神舟飞船发展历程及在物理教学中的应用

1、神舟飞船发展历程及在物理教学中的应用神舟系列飞船的发射成功 , 不仅振奋民族精神 ,激励广大学生发奋学习, 勇攀高峰 , 也是对青少年进行科普教育的良好契机. "神舟飞船”的发射和运行涉及到许多的物理学知识, 而一般的物理课本中对此阐述不够或内容比较分散, 本文就相关知识点作了整理和概括, 并进行适当地阐述 , 以激发学生的学习物理的兴趣 .下面我们先来回顾一下神舟系列的发展历史：神舟一号 样品飞船发射：1999年11月20日；返回：1999年11月21日。第一艘无人实验飞船神舟一号飞船在酒泉卫星发射场发射升空。经过21小时飞行，在完成预定的科学试验后成功着陆。神舟二号 正样飞船发射

2、：2001年1月10日；返回：2001年1月16日。是中国第一艘正样飞船。神舟三号 模拟载人发射：2002年3月25日；返回：2002年4月1日。飞船上搭载了一个特殊乘客“模拟人”，为把中国航天员送入太空打下了基础。神舟四号 救生模式发射：2002年12月30日；返回：2003年1月5日。8种救生模式确保在不同阶段若出现意外都能保证航天员安全返回。神舟五号 首次载人发射：2003年10月15日；返回：2003年10月16日；航天员：杨利伟。中国成为世界上第三个能够独立开展载人航天活动的国家。神舟六号 多人多天发射：2005年10月12日；返回：2005年10月16日；航天员：费俊龙、聂海胜。在

3、绕地球飞行76圈后返回，实现多人多天飞行。神舟七号 太空行走发射：2008年9月25日；返回：2008年9月28日；航天员：翟志刚、刘伯明、景海鹏。中国成为世界上第三个实现太空行走的国家，中国人的第一次舱外活动进行了19分35秒。神舟八号 空间交会发射：2011年11月1日；返回：2011年11月17日。无人飞船与天宫一号实施自动交会对接，这是中国首次空间交会对接试验。神舟九号 人控对接发射：2012年6月16日；返回：2012年6月29日；航天员：景海鹏、刘旺、刘洋。中国成为世界上第三个完整掌握空间交会对接技术的国家。神舟十号 应用飞行发射：2013年6月11日；航天员：聂海胜、张晓光、王亚

4、平。神舟飞船首次进行应用性飞行,神舟飞船的任务不再是试验，而是为天宫一号提供人员和物资运输保障，支持航天员在天宫一号进行科学试验。 载人飞船的发射和运行都需要用到很多的物理知识，具体如下：发射飞船与飞船飞行的原理牛顿在“论物体的运动”中写道: “由于向心力的作用 , 行星会保持于某一轨道 , 如果我们考虑抛体运动 , 这一点就很容易理解:一块石头投出 , 由于自身重力的作用 , 被迫离开直 线路径 , 如果只有初始投掷 , 理应按直线运动 , 而这时却在空气中抛出了曲线 , 最终落 在地面 ;投掷的速度越大 , 它在落地前走得越远 . 于是我们可以假设当速度增大到如此之 大时 , 在

5、落地前抛出一条 1 、2 、5、10、100、1000 英里长的弧线 ,直到最后超出了地球的限度 , 进人空间永不触及地球。” 这“石头”就演变为现在的人造卫星或宇宙飞船。飞船飞行的原理动量守恒定律 :火箭是宇宙航行的运载工具。火箭飞行时 , 燃料在燃烧室中燃烧并向火箭飞行的相反方向不断喷出速度很大的气体, 使火箭获得很大的动量 ,从而获得巨大的前进速度。飞船发射时神舟飞船点火发射时, 受火箭推力作用, 推力大于阻力和重力 , 飞船处于加速阶段 , 飞船的加速度可达到4g。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, 所增加的机械能是燃料的化学能转化而来的。运载火箭点火

6、后离开发射台升空的瞬间, 只见火箭底部涌出庞大 的白色气团 , 其实这不是火箭喷出的废气。我们知道 , 当火箭刚点火发射时, 高温的火焰向下喷到发射台的地面 , 此时任何物质遇到如此高温的火焰都要熔化。为了保护发射台的台底 ,航天工程师们在 台底建造了一个大水池 , 当火箭点火发射时 , 高温的火焰向下喷到大水池里 , 水池中的水激剧汽化形成水蒸气, 大量的水蒸气遇到周围的冷空气, 凝结成大量的小水珠, 从而形成庞大的白色气团。同时因为大水池中的水汽化时要吸收大量的热量 , 从而保护了发射台。超重与失重飞船发射时, 航天员超重感比较强 , 最大时达到5G , 而船箭分离时 , 航天员又会感到有

7、一种忽然腾空的感觉 , 这时进人了失重状态 , 飞船人轨后人处于完全失重状态 , 有“漂浮”的感觉 , 宇航员站着睡觉和躺着睡觉一样舒服 , 食物要做成块状或牙膏似的糊状 , 以免食物的碎渣漂浮在空中进入宇航员的眼睛、鼻孔。事实上 , 宇航员在太空中的食物一般做成膏状 ,有适当的口味和稠度 , 且都装在软管中 , 吃时要往嘴里挤压 , 连喝水也必须使 用吸水管一口一口地喝。飞船舱内的马桶也是特别制造的。马桶不能用水冲, 要形成人造重力 , 先将臭气和水抽掉 , 最后用塑料袋把干的部分密封起来。睡觉时宇航员连手都要放在睡袋里面,免得睡着以后手乱动把旁边的电线、电缆碰断。飞船在发射升空时处于超重状

8、态 , 此时如果宇航员直立 , 其头部血液会流向下肢, 血液淤积在下脚肢静脉中, 影响血液向心脏回流, 心脏输血量减少,动脉血压降低, 造成脑部供血不足, 轻则引起头晕,视物模糊 , 反应迟钝 , 操作准确度下降;重则意识丧失, 完会失去控制航天飞船的能力。所以,宇航员在发射升空阶段应采取平卧姿势。事实上 , 航天员杨利伟等人在飞船发射升空时, 在船舱的躺椅中平躺。然而, 人体在长时间的失重或超重状态下都会损害健康, 并难以恢复, 这是因为人体是在正常重力下经过几百万年的进化而成的 , 人体的机能在很大程度上依赖于这种一直存在的重力。关于这些知识我们不仅能在讲课的时候用到，还可以在考试的题目中

9、用到。新的课程理念强调培养学生的“创新精神、实践能力、科学和人文素养”.随 着素质教育的不断推进和考试改革的不断深入, 试题也紧跟时代步伐, 突出社会热点, 关注重大事件, 如以“神舟飞船”为载体的试题, 在近几年考试中频频出现, 这些试题设计新颖, 富有创新精神, 形成了一道亮丽的风景.通过“神舟飞船”相关材料的阅读, 使同学们认识“科学及其相关技术对社会发展、自然环境及人类生活的影响”, 体现时代气息; 试题以此为背景, 涉及知识面广( 声、光、热、力、运动、电、能量、核反应、通信) ; 能力立意高, 让同学们在解决现实问题的过程中展示其思维过程.它不仅考查了同学们的创新意识与创新能力,

10、而且也促进了同学们情感、态度、价值观的飞跃, 增强了同学们的爱国意识、民族自豪感, 充分体现了新课标中“知识与能力”、“过程与方法”、“情感态度与价值观”等目标要求. 这类题能折射出新课程标准下考试命题的特点与趋势, 下面通过有关“神舟飞船”的试题分析, 介绍有关神舟飞船的一些物理知识.例1 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, 下列表述中错误的是( )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.燃料的化学能最终会转化成为火箭的机械能解析 飞船升空时, 受火箭推力作用, 推力大于阻力和重力, 做加速

11、运动,不可能受平衡力作用, 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, 所增大的机械能是燃料的化学能转化而来的.本题涉及的知识有:平衡力、力和运动关系、做功、机械能、能量的转化等.本题选A.例2“神舟”五号飞船在轨道上正常运动时, 飞船上的电子仪器都依靠太阳能电池供电, 太阳能电池能把接收到的太阳能的20%转化为电能,“神舟”五号飞船上的太阳能电池是由很多片单晶硅组成, 每片单晶硅电池可输出0.6V电压和0.1A电流, 则每小时照射到一片单晶硅电池上的太阳能为J,“神舟”五号飞船绕地球飞行14圈后返回大气层, 向地面靠近, 由于空气阻力的作用, 飞船的机械能将 , 势能

12、将 ( 选填“增大”、“减小”或“不变”).解析 本类试题涉及太阳能与电能的转化, 关于电能的简单计算、能量转化与守恒的相关问题, 让同学们感受到物理知识在解决实际问题中的巨大作用.本题解答:1080J; 减小、减小.例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射线解析 载人飞船发射后, 地面与飞船之间要不断地进行大量的数据交换和指令传输, 本题与数据通信知识点巧妙地结合并进行相应的

13、考查.本题选C.例4 2003年10月15日9时整, 中国第一艘载人飞船“神舟 ”五 号 由 长 征 二 号 运 载火箭从甘肃酒泉卫星发射中心发射升空,10多分钟后, 成功进入预定轨道, 中国首位航天员杨利伟带着中国人的千年企盼梦圆浩瀚太空, 中国成为世界上第三个能够独立开展载人航天活动的国家.(1) 火箭在加速上升过程中, 机械能( 选填“增大”、“减小”或“不变”) , 这个能量是由 能转化过来的.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.由于地球在自西向东不停地自转, 为节省燃料, 火箭在升空后应该向 方向飞行( 选填“偏东”或“偏西”).(2) 飞船上的太

14、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) 杨利伟在太空中飞行21h, 绕地球14圈, 在此过程中他能看到次日出; 飞船运行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.(4) 在飞船的返回舱表面涂有一层特殊材料, 这种材料在遇高温时要熔化、汽化而 大量的热量, 从而防止飞船在返回地面时与大气层摩擦而被烧坏;(5) 降落: 飞船距离地面15km时, 速度达到200m/s.若不打开降落伞, 且速度保持不变, 飞船落到地面仅仅需要s的时间.(6) 目前中国正在实施“嫦娥一号”登月工程, 已知月球表面没有空气,

15、 没有磁场, 引力为地球的1/6, 假如登上月球, 你能够.( 填代号)A.用指南针判断方向B.轻易将100kg物体举过头顶C.放飞风筝D.做托里拆利实验时发现管内外水银面高度差为76cm解析 该类试题一般为信息解答题, 其信息量大、综合性较强, 涉及知识面较宽.以“神舟飞船”为背景材料, 既激发了同学们的爱国主义情感, 又考查物理学中相关知识, 更能体会到物理学在推动社会科技发展历程中的重要作用.如上例中, 涉及知识点就有: 内能与机械能的转化、力的相互性、新能源、物态变化、简单运动的计算、月球表面无空气、无磁场、引力小等.它还可与超导、纳米等新材料新技术相结合, 与照相机、激光等结合, 在

16、飞船加速、减速、变轨等动作中与“力和运动的关系”相结合.可见, 以“神舟飞船”为纽带, 联系了整个物理学体系.本题解答: (1) 增大, 内能或化学能, 相互, 偏东; (2) 电能; (3)14次, 增大,减小; (4) 吸收; (5)75; (6)B.例52003年10月15日9时整, 我国自行研制的“长征”二号F型火箭载着“神舟”五号载人飞船成功升入太空, 绕地球飞行数圈后又于10月16日6时54分顺利返回地面, 实现了我国第一次载人航天飞行, 根据你对这一过程的了解, 列举出与此事件相关的两个不同的物理知识.(1) ;(2)解析 本题是一道结果开放性试题, 要求同学们具有扎实的基础,

17、并能多角度、多层次地发散性思维去探求解决问题的途径.考查同学们对“神舟”五号载人飞船中物理知识的了解, 且试题答案多样化.本题解答举例: (1) 火箭头部做成尖的是为了减小空气阻力; (2) 火箭上升过程中, 内能转化为机械能; (3) 发射架底部产生大量白气, 有汽化和液化现象;(4) 加速上升过程中航天员处于超重状态, 入轨后航天员处于失重状态; (5) 变轨利用了反冲作用原理; (6)“神五”选在白天发射是为了充分利用太阳能, 在飞船进入太空后, 光电池将太阳能转化为电能, 以维持飞船的正常工作.例6若在太空飞行的“神舟”五号飞船的轨道舱中进行物理实验, 下列仪器中托盘天平;摆钟;电子秤;电流表;电压表;放大镜;密度计;刻度尺, 仍能正常使用的有( ).A. B. C. D. 解析 飞船在轨道上飞行时处于“失重”状态, 如果在舱内做实验, 则不能用天平测质量及密度, 也不能用电子秤( 弹簧测力计) 测物体的重力, 至于光学与电学仪器、温度计、刻度尺等则不受重力影响.本类试题