飞船在太空中减速能量是否守恒

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  飞船内部装有喷气发动机,可以向多个方向喷气.根据力的相互性,飞船向前、向后或向旁边喷射高速燃料,获得相反方向的力来改变它的运动状态.
  例1“长征”二号F型火箭,它是利用向后喷出气流而使自身受力前进的.当火箭加速升空时,它的机械能变化为( )
  (A)动能增加,重力势能增加
  (B) 动能减少,重力势能减少
  (C) 动能不变,重力势能不变
  (D) 动能增加,重力势能减少
  分析:火箭发动机工作时,燃料和氧化剂在燃烧室内燃烧,产生高温燃气,燃气通过喷管向后高速喷出,对火箭产生推力,把火箭发射升空,燃料的化学能转化为内能,内能又转化成火箭的机械能.因为它的速度和高度都在增加,所以本题的答案为(A).
  例2飞船在近地圆轨道上运行时,由于极稀薄的空气的影响,飞行高度会缓慢降低,需要进行多次轨道维持.轨道维持就是通过控制飞船上的发动机的点火时间和推力,使飞船能保持在同一轨道上稳定运行.2003年11月份,太阳风暴频发,太阳风暴使"神舟"五号轨道舱运行轨道上的稀薄大气密度增加,轨道舱飞行阻力加大,如果不进行轨道维持,飞船轨道舱的轨道高度就会逐渐降低,在这种情况下,飞船轨道舱的动能、重力势能和机械能变化的关系应该是( )
  (A) 动能、重力势能和机械能逐渐减小
  (B) 重力势能逐渐减小,动能逐渐增大,机械能不变
  (C) 重力势能逐渐增大,动能逐渐减小,机械能不变
  (D) 重力势能逐渐减小,动能逐渐增大,机械能逐渐减小
  分析:空气阻力不断阻碍飞船的运动,飞船的机械能减小,转化为内能.在轨道减小的过程中,除空气阻力外,地球对它的吸引力也做功,促进它的下落,其功大于克服空气阻力做的功,所以卫星的动能增加,重力势能减小,故选项(D)正确.
  例32003年10月16日,“神舟”五号载人飞船成功返航,实现了中国人几千年的“飞天”梦,当飞船减速着陆时,航天飞船的( )
  (A) 动能增加,重力势能减少
  (B) 动能减少,重力势能减少
  (C) 动能不变,重力势能不变
  (D) 动能不变,重力势能减少
  分析:飞船减速着陆时,由于飞船的速度和高度都在减小,所以本题的答案为(B).如果简单分析一下这个过程中的能量转化,可以认为是机械能转化为内能.但仔细推敲一下,这个答案忽略了一下很重要的问题.飞船减速着陆时,不光光受到空气的阻碍,更主要的是喷气燃料起了作用.由于飞船向前喷射燃气,根据力的相互性,飞船受到相反方向的作用力而减速.换句话说,飞船的机械能不光光转化为与空气摩擦时的内能,还有一个燃气的阻碍作用,此时的能量怎么转化?
  例4如果将例3更换一下情境设置:“神舟”X号载人飞船在月球上减速着陆时,飞船的能量转化情况为( )
  (A) 动能增加,重力势能减少
  (B) 动能减少,重力势能减少
  (C) 动能不变,重力势能不变
  (D) 动能不变,重力势能减少
  分析:等同于例3,本题的答案还是选(B).但分析此过程的能量转化就困难了.由于没有空气的摩擦,飞船的减速着陆完全靠的是燃气的反作用力.燃气燃烧,化学能转化成了内能,阻碍了飞船的下降,此时飞船的机械能肯定是减小的,此时的能量怎么转化?怎么守恒?
  燃气推动飞船加速上升时,以飞船为研究对象,燃气对飞船做功,燃气的内能转化为飞船的机械能;燃气阻碍飞船运动时,此时要转换研究对象,要把燃气作为被研究的物体,此时相当于飞船在对燃气做功,所以飞船的机械能转化为燃气的内能.
  综上所述,喷气燃料阻碍飞船着陆时,以燃气为研究对象,不光光是燃烧时的化学能转化为它的内能,还有飞船对燃气做功时的机械能转化为它的内能.这样思考,能量是否守恒的问题就迎刃而解了.
  [江苏省南通市第三中学 (226000)]
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