出了学科知识的相互渗透.(2)从新材料的应用这一角度去认识热管导热的原理.(3)通过对太空的描述,结合航天员的生存条件,从各个方面来考查宇航服应具备的功能,从所给的信息中确定解题方案.

答案(1)减小体积,便于储存和运输热值大无污染水(2)热管利用液体蒸发吸热制冷,使得热管两端的温度差很大,使热量快速传导.(3)宇航服要提供宇航员生理活动的氧气、大气压强和温度;能排出人体产生的二氧化碳及其他废物;要具备良好的隔热控温功能;要有控制运动的喷射推进器,使人能在无重力无摩擦无阻力条件下的太空中进退自如;要有预防意外事故的替补和应急装置.

例2嫦娥一号星体整体重为2350kg.本体尺寸为2000mm×1720mm×2200mm,工作寿命一年.两侧各有一个太阳帆板,最大跨度达18.1m,它将运行在距月球表面200km的圆形极轨道上(如图2所示).

(1)据悉“嫦娥一号”首次使用了我国自主研制的新型材料——铝锂合金板材.这种材料具有坚固、轻巧、美观、易于加工等诸多优点,是现代航天事业的首选材料.那么,在“嫦娥一号”中选用这一材料与它的哪个物理性质无关().

A.密度小B.硬度大

C.导电性好D.延展性强

(2)请根据资料计算,卫星的平均密度为kg/m3.

2007年10月24日傍晚,火箭进入发射倒计时.第三级火箭使用的燃料液氢液氧.从发射前8s液氢液氧开始向贮箱内加注的那一刻起,两条专用的管路就要不停地把贮箱中气态的氢导入燃烧池烧掉.

(3)在火箭刚点火发射时,高温的烈焰向下喷射到发射台地面,足可熔化发射台地面上的任何物体,航天工程师在台底建造了一个大水池,高温火焰喷射到水池上方时,可以利用水的吸热保护发射台,巧妙地攻克了这项难关,我们看到的庞大的白色气团是.

(4)在常温下,液氢与液氧会发生

(填物态变化名称),从而使贮箱内的气压(选填“增大”或“减小”).氢气燃烧是将能转化为能.

(5)据悉,“嫦娥”一期工程控制系统的各类电磁继电器所使用的电磁纯铁全部是由我国自主生产的.这些电磁继电器其实就是由控制的.

(6)当火箭在大气层中快速飞行时,会与大气层发生剧烈摩擦,其温度会,内能会,这是通过方式改变物体的内能.为了防止火箭受损,因此用整流罩将卫星包裹起来,对火箭起保护作用.请你写出整流罩应具备的两个特点:、

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“嫦娥一号”在飞行过程中需要多次变轨,即变更飞行轨道,在地球附近通过卫星上的发动机点火工作,逐步飞行增加速度,最终加速到地月转移轨道的入口速度,通往地月通道.在接近月球时,发动机再次点火,以减慢嫦娥一号的速度,便能成功地被月球捕获.此后,还需经过两次变轨,通过减速,使卫星绕月运行的轨道最终变轨道高度为200km的正圆环月轨道(如图3所示).

(7)关于嫦娥一号的多次变轨,下面说法中正确的是().

A.在嫦娥奔月的过程中,质量不变,重力也不变

B.经过变轨,卫星的惯性会发生变化

C.每一次变轨,卫星动能都会增加

D.在地球附近变轨时,发动机的动力方向与卫星运动方向相同;在月球附近变轨时,发动机的动力方向与卫星运动方向相反

(8)据悉,嫦娥一号进入目标轨道后,要实现预期的科学探测,卫星必须保持“三体定向”,请用直线连出卫星上仪器与三地之间正确的定向关系.

(9)由月面我们可以看到月面上有很多陨石坑如图4,而在地球上这种现象却很少,请分析一下其中的原因.

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在绕月飞行的1年时间里,“嫦娥一号”可能会遭遇两次月食.发生月食时,卫星的供电系统和热控系统将面临严峻考验.这是因为在发生“月食”时,卫星上的太阳能帆板在长达几个小时的黑暗期内无法工作.另外,由于没有太阳的照射,卫星表面的温度会急剧下降,最低可达零下130℃左右,这对卫星上的各种设备也是一个严峻的考验.

针对这些影响,都已找到了解决方案.在这段黑暗时光里,卫星能使用自带蓄电池供电;除保证最基本的部件用电外,卫星上的其他部件,尤其是“耗电大户”们将暂时停止工作;卫星上的隔热涂层、热管、加热器等器件也能起到一定的保温作用.专家说,通过这些措施可以有效帮助嫦娥一号度过黑暗时光.

(10)在没有太阳照射时,卫星表面的温度会急剧下降,这时卫星的内能会(选填“增大”或“减小”),这种改变内能的方式属于.

(11)下面的哪个措施不能帮助“嫦娥一号”度过发生月食时的黑暗时光().

A.提高蓄电池的性能

B.通过与空气摩擦生热

C.节约用电

D.加强保温措施

解析这道题将航天器的发射、运行及工作情况与初中物理的物态变化、运动和力、能量的转化转换等知识相结合.题(1)(6)中需考虑物质的某些物理属性.(3)中以“庞大的白色气团”的形成和作用为背景考查了物态变化这一知识点,首先要明确白色气团是液化形成的小水珠,这些小水珠是池中的水先汽化再液化而形成的.火箭升空瞬间,燃料燃烧将会放出大量的热,而汽化的过程是吸热过程,这样可起到保护发射台底的作用.(5)主要考查了电磁继电器的作用.(8)涉及到同学们的一些科学常识和逻辑思维能力,用“三体定向”来使同学们能理解卫星的主要工作过程.在其他题中还考查了改变内能的方法以及能量的转化和电磁波的传播.整个题目自始至终贯串了关于卫星的一些科普知识,极大地激发了同学们的学习热情.

答案(1)C(2)310.5(3)汽化小水滴(4)汽化增大化学内(5)电磁铁开关(6)升高增加做功熔点高、隔热性能好(7)D(8)科学探测仪器的目标是对月球进行考察,因此应对准月球;定向天线是将卫星获得的数据送回地球,因此应对准地球;太阳翼帆板是为了获得太阳能,为卫星和各种仪器提供能量,因此应对准太阳.(9)地球表面被厚厚的一层大气层包裹,当天外陨石坠向地球时,首先与大气层发生剧烈摩擦,殒石温度急剧升高而被燃烧掉;但在月球上没有大气层,这些陨石会直接落到月面上,月面受到撞击而形成了一个个的陨石坑.(10)减小热传递(11)B

例32007年10月24日18时05分,中国第一颗绕月探测卫星“嫦娥一号”在西昌卫星发射中心成功发射升空,“嫦娥一号”的成功发射标志着中国航天技术从低空探测迈向深空探测新阶段.10月26日,北京航天飞行控制中心举行隆重仪式,发布中国首次月球探测工程第一幅月面图像.中共中央政治局常委、国务院总理温家宝为中国第一幅月面图像揭幕.

小军同学当看到中国的“嫦娥一号”探月卫星拍摄的第一张照片后,发现月面是凹凸不平的,如图6所示.这是由于流星在太空中运行到靠近月球时,在月球的引力作用下坠落到月面,与月面发生碰撞而形成的坑洞,叫做“月坑”.

小军同学猜想月坑的深度可能与流星的质量、体积及下落的高度有关.

于是,他设计了一个用一只铺满厚厚的细沙的盘子和几个不同的小球及刻度尺进行探究月坑深度的模拟实验,如图7所示.经过实验,数据记录如下表:

请你分析实验数据,并回答下列问题:

(1)由1、2、3三组数据可得:“月坑”的深度与流星的有关.

(2)由、、三组数据可得:“月坑”的深度与流星的质量有关.

(3)“月坑”的深度还与流星的体积有关;体积越大,“月坑”的深度.

(4)请你结合小军的研究过程就“影响月坑深度的因素”问题提出另外一个猜想:

.

解析这道题通过对照片的观察,将探月卫星拍摄的照片与物理探究相结合,着重考查学生在探究过程中对数据的分析能力和猜想.

答案(1)高度(2)3、6、7(3)越深(4)月坑的深度可能与流星的密度有关

例42007年10月24日18:05分,我国自行研制的“嫦娥一号”月球探测卫星在西昌卫星发射站成功发射!据说月球表面的引力常数是地球的六分之一,假如你有机会登上月球,你准备设计一个什么样的实验来证明这个问题.

实验器材:.

实验思路:.

结果评价:.

解析此题首先明确“引力常数”就是月球上的重力和质量的比值.在明确这一知识点后就可以确定实验思路:先测物体在月球上的质量,再测这一物体分别在地球和月球表面的重力,分别求出地球上和月球上重力和质量的比值,然后加以比较即可.

答案实验器材:弹簧测力计,小石块

实验思路:用天平测出该物体的质量,再分别用弹簧测力计测出小石块在地球和月球上的重力G1和G2.分别计算出地球上和月球上重力和质量的比值g1和g2.

结果评价:若g1=6g2,则月球的引力常数是地球的六分之一;若g1≠6g2,则月球的引力常数不是地球的六分之一.

三、对应练习

1.我国的“嫦娥工程”将按“绕月、落月和驻月”三步进行,预计2012年实施落月探测.已知月球上无大气、无磁场、弱重力.在学校举行的“我想像中的月球车”科技活动中,爱动脑的小强提出了以下有关设想,你认为合理的是().

A.必须配备降落伞,以确保安全落月

B.可在月球车上安装重垂线,以便观察倾斜程度

C.应该配备指南针,以便确定方向

D.可为月球车安装备用汽油机,以便应急使用

2.“神舟”五号载人航天飞船的成功发射是我国科技史上的重大里程碑.下面是关于航天员在“神舟”号机舱内的生活描述,其中符合事实的是().

A.他不能喝水,因为在失重状态下肾脏无法形成尿液

B.他不能说话,因为在失重状态下声带无法振动发声

C.他一直漂浮在机舱内,因为在太空中他的质量很小

D.他可以写字记录,因为在太空中摩擦力还是存在的

3.按照“嫦娥工程”计划,我国将在2012年发射首颗“登月探测器”,携月球车一起登陆月球,月球车将进行月面巡视勘察.

(1)月球上物体的重力约为地球上重力的六分之一,这导致月球表面的土壤远比地球上的松软,使得在月球上行走远比在地球上容易打滑,月球车的车轮表面应做得很(选填“光滑”或“粗糙”).

(2)月球车可使用(选填“汽油机”“柴油机”或“电动机”)驱动,行进速度最快可达5cm/s,即km/h.当前方3m处有高于25cm的障碍物时,月球车上的障碍探测器就会发出预警,障碍物探测器不能利用(选填“激光”“电磁波”或“超声波”)的反射来工作.

(3)月球车上装有机械臂,机械臂前端有一“岩芯取样器”,可将月球上的岩石研磨取回研究,“岩芯取样器”应尽可能挑选硬度(选填”大”或“小”)的材料制作.

4.我国航天技术的下一个目标是登上月球,假如你有幸成为中国历史上第一位登上月球的宇航员,你认为月球上下列现象中可能发生的是(请把正确答案前的字母写在横线上).

A.可利用降落伞从环月轨道舱降落到月球表面

B.月球上不能使用电风扇、指南针以及风筝

C.从同一高度同时释放的羽毛和石块将同时落地

D.摆钟将不准

E.月球上你能轻易地把100kg的重物举过头顶

F.月球车不需要进行防腐、防锈处理

5.我国在成功发射“神舟”5号之后,又将实施登月的“嫦娥工程”.“嫦娥一号”,它的一部分光电池板的面积为S=8m2,正对太阳光产生U=120V的电压,为工作舱提供I=10A的电流,若太阳照射处每1m2面积获得的太阳能功率为P0=1×103W,求:

(1)估算该光电池的光电转化效率.

(2)按计划我国将在2012年发射“登月探测器”(月球车),将进行月面的巡视勘察,若月球车在月球上取得一份土壤样品,其质量为0.32g,体积为0.08cm3,则这份样品的密度为g/cm3,合kg/m3.

(3)当月球车以5cm/s行进的探测车发现某种情况后,向地球发出一个无线电信号,地球上的设备接收到这个信号立即回发一个无线电指令.地球到月球的距离约为3.8×108m.则当这一指令到达月球时,已比探测车发出信号时至少滞后了s,探测车已移动了cm.

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