一組基于嫦娥二號的物理原創試題*①

2011-01-25 03:38:36孫龍周

物理通報 2011年12期

孫龍周

(東海縣實驗中學江蘇連云港 222300)

2010年10月1日，長征三號丙火箭搭載著“嫦娥二號”探月衛星在西昌衛星發射中心成功升空(圖1)，為我國探月工程二期揭開了序幕.它主要任務是為“嫦娥3號”實現月面軟著陸開展部分關鍵技術試驗，并繼續進行月球科學的探測和研究.搭載在“嫦娥二號”上的7種有效載荷，能幫助衛星實現獲取月球表面三維影像、探測月球物質成分、探測月壤特性、探測地月與近月空間環境等4大科學目標.“嫦娥二號”的發射升空、飛行、變軌，衛星對太空及月球的科學探測等，涉及物理學的眾多知識，對“嫦娥二號”進行探究，可整合課本知識，培養分析能力，提高綜合素質.現筆者編制了一組基于“嫦娥二號”的原創試題.

圖1 長三丙發射“嫦娥二號”

1 “嫦娥二號”的發射

【例1】“嫦娥二號”是由長征三號丙運載火箭發射升空的，它主要用于發射地球同步軌道衛星，其GTO運載能力為3.8 t.全箭起飛質量345 t，全長54.838 m，一二子級直徑3.35 m，助推器直徑2.25 m，三子級直徑3.0 m，衛星整流罩最大直徑4.0 m.它的一子級、助推器和二子級使用偏二甲肼(UDMH)和四氧化二氮(N2O4)作為推進劑，三子級則使用效能更高的液氫和液氧.

(1)利用衛星通信，可以使人們的通信更加便捷.地球同步衛星在赤道平面上距地球表面高度為3.6×107m的軌道上.一般只要有______顆互成______角的同步衛星，就可以覆蓋整個地球.如果選擇地球作為參照物，那么同步衛星是______的(選填“靜止”或“運動”).

(2)火箭三子級選用液氫作為燃料，從物質的物理屬性角度考慮，它的突出優點是______；從環保的角度來說，它是______能源(選填“清潔”或“非清潔”);而按照人類對其開發和利用的現狀來劃分，它又屬于______能源(選填“常規”或“新”).

(3)火箭發射升空初期，搭載著“嫦娥二號”衛星一起加速上升，在這一階段，它們的動能______，重力勢能______，機械能______.在這個過程中，燃料燃燒，將______能轉化為______能，然后又將______能轉化為火箭和衛星的______能.

圖 2

解析：(1)如圖2所示，一般只要有三顆互成120°角的同步衛星，就可覆蓋整個地球；如果選擇地球作為參照物，則同步衛星是靜止的.

(2)火箭的三子級選用液氫和液氧作為燃料，從物質的物理屬性角度考慮，它們具有較大的熱值.而按照人類對其開發和利用的現狀來劃分，它又屬于新能源.

(3)在火箭發射升空初期，加速上升，動能增大，重力勢能也增大，所以機械能增大.在這個過程中，燃料燃燒，將化學能先轉化為內能，然后通過做功，又將內能轉化為機械能.

2 “嫦娥二號”的軌道修正

【例2】2010年10月2日12時，北京航天飛行控制中心對“嫦娥二號”成功實施首次地-月轉移軌道中途修正，衛星首次變軌成功.“嫦娥二號”距離月面100 km近月制動、軌道修正，都涉及變軌控制，都是由衛星上的噴氣發動機協同工作來實現的，每臺發動機開動時，都能提供推力，從而改變“嫦娥二號”探測器的飛行速度和飛行軌道.

在對“嫦娥二號”探測器進行制動、變軌的過程中，通過啟動相應的發動機，提供推力來實現，因為力除了可以讓物體發生形變，還可以改變物體的________.

解析：力不僅可以使物體發生形變，還可以改變物體的運動狀態.物體運動狀態的改變包括物體由靜到動，由動到靜，由慢到快，由快到慢，還包括物體運動方向的改變.“嫦娥二號”制動和變軌的過程中，速度的大小和運動的方向均發生了改變，這些變化都是發動機提供的推力導致的.力是物體運動狀態發生改變的原因.

3 “嫦娥二號”的跟蹤與控制

【例3】承擔衛星海上測控任務的3艘“遠望號”布陣太平洋，“嫦娥二號”發射升空后，整個遠望船隊將通過“接力”的方式承擔“嫦娥二號”衛星太陽帆板展開、衛星狀態切換及監視等一系列重要任務.針對“嫦娥二號”空中飛行軌道，在國內外布設的13個測控站組成的龐大測控網，對它進行連續的跟蹤、測量和控制.測控利用的波是

A.超聲波 B.次聲波

C.電磁波 D.紅外線

解析：聲波是一種機械波，地-月距離3.8×105km，聲波無法完成這種遠距離的傳播;紅外線的顯著特性是熱效應，在測量和控制上不如電磁波，故應選C項.

【例4】測量船在本次發射任務中負責“嫦娥二號”入軌段及地-月轉移軌道段的海上測控，其中，衛星太陽翼展開、定向天線展開、一級衛星測控模式轉換等，一系列動作的控制與監視是關鍵任務.測量船利用雷達發射的電磁波進行控制與監視，雷達頻率在200 MHz～1 000 MHz的范圍內，下列說法不正確的是

A.雷達發射電磁波的波長范圍在0.3 m～1.5 m之間

B.電磁波的傳播需要介質

C.測出從發射電磁波到接收反射波的時間間隔可確定雷達和目標的距離

D.電磁波的傳播速度與介質有關

解析：由公式v=λf得

選項A正確；電磁波可以在真空中傳播，且在真空中的傳播速度最快，故應選B項.

【例5】“嫦娥二號”衛星共搭載7種探測設備，包括CCD立體相機、激光高度計、γ射線譜儀、X射線譜儀、微波探測儀、太陽高能粒子探測器和太陽風離子探測器，有效荷載總重約140 kg.

“嫦娥二號”衛星搭載的新型CCD相機能將圖像分辨率從“嫦娥一號”120 m提高至10 m.CCD立體相機核心為CCD圖像傳感器，通過用電子捕獲光線來替代以往的膠片成像，從而使攝影技術得到徹底革新，CCD圖像傳感器的發明曾獲得2009年諾貝爾物理學獎，下列說法中不正確的是