一组基于嫦娥二号的物理原创试题*①

孙龙周

(东海县实验中学 江苏 连云港 222300)

2010年10月1日，长征三号丙火箭搭载着“嫦娥二号”探月卫星在西昌卫星发射中心成功升空(图1)，为我国探月工程二期揭开了序幕.它主要任务是为“嫦娥3号”实现月面软着陆开展部分关键技术试验，并继续进行月球科学的探测和研究.搭载在“嫦娥二号”上的7种有效载荷，能帮助卫星实现获取月球表面三维影像、探测月球物质成分、探测月壤特性、探测地月与近月空间环境等4大科学目标.“嫦娥二号”的发射升空、飞行、变轨， 卫星对太空及月球的科学探测等，涉及物理学的众多知识，对“嫦娥二号”进行探究，可整合课本知识，培养分析能力，提高综合素质.现笔者编制了一组基于“嫦娥二号”的原创试题.

图1 长三丙发射“嫦娥二号”

1 “嫦娥二号”的发射

【例1】“嫦娥二号”是由长征三号丙运载火箭发射升空的，它主要用于发射地球同步轨道卫星，其GTO运载能力为3.8 t.全箭起飞质量345 t，全长54.838 m，一二子级直径3.35 m，助推器直径2.25 m，三子级直径3.0 m，卫星整流罩最大直径4.0 m.它的一子级、助推器和二子级使用偏二甲肼(UDMH)和四氧化二氮(N2O4)作为推进剂，三子级则使用效能更高的液氢和液氧.

(1)利用卫星通信，可以使人们的通信更加便捷.地球同步卫星在赤道平面上距地球表面高度为3.6×107m的轨道上.一般只要有______颗互成______角的同步卫星，就可以覆盖整个地球.如果选择地球作为参照物，那么同步卫星是______的(选填“静止”或“运动”).

(2)火箭三子级选用液氢作为燃料，从物质的物理属性角度考虑，它的突出优点是______；从环保的角度来说，它是______能源(选填“清洁”或“非清洁”);而按照人类对其开发和利用的现状来划分，它又属于______能源(选填“常规”或“新”).

(3)火箭发射升空初期，搭载着“嫦娥二号”卫星一起加速上升，在这一阶段，它们的动能______，重力势能______，机械能______.在这个过程中，燃料燃烧，将______能转化为______能，然后又将______能转化为火箭和卫星的______能.

图 2

解析：(1)如图2所示，一般只要有三颗互成120°角的同步卫星，就可覆盖整个地球；如果选择地球作为参照物，则同步卫星是静止的.

(2)火箭的三子级选用液氢和液氧作为燃料，从物质的物理属性角度考虑，它们具有较大的热值.而按照人类对其开发和利用的现状来划分，它又属于新能源.

(3)在火箭发射升空初期，加速上升，动能增大，重力势能也增大，所以机械能增大.在这个过程中，燃料燃烧，将化学能先转化为内能，然后通过做功，又将内能转化为机械能.

2 “嫦娥二号”的轨道修正

【例2】2010年10月2日12时，北京航天飞行控制中心对“嫦娥二号”成功实施首次地-月转移轨道中途修正，卫星首次变轨成功.“嫦娥二号”距离月面100 km近月制动、轨道修正，都涉及变轨控制，都是由卫星上的喷气发动机协同工作来实现的，每台发动机开动时，都能提供推力，从而改变“嫦娥二号”探测器的飞行速度和飞行轨道.

在对“嫦娥二号”探测器进行制动、变轨的过程中，通过启动相应的发动机，提供推力来实现，因为力除了可以让物体发生形变，还可以改变物体的________.

解析：力不仅可以使物体发生形变，还可以改变物体的运动状态.物体运动状态的改变包括物体由静到动，由动到静，由慢到快，由快到慢，还包括物体运动方向的改变.“嫦娥二号”制动和变轨的过程中，速度的大小和运动的方向均发生了改变，这些变化都是发动机提供的推力导致的.力是物体运动状态发生改变的原因.

3 “嫦娥二号”的跟踪与控制

【例3】承担卫星海上测控任务的3艘“远望号”布阵太平洋，“嫦娥二号”发射升空后，整个远望船队将通过“接力”的方式承担“嫦娥二号”卫星太阳帆板展开、卫星状态切换及监视等一系列重要任务.针对“嫦娥二号”空中飞行轨道，在国内外布设的13个测控站组成的庞大测控网，对它进行连续的跟踪、测量和控制.测控利用的波是

A.超声波 B.次声波

C.电磁波 D.红外线

解析：声波是一种机械波，地-月距离3.8×105km，声波无法完成这种远距离的传播;红外线的显著特性是热效应，在测量和控制上不如电磁波，故应选C项.

【例4】测量船在本次发射任务中负责“嫦娥二号”入轨段及地-月转移轨道段的海上测控，其中，卫星太阳翼展开、定向天线展开、一级卫星测控模式转换等，一系列动作的控制与监视是关键任务.测量船利用雷达发射的电磁波进行控制与监视，雷达频率在200 MHz～1 000 MHz的范围内，下列说法不正确的是

A.雷达发射电磁波的波长范围在0.3 m～1.5 m之间

B.电磁波的传播需要介质

C.测出从发射电磁波到接收反射波的时间间隔可确定雷达和目标的距离

D.电磁波的传播速度与介质有关

解析：由公式v=λf得

选项A正确；电磁波可以在真空中传播，且在真空中的传播速度最快，故应选B项.

【例5】“嫦娥二号”卫星共搭载7种探测设备，包括CCD立体相机、激光高度计、γ射线谱仪、X射线谱仪、微波探测仪、太阳高能粒子探测器和太阳风离子探测器，有效荷载总重约140 kg.

“嫦娥二号”卫星搭载的新型CCD相机能将图像分辨率从“嫦娥一号”120 m提高至10 m.CCD立体相机核心为CCD图像传感器，通过用电子捕获光线来替代以往的胶片成像，从而使摄影技术得到彻底革新，CCD图像传感器的发明曾获得2009年诺贝尔物理学奖，下列说法中不正确的是

A.CCD图像传感器中的半导体是热敏电阻

B.CCD图像传感器中的半导体是光敏电阻

C.激光、γ射线、X射线、微波都属于电磁波

D.数码成像本质上是将光信号转变为电信号，再由电信号转变为光信号

解析：由材料提供的信息不难判断，CCD图像传感器中的半导体是光敏电阻，起着光电传感器的作用，将光信号转变为电信号，再由电信号复原为光信号.