一組基于嫦娥二號的物理原創(chuàng)試題*①

孫龍周

(東?？h實驗中學(xué) 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(wèi)星在西昌衛(wèi)星發(fā)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(wù)是為“嫦娥3號”實現(xiàn)月面軟著陸開展部分關(guān)鍵技術(shù)試驗，并繼續(xù)進行月球科學(xué)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(wèi)星實現(xiàn)獲取月球表面三維影像、探測月球物質(zhì)成分、探測月壤特性、探測地月與近月空間環(huán)境等4大科學(xué)目標(biāo).“嫦娥二號”的發(fā)射升空、飛行、變軌， 衛(wèi)星對太空及月球的科學(xué)探測等，涉及物理學(xué)的眾多知識，對“嫦娥二號”進行探究，可整合課本知識，培養(yǎng)分析能力，提高綜合素質(zhì).現(xiàn)筆者編制了一組基于“嫦娥二號”的原創(chuàng)試題.

圖1 長三丙發(fā)射“嫦娥二號”

1 “嫦娥二號”的發(fā)射

【例1】“嫦娥二號”是由長征三號丙運載火箭發(fā)射升空的，它主要用于發(fā)射地球同步軌道衛(wèi)星，其GTO運載能力為3.8 t.全箭起飛質(zhì)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(wèi)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(wèi)星通信，可以使人們的通信更加便捷.地球同步衛(wèi)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(wèi)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(wèi)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(zhì)的物理屬性角度考慮，它的突出優(yōu)點是______；從環(huán)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(fā)和利用的現(xiàn)狀來劃分，它又屬于______能源(選填“常規(guī)”或“新”).

(3)火箭發(fā)射升空初期，搭載著“嫦娥二號”衛(wèi)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(zhuǎn)化為______能，然后又將______能轉(zhuǎn)化為火箭和衛(wèi)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(wèi)星，就可覆蓋整個地球；如果選擇地球作為參照物，則同步衛(wèi)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(zhì)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(fā)和利用的現(xiàn)狀來劃分，它又屬于新能源.

(3)在火箭發(fā)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(xué)能先轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，然后通過做功，又將內(nèi)能轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移軌道中途修正，衛(wèi)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(wèi)星上的噴氣發(fā)動機協(xié)同工作來實現(xiàn)的，每臺發(fā)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(yīng)的發(fā)動機，提供推力來實現(xiàn)，因為力除了可以讓物體發(fā)生形變，還可以改變物體的________.

解析：力不僅可以使物體發(fā)生形變，還可以改變物體的運動狀態(tài).物體運動狀態(tài)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(fā)生了改變，這些變化都是發(fā)動機提供的推力導(dǎo)致的.力是物體運動狀態(tài)發(fā)生改變的原因.

3 “嫦娥二號”的跟蹤與控制

【例3】承擔(dān)衛(wèi)星海上測控任務(wù)的3艘“遠(yuǎn)望號”布陣太平洋，“嫦娥二號”發(fā)射升空后，整個遠(yuǎn)望船隊將通過“接力”的方式承擔(dān)“嫦娥二號”衛(wèi)星太陽帆板展開、衛(wèi)星狀態(tài)切換及監(jiān)視等一系列重要任務(wù).針對“嫦娥二號”空中飛行軌道，在國內(nèi)外布設(shè)的13個測控站組成的龐大測控網(wǎng)，對它進行連續(xù)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(yuǎn)距離的傳播;紅外線的顯著特性是熱效應(yīng)，在測量和控制上不如電磁波，故應(yīng)選C項.

【例4】測量船在本次發(fā)射任務(wù)中負(fù)責(zé)“嫦娥二號”入軌段及地-月轉(zhuǎn)移軌道段的海上測控，其中，衛(wèi)星太陽翼展開、定向天線展開、一級衛(wèi)星測控模式轉(zhuǎn)換等，一系列動作的控制與監(jiān)視是關(guān)鍵任務(wù).測量船利用雷達(dá)發(fā)射的電磁波進行控制與監(jiān)視，雷達(dá)頻率在200 MHz～1 000 MHz的范圍內(nèi)，下列說法不正確的是

A.雷達(dá)發(fā)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(zhì)

C.測出從發(fā)射電磁波到接收反射波的時間間隔可確定雷達(dá)和目標(biāo)的距離

D.電磁波的傳播速度與介質(zhì)有關(guān)

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(yīng)選B項.

【例5】“嫦娥二號”衛(wèi)星共搭載7種探測設(shè)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(fēng)離子探測器，有效荷載總重約140 kg.

“嫦娥二號”衛(wèi)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(shù)得到徹底革新，CCD圖像傳感器的發(fā)明曾獲得2009年諾貝爾物理學(xué)獎，下列說法中不正確的是

A.CCD圖像傳感器中的半導(dǎo)體是熱敏電阻

B.CCD圖像傳感器中的半導(dǎo)體是光敏電阻

C.激光、γ射線、X射線、微波都屬于電磁波

D.數(shù)碼成像本質(zhì)上是將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，再由電信號轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?/p>

解析：由材料提供的信息不難判斷，CCD圖像傳感器中的半導(dǎo)體是光敏電阻，起著光電傳感器的作用，將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，再由電信號?fù)原為光信號.