教育 物理

太空任務

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撰文者:張慧貞(國立彰化師範大學 物理學系物理教育組 教授)
發文日期:2017-08-02
點閱次數:275
  • 探討「太空任務」的問題,除了與「克卜勒定律」、「萬有引力」有關之外,還需連結到「牛頓運動定律」、「功能定理」、「運動學」…等。藉由本單元,讓我們檢測自己對這些定律的了解,尤其是對定律適用條件的掌握。

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    小試身手
    (I)第1~6題:考量外太空的人造衛星運行的三個階段,(1)首先以軌道半徑為做圓周軌跡3運行,(2)因受到稀薄空氣阻力影響,軌道半徑由,逐漸緩慢地以螺旋軌跡縮小為,(3)衛星以半徑為的圓周軌道運行(如圖1 )。其中,在圓周軌道的運行過程(階段1&3),皆忽略空氣阻力的影響。

    1. 衛星軌道呈現螺旋內縮的過程中(階段2),衛星的速率將如何變化?
    (A) 漸增 (B) 漸減 (C) 維持等速

    2. 承上題,階段2的過程中,哪一(些)外力會影響其速率?
    (A) 只有空氣阻力 (B) 只有重力 (C) 兩者皆是 (D) 兩者皆非

    3. 承上題,階段2的過程,衛星的「力學能」將如何變化?
    (A) 漸增 (B) 漸減 (C) 維持定值

    4. 比較同一衛星在不同半徑繞行時(階段1及3),下列哪一(些)物理量維持定值?
    (A) 只有角動量 (B) 只有單位時間掃出的面積 (C) 兩者皆是 (D) 兩者皆非

    5. 承上題,同一人造衛星分別在階段1及3,其繞行週期(T)與半徑(r),是否仍符合克卜勒行星第三定律()?
    (A) 可以 (B) 不可以

    6. 若比較不同質量的人造衛星,在相同軌道半徑上繞行時,則其繞行速率是否相等?
    (A) 相等 (B) 不相等


    (II)第7~10題: 訓練太空人時常利用飛機以如圖2軌跡,製造出數秒的失重狀態。飛機操作的方式為,先將飛機向上拉提到具有某個向上速度(及高度)時,立刻關掉引擎,持續數秒後,再度開啟引擎拉提飛機,以避免撞地。(所有過程皆忽略空氣阻力)
    試題圖2


    7. 根據圖2的軌跡,若僅考慮鉛直方向,試判斷飛機在點5位置時的加速度方向
    (A) 向上 (B) 向下 (C) 加速度為零

    8. 承上題,試判斷飛機在點8位置時,加速度的方向
    (A) 向上 (B) 向下 (C) 加速度為零

    9. 承上題,根據圖2推測太空人呈現「失重」狀態的範圍,最可能為以下何者?
    (A) 點6~點8 (B) 點5~點8 (C) 點5~點7 (D) 點3~點7

    10. 承上題,當飛機內的太空人呈現「失重」狀態時,那一(些)物理量為零?
    (A) 只有合力 (B) 只有加速度 (C) 兩者皆是 (D) 兩者皆非

    學習單下載:太空任務學習單
    詳解與剖析:(隨後就來)

     
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