“神舟”六号飞船完成了预定空间科学和技术试验任务后,返回舱于2005年10月17日4时11分开始从太空向地球表面按预定轨道返回.在离地l0km的高度返回舱打开阻力降落伞减速下降,返回舱在这一过程中所受空气阻力与速度的平方成正比,比例系数(空气阻力系数)为k.已知返回舱的总质量M=3000kg,所受空气浮力恒定不变,且认为竖直降落.从某时刻起开始计时,返回舱的运动v-t图象如图中的AD曲线所示,图中AB是曲线在A点的切线,切线交于横轴于B点的坐标为(?10,0?),CD是AD的渐近线,亦是平行于横轴的直线,交纵轴于C点,C点的坐标为(?0,6?).请解决下列问题:(取g=10m/s2)
(1)在初始时刻v0=160m/s时,它的加速度多大?
(2)推证空气阻力系数k的表达式并算出其数值;
(3)返回舱在距地高度h=10m时,飞船底部的4个反推力小火箭点火工作,使其速度由6m/s迅速减至1m/s后落在地面上.?若忽略燃料质量的减少对返回舱总质量的影响,并忽略此段速度变化而引起空气阻力的变化,试估算每支小火箭的平均推力(计算结果取两位有效数字).
网友回答
解:(1)根据速度图象可知,在初始v0=160m/s时,过A点切线的斜率即为此时的加速度,设为a1,
??????? 其大小为?a1==m/s2=16m/s2
(2)由图知,返回舱的v-t图的斜率逐渐减小,最后是以v1=6m/s的速度作匀速运动.设返回舱所受空气浮力为f,在t=0时,根据牛顿第二定律则有:
Kv02+f-Mg=Ma1.????①
速度为?v1=6?m/s?时,返回舱受力平衡,即有:Kv12+f-Mg=0????②
由①、②两式解得:k=
代入数值得:k=kg/m=1.88?kg/m
(3)由题意知,在距地高度h=10m前,返回舱已处于匀速运动状态,返回舱所受浮力、阻力与重力的合力已持续为0.故返回舱在着地减速期间的加速度实际由4个小火箭的反推力共同产生.设每支小火箭的平均推力为F0,反推加速度大小为a2,着地速度为v2,根据牛顿第二定律
4F0=M?a2?????③
由运动学公式知:v22-v12=-2?a2?h???????④
由③、④两式解得:F0==N=1.3×103?N.
解析分析:(1)过A点切线的斜率为初始时刻的加速度.
(2)根据牛顿第二定律,列出当速度为160m/s时的表达式Kv02+f-Mg=Ma1.当速度为6m/s时,做匀速运动,列出表达式Kv12+f-Mg=0.联立两方程组解出k.
(3)在距地高度h=10m前,返回舱已处于匀速运动状态,返回舱所受浮力、阻力与重力的合力为0.减速运动的加速度由火箭推力产生,根据匀减速运动求出加速度,再根据牛顿第二定律求出每支小火箭的平均推力.
点评:解决本题的关键掌握牛顿第二定律.知道速度时间图线上点的切线斜率表示瞬时加速度,以及在距地高度h=10m时,飞船底部的4个反推力小火箭点火工作,合力就为4个反推力之和.