Повторим астрономию, а заодно и физику... [ ] Сегодня, 20:07 ВВЕДЕНИЕ 1. Привести примеры космических физических тел. 2. Когда был запущен первый искусственный спутник Земли? 3. Кто стал первым космонавтом Земли? 4. Когда состоялся первый полёт человека в космос? 5. О каких достижениях современной космонавтики вы знаете? МЕХАНИЧЕСКОЕ ДВИЖЕНИЕ 1. По какой траектории движутся планеты вокруг Солнца? 2. Известно, что первая, вторая и третья космические скорости соответственно равны 7,9; 11,2 и 16,5км/с. Выразить эти скорости в м/с и км/ч. 3. Чему равна скорость МКС (Международной космической станции) и транспортного космического корабля «Союз-ТМ-31» после стыковки относительно друг друга? 4. Космонавты орбитальной космической станции «Салют-6» наблюдали приближение транспортного корабля «Прогресс». «Скорость корабля 4 м/с», - сказал Юрий Романенко. Относительно какого тела имел в виду космонавт скорость корабля – относительно Земли или относительно станции «Салют»? 5. Представим, что с космодрома, расположенного на экваторе, запущены четыре одинаковых спутника Земли на одинаковую высоту: на север, юг, запад, и восток. При этом каждый следующий спутник запускали через 1 мин. после предыдущего. Столкнуться ли в полёте спутники? Какой из них было легче запускать? Орбиты считать круговыми. (Ответ: спутники, запущенные вдоль экватора, столкнутся, а те, что запускают на север и юг, столкнуться не могут, т. к. они будут обращаться в разных плоскостях, угол между которыми равен углу поворота Земли за 1 мин. В сторону вращения Земли, т. е. на восток, спутник запустить легче, т. к. при этом используется скорость вращения Земли, дополняющая скорость, сообщаемую ракетой-носителем. Труднее всего запускать спутник на запад). 6. Расстояние между звёздами принято выражать в световых годах. За световой год принимается расстояние, проходимое светом в вакууме за один год. Выразить световой год в километрах. (Ответ: 9,5*1012км). 7. Туманность Андромеды видна невооружённым глазом, но отстоит от Земли на расстоянии 900 тыс. св. лет. Выразить это расстояние в километрах. (Ответ: 8,5*1018км). 8. Скорость искусственного спутника Земли 8 км/с, а пули винтовки 800 м/с. Какое из этих тел движется быстрее и во сколько раз? 9. За какое время свет проходит расстояние от Солнца до Земли? (Ответ: 8 мин 20 с). 10. Самая близкая к нам звезда находится в созвездии Центавра. Свет от неё идёт до Земли 4,3 года. Определить расстояние до данной звезды. (Ответ: 270 000 а.е.). 11. Советский космический корабль «Восток-5» с Валерием Быковским на борту 81 раз облетел вокруг Земли. Подсчитать расстояние (в а.е.), пройденное кораблём, считая орбиту круговой и отстоящей от поверхности Земли на 200 км. (Ответ: 0,022 а.е.). 12. Экспедиция Магеллана совершила кругосветное путешествие за 3 года, а Гагарин облетел земной шар за 89 минут. Пути, пройденные ими, приблизительно равны. Во сколько раз средняя скорость полёта Гагарина превышала среднюю скорость плавания Магеллана? (Ответ: 20 000). 13. Звезда Вега, в направлении которой со скоростью 20 км/с движется наша Солнечная система, находится от нас на расстоянии 2,5*1014 км. Через сколько времени мы бы оказались вблизи этой звезды, если бы она сама не перемещалась в мировом пространстве? (Ответ: через 400 000 лет). 14. Какое расстояние проходит Земля при движении вокруг Солнца за секунду? за сутки? за год? (Ответ: 30 км; 2,6 млн. км; 940 млн. км). 15. Найти среднюю скорость движения Луны вокруг Земли, считая орбиту Луны круговой. Среднее расстояние от Земли до Луны 384 000 км, а 16. период обращения равен суток. (Ответ: 1 км/с). 16. За какое время ракета приобретёт первую космическую скорость 7,9 км/с, если она будет двигаться с ускорением 40 м/с2? (Ответ: 3,3 мин). 17. Какое время понадобилось бы космическому кораблю, разгоняемую фотонной ракетой с постоянным ускорением 9,8 м/с2, чтобы достичь скорости, равной 9/10 скорости света? (Ответ: 320 суток). 18. Космическая ракета разгоняется из состояния покоя и, пройдя расстояние 200 км, достигает скорости 11 км/с. С каким ускорением она двигалась? Каково время разгона? (Ответ: 300 м/с2; 37с). 19. Советский космический корабль-спутник «Восток-3» с космонавтом Андрияном Николаевым на борту совершил 64 оборота вокруг Земли за 95 часов. Определить среднюю скорость полёта (в км/с). Орбиту корабля считать круговой и отстоящей на 230 км от поверхности Земли. (Ответ: 7,3 км/с). 20. На каком расстоянии от Земли должен находиться космический корабль, чтобы радиосигнал, посланный с Земли и отражённый кораблём, вернулся на Землю через 1,8 с после его отправления. (Ответ: 270 000 км). 21. Астероид Икар обращается вокруг Солнца за 1,02 года, находясь в среднем на расстоянии 1,08 а.е. от него. Определить среднюю скорость движения астероида. (Ответ: 31,63км/с). 22. Астероид Гидальго обращается вокруг Солнца за 14,04 года, находясь в среднем на расстоянии 5,82 а.е. от него. Определить среднюю скорость движения астероида. (Ответ: 12,38 км/с). 23. Комета Швассмана-Вахмана движется по орбите, близкой к круговой с периодом 15,3 года на расстоянии 6,09 а.е. от Солнца. Вычислить скорость её движения. (Ответ: 11,89 км/с). 24. За какое время ракета приобретёт первую космическую скорость 7,9км/с, если она будет двигаться с ускорением 40 м/с2? (Ответ:3,3с). 25. Спутник, двигаясь вблизи земной поверхности по эллиптической орбите, тормозится атмосферой. Как это изменит траекторию полёта? (Ответ: Уменьшение скорости переводит эллиптическую траекторию в круговую. Дальнейшее непрерывное уменьшение скорости переводит круговую орбиту в спираль. Этим и объясняется то, что первые ИСЗ существовали ограниченное время. Попадая в плотные слои атмосферы, они нагревались до огромной температуры и испарялись). 26. Можно ли создать спутник, который будет двигаться вокруг земли сколь угодно долго? (Ответ: Практически можно. На высоте порядка несколько тысяч километров сопротивление воздуха почти не влияет на полёт спутника. Кроме того, на спутнике можно установить небольшие ракеты, которые будут, по мере надобности, выравнивать скорость спутника до необходимой). 27. Человеческий организм сравнительно долго может переносить четырёхкратное увеличение своего веса. Какое максимальное ускорение можно придать кораблю, чтобы не превысить этой нагрузки на организм космонавтов, если они не снабжены средствами ослабления нагрузки? Разобрать случаи вертикального взлёта с поверхности Земли, вертикального спуска, движения по горизонтали и полёт вне поля тяготения. (Ответ: По второму закону Ньютона находим, что при отвесном старте с Земли допустимо ускорение 3g0, при отвесном спуске 5g0, при движении вокруг Земли у её поверхности – g0 , вне поля тяготения –4g0 ). МАССА ТЕЛ. ПЛОТНОСТЬ 1. Сравнить массу Земли с массой Солнца. 2. Найти отношение массы Солнца к суммарной массе восьми больших планет солнечной системы. (Ответ: около740). 3. Масса третьего советского искусственного спутника Земли составляла 1327 кг, а первые четыре американских спутника имели следующие массы: «Эксплорер-1» —13,9 кг, «Авангард-1» — 1,5 кг, «Эксплорер-3» — 14,1 кг («Эксплорер-2» не вышел на орбиту), «Эксплорер-4» — 17,3 кг. Подсчитать отношение массы третьего искусственного спутника к суммарной массе четырёх американских спутников. (Ответ: 28). 4. Какое тело Солнечной системы имеет самую большую массу? 5. Космонавт, находящийся в открытом космосе, тянет за трос, другой конец которого прикреплён к космическому кораблю. Почему корабль не приобретает какой-либо значительной скорости в направлении к космонавту? ( Ответ: масса космического аппарата во много раз превышает массу космонавта, поэтому корабль дополнительно приобретает ничтожно малую скорость). 6. Плотность земной коры составляет 2700кг/м3, а средняя плотность всей планеты 5500кг/м3. Чем это можно объяснить? Какой вывод можно сделать о плотности вещества в центре Земли, исходя из этих данных?
СИЛА ВСЕМИРНОГО ТЯГОТЕНИЯ. СИЛА ТЯЖЕСТИ. НЕВЕСОМОСТЬ 1. Под действием какой силы изменяется направление движения ИСЗ, запущенных в околопланетное пространство? 2. Сила тяги ракетных двигателей космического корабля, стартующего вертикально вверх, 350кН, а сила тяжести корабля 100кН. Изобразите эти силы графически. Масштаб: 1см – 100кН. 3. Вокруг Земли вращается автоматическая станция. Одинакова ли сила тяжести, действующая на станцию в случаях, когда она находилась на стартовой площадке и на орбите? 4. Масса самоходного аппарата-лунохода 840кг. Какая сила тяжести действовала на луноход, когда он находился на Земле и на Луне? ( Ответ: 8200 Н на Земле; 1370 Н на Луне). 5. Известно, что на Луне на тело массой 1кг действует сила тяжести, равная 1,62 Н. определить каким будет на Луне вес космонавта, масса которого 70кг. 6. Самый крупный в нашей стране телескоп-рефлектор с диаметром зеркала 6м установлен в Ставропольском крае на горе Пастухова, его вес составляет 8500кН. Определить его массу. 7. Космонавты решили определить массу планеты, на которую их доставил ракетоплан. Для этой цели они использовали пружинные весы и килограммовую гирю. Каким образом они выполнили своё намерение, если радиус планеты им был известен заранее из астрономических измерений? (Ответ: воспользовавшись пружинными весами, следует измерить вес гири на этой планете. Затем воспользоваться закон всемирного тяготения, из которого получаем: (Ответ: ). 8. На каком расстоянии от центра Земли находится барицентр (центр тяжести) системы Земля-Луна? (Ответ: По закону всемирного тяготения ; ). 9. Вычислить силу, прижимающую космонавта массой 80кг к сидению кабины: а) перед началом подъёма корабля; б) при вертикальном подъёме на участке, где ракета движется с ускорением 60м/с2; в) при полёте по орбите. (Ответ: 800Н; 5600Н; 0). 10. Радиус планеты Марс составляет 0,53 радиуса Земли, а масса – 0,11 массы Земли. Во сколько раз сила притяжения на Марсе меньше силы притяжения того же тела на Земле? (Ответ: 2,55). 11. Радиус планеты Юпитер составляет 11,2 радиуса Земли, а масса – 318 массы Земли. Во сколько раз сила притяжения на Юпитере больше силы притяжения того же тела на Земле? (Ответ: 2,5). 12. Радиус планеты Венера составляет 0,95 радиуса Земли, а масса – 0,82 массы Земли. Во сколько раз сила притяжения на Венере меньше силы притяжения того же тела на Земле? (Ответ: 1,1). 13. Радиус планеты Сатурн составляет 9,5 радиуса Земли, а масса – 95,1 массы Земли. Во сколько раз сила притяжения на Сатурне отличается от силы притяжения того же тела на Земле? (Ответ: 1,05). 14. Масса Луны в 81 раз меньше массы Земли. Найти на линии, соединяющей центры Земли и Луны, точку, в которой равны друг другу силы притяжения Земли и Луны, действующие на помещённое в этой точке тело. ((Ответ: Искомая точка находится от центра - Луны на расстоянии 0,1S, где S – расстояние между центрами Земли и Луны). 15. Найти на каком расстоянии от центра Земли период обращения ИСЗ будет равен 24 часам, так что спутник сможет занимать относительно вращающейся Земли неизменное положение. (Ответ: 42 200км). 16. Радиус одного их астероидов r = 5км. Допустим, что плотность астероида равна =5,5кг/м3, найти ускорение силы тяжести на его поверхности. (Ответ: 0,008м/с2). 17. Подсчитать ускорение свободного падения на поверхности Солнца, если известны: радиус земной орбиты R = 1,5*108км, радиус Солнца r = 7*105км и время обращения Земли вокруг Солнца Т = 1 год. (Ответ: 265м/с2). 18. Герои романа Жюль Верна «Из пушки на Луну» летели в снаряде. Пушка «Колумбиада» имела длину ствола 300м. Учитывая, что для полёта на Луну снаряд при выстреле из ствола должен был бы иметь скорость не менее 11,1км/с, подсчитать во сколько раз «возрастал вес» пассажиров внутри ствола. Движение внутри ствола считать равноускоренным. (Ответ: более чем в 20 000 раз). 19. По закону всемирного тяготения Луна притягивается и к Земле и к Солнцу. К чему сильнее и во сколько раз? (Ответ: К Солнцу в два с лишним раза сильнее).
20. Как объяснить кажущееся противоречие между результатами, полученными при решении предыдущей задачи, и тем фактом, что Луна остаётся спутником Земли, а не Солнца? (Ответ: Земля и Луна притягиваются к Солнцу не порознь, а как одно тело. Точнее говоря, к Солнцу притягивается общий центр тяжести системы Земля-Луна, называемый барицентром. Он и обращается вокруг Солнца по эллиптической орбите. Земля и Луна обращаются вокруг барицентра, совершая полный оборот за месяц. По остроумному выражению замечательного популяризатора точных наук Я.И.Перельмана, Солнце «не вмешивается во внутренние отношения Земли и Луны, «точнее – почти не вмешивается».) 21. Вообразим, что на Луне в точках, наиболее и наименее удалённых от Земли, находятся два космонавта. Какой из них будет весить больше в тот момент, когда Луна окажется на отрезке, соединяющем центры Земли и Солнца? (Ответ: Диаметр Луны по сравнению с её расстоянием до Солнца мал. Поэтому Солнце мало изменит лунный вес космонавта. Земля же, находясь ближе к Луне, окажет существенное влияние. Поэтому космонавт, находящийся в точке, расположенной ближе к Земле, будет весить меньше). 22. На какой высоте над поверхностью Земли вес тела будет втрое меньше, чем на её на поверхности? (Ответ: H =RЗемли( -1). 23. В 1935 г. в созвездии Кассиопеи была открыта звезда, названная белым карликом Кейпера. Радиус её равен 3300км, а масса в 2,8 превышает массу Солнца. Радиус Солнца – 3,48*105км, а масса – 2*1030кг. а) Какова плотность вещества звезды? б) Каково ускорение свободного падания на её поверхности? в) Сколько весил бы 1см3 земного воздуха (плотность 0,0013 г/см3) на поверхности звезды? Влияние атмосферы звезды не учитывать. г) Если вещество звезды однородно, то сколько весит 1см3 этого вещества на самой звезде? ( Ответ: 36т/см3; 35 000км/с2; 45т; 130 млн. т). 24. Одинаково ли растянет пружину динамометра одно и тоже тело на Земле и на Луне? 25. Представьте себе, что в земле прорыт сквозной колодец, проходящий через её центр. Каким было бы движение камня, брошенного в такой колодец? Докажите, что камень через некоторое время остановился бы, если бы не сгорел. Где произошла бы остановка? Если бы в колодце создать вакуум, то движение камня продолжалось бы бесконечно долго. Однако и тогда эту систему нельзя было бы считать вечным двигателем. Почему? (Ответ: колебательным; В центре Земли скорость камня была бы максимальной. Вследствие силы сопротивления воздуха колебания камня были бы затухающими. Камень остановился бы в центре Земли. Следует различать существующее в природе вечное движение и вечный двигатель. Под вечным двигателем понимается машина, совершающая работу без уменьшения запасов сообщённой ей энергии. Если рассматриваемый камень заставить производить работу, то кинетическая энергия камня будет уменьшаться. Следовательно, он не вечный двигатель. Вечный двигатель принципиально невозможен, и изобретать его бесполезно). 26. Почему ИСЗ не падают на Землю под влиянием силы тяжести? (Ответ: они падают, но не успевают упасть Скорость их движения такова, что, «упав» на какое расстояние ВС по вертикали, спутник успевает переместиться на расстояние АВ по горизонтали. В результате он оказывается на таком же расстоянии от поверхности Земли, что и раньше). 27. Почему тела внутри космического корабля, летящего с выключенными двигателями, невесомы? 28. В чём ошибка следующего утверждения: «Так как масса Солнца в 300 000 раз больше массы Земли, то Солнце должно сильнее притягивать Землю?» 29. Какие явления убеждают нас в существовании всемирного тяготения? 30. Известно, что детскую игрушку ванька-встаньку невозможно заставить лежать. Проверьте, будет ли сохранять ванька-встанька горизонтальное (лежачее) положение при свободном падении. (При выполнении этого опыта необходимо, чтобы игрушка падала на что-то мягкое, иначе она может разбиться). 31. Можно ли на космическом корабле-спутнике, двигающемся по круговой орбите вокруг Земли, взвешивать на пружинных или рычажных весах? (Ответ: Нет). 32. Могут ли космонавты в случае необходимости пользоваться на корабле-спутнике Земли обычным медицинским термометром? (Ответ: Да). 33. Чтобы восполнить потери воздуха для жизнеобеспечения на орбитальной станции «Салют», транспортный корабль «Прогресс» доставил баллоны с воздухом. Производит ли воздух давление на стенки баллона в условиях невесомости? Должен ли баллон для хранения газа на борту станции быть таким же прочным, как и на Земле? (Ответ: Производит, беспорядочное движение молекул существует и в состоянии невесомости. Должен). 34. Если сосуд частично заполненный жидкостью, поместить внутри космического корабля, то что произойдёт с жидкостью после выключения двигателей корабля? Разобрать два случая: для смачивающей и несмачивающей жидкости. (Ответ: несмачивающая жидкость примет форму шара (если в сосуде достаточно пространства). Смачивающая жидкость растечётся по всей поверхности сосуда, и форма, принятая жидкостью, будет зависеть от формы сосуда и степени его наполнения). 35. Одинаковая ли сила трения действует на космонавта на Луне и на Земле? 36. Как бы стала двигаться Луна, если бы исчезло тяготение между Луной и Землёй? Если бы прекратилось движение Луны по орбите? 37. Может ли космонавт определить вертикальность или горизонтальность приборов с помощью отвеса или уровня во время полёта в ИСЗ? (Ответ: не может, т.к. тела в космических кораблях находятся в состоянии невесомости). 38. Вес тела на Луне в 6 раз меньше, чем на Земле. Одинаковое ли усилие потребуется, чтобы сообщить скорость луноходу по горизонтальной ровной поверхности на Луне и на Земле? Время, в течение которого аппарат приобретает скорость, и другие условия считать одинаковыми. Трением пренебречь. (Ответ: Одинаково. Усилие, необходимое для изменения скорости тела при прочих равных условиях, зависит только от массы тела, которая одна и та же как на Земле, так и на Луне). 39. Какими часами можно измерять время в искусственных спутниках: песочными, ходиками или пружинными? (Ответ: пружинными). 40. Будет ли тонуть в воде стальной ключ в условиях невесомости, например, на борту орбитальной космической станции, внутри которой поддерживается нормальное атмосферное давление воздуха? (Ответ: ключ может находиться в любой точке жидкости, поскольку в условиях невесомости на ключ не действуют ни сила тяжести, ни архимедова сила). 41. Плотность пенистой стали (стали с пузырьками газа) почти такая же, как у бальзы. Такая сталь получается, когда при затвердевании в расплавленном состоянии она содержит пузырьки газа. Почему пенистую сталь удаётся получать лишь в состоянии невесомости, а не в земных условиях? (Ответ: в земных условиях пузырьки газа под действием архимедовой силы успевают выделиться из стали до её затвердевания). 42. На стекле находится большая капля ртути. Какую форму она примет, если её вместе с о стеклом поместить в космический корабль, летящий с выключенными двигателями? (Ответ: сферическую, т.к. в космическом корабле, летящем с выключенными двигателями, наблюдается состояние невесомости). 43. Придумайте приспособление, позволяющее космонавту шагать в условиях невесомости, например, по полу или стенке орбитальной станции. (Ответ: например, башмаки с магнитными подошвами, если пол (стенки) станции или корабля сделаны из магнитных материалов). 44. Ответьте на следующие вопросы: а) Как в условиях невесомости перелить воду из одного сосуда в другой? б) как нагреть воду? в) Как отразится невесомость на процессе кипячения воды? г) Как повернуть ракету вокруг её оси? Как изменить направление её полёта? д) Как измерить массу тела в условиях невесомости? е) Как создать искусственную тяжесть? ж) Нужен ли маховик поршневой машине, работающей в межпланетном пространстве? (Ответ: а) Воду из сосуда можно выдавить сжатым воздухом или надавливанием на стенки сосуда, если они эластичные. б) Спиртовка, керосинка гореть не будут, т. к. не будет конвекции воздуха, а значит, и доступа кислорода. Можно использовать паяльную лампу, инфракрасные лучи электрической спирали и токи высокой частоты. в)Т.к. при нагревании воды конвекции не будет, то нагреется ряд местных объёмов воды до кипения. пар, расширяясь, вытеснит всю воду из сосуда, прежде чем она закипит. г) С помощью небольших ракет, расположенных соответствующим образом, или изменяя направление вытекания продуктов сгорания из основной ракеты. д) На тело надо подействовать известной силой упругости (например, пружиной) и измерить ускорение, полученное телом. е) Привести корабль во вращение вокруг одной из осей его симметрии. ж) Нужен). ДАВЛЕНИЕ. АТМОСФЕРНОЕ ДАВЛЕНИЕ
ДАВЛЕНИЕ. АТМОСФЕРНОЕ ДАВЛЕНИЕ 1. Какое давление на лунный грунт оказывал астронавт, масса которого со снаряжением 175кг, а ботинок оставлял след площадью 410см2? (Ответ: 42 кН). 2. Предполагают, что Луна когда-то была окружена атмосферой, но постепенно потеряла её. Чем это можно объяснить? 3. Зачем космонавту нужен скафандр? 4. Первый выход в открытый космос совершил Алексей Леонов 18 марта 1965г. Давление в скафандре космонавта составляло 0,4 нормального атмосферного давления. Определить числовое значение этого давления. (Ответ: 40 530 Па). 5. На какой высоте над уровнем моря атмосферное давление равно давлению в скафандре космонавта? (Ответ: 5 км). 6. На какую высоту на Марсе поднимется столбик ртути в барометре, если давление его атмосферы составляет 0,01 от нормального атмосферного давления Земли? (Ответ: 7,6 мм). 7. На какую высоту на Венере поднимется столбик ртути в барометре, если давление её атмосферы у поверхности составляет в 90 раз больше нормального атмосферного давления Земли? (Ответ: 68,4 м). 8. Можно ли измерить давление воздуха внутри корабля-спутника Земли ртутным барометром? барометром-анероидом? ДАВЛЕНИЕ ЖИДКОСТИ. ЗАКОН АРХИМЕДА 1. Производит ли жидкость давление на стенки и дно сосуда в условиях невесомости, например на борту ИСЗ? (Ответ: не производит, т. к. давление жидкости на дно и стенки сосуда обусловлено действием силы тяжести). 2. Каковы были бы результаты опыта по изучению давления жидкости, проводимого в лаборатории на лунной поверхности? Производит ли жидкость давление на дно и стенки сосуда на Луне? Почему? А на Марсе? (Ответ: производит, но давление меньше, чем на Земле в 6 раз; на Марсе меньше в 2,7 раз). 3. Может ли космонавт набрать жидкость в пипетку во время полёта на космическом корабле, если в кабине поддерживается нормальное атмосферное давление? (Ответ: Может). 4. Представим себе, что в лаборатории, установленной на Луне, поддерживается нормальное атмосферное давление. Какой будет высота ртутного столба, если проделать опыт Торричелли в такой лаборатории? Не выльется ли ртуть полностью из трубки? (Ответ: Высота ртутного столба в этих условиях будет в 6 раз больше и составит 456 см. т. к. сила тяжести на Луне в 6 раз меньше. Для опыта Торричелли потребовалась бы трубка длиной 5 м). 5. Справедливы ли законы Паскаля и Архимеда внутри корабля-спутника? (Ответ: оба справедливы). 6. Справедлив ли закон сообщающихся сосудов внутри корабля-спутника Земли? 7. В земных условиях для испытания косморнавта в состоянии невесомости применяют различные способы. Один из них заключается в следующем: человек в специальном скафандре погружается в воду, в которой он не тоне и не всплывает. При каком условии это возможно? (Ответ: сила тяжести, действующая не скафандр с человеком, должна уравновешиваться архимедовой силой). 8. Допустим, что на борту лунной лаборатории проводят опыт, связанный с архимедовой силой. Каковы будут результаты опыта, например, с камнем, погружённым в воду в такой лаборатории? Не будет ли камень плавать на поверхности воды, так как он весит на Луне в 6 раз легче, чем на Земле? (Ответ: Результаты опыта будут такими же, как на Земле. Вес камня на Луне действительно в 6 раз меньше, чем на Земле, но во столько же раз меньше и вес жидкости, вытесненной телом). 9. Будет ли тонуть в воде стальной ключ в условиях невесомости, например, на борту орбитальной космической станции, внутри которой поддерживается нормальное атмосферное давление воздуха? (Ответ: Ключ может находиться в любой точке жидкости, поскольку в условиях невесомости на ключ не действуют ни сила тяжести, ни архимедова сила). 10. Сосуд частично заполнен водой, которая не смачивает его стенки. Можно ли в условиях невесомости перелить воду из этого сосуда в другой такой же сосуд? (Ответ: Можно. Можно воспользоваться, например, явлением инерции покоя. Для этого достаточно соединить сосуды в торец и сместить их в сторону сосуда, заполненного жидкостью). 11. Ртутный барометр уронили, и он, сохраняя вертикальное положение падает с большой высоты. Если не учитывать сопротивление воздуха, то можно считать, что барометр при падении находится в состоянии невесомости. Что он будет показывать? (Ответ: под действием атмосферного давления трубка целиком заполнится ртутью. поэтому барометр будет показывать давление, соответствующее давлению высоты столбика ртути в трубке). 12. В сосуде с водой плавает шар, наполовину погрузившись в воду. Изменится ли глубина погружения шара, если этот сосуд с шаром перенести на планету, где сила тяжести в два раза больше. чем на Земле? (Ответ: Не изменится. На планете, где сила тяжести в два раза больше, чем на Земле, и вес воды, и вес шара увеличатся в два раза. Поэтому и вес вытесненной шаром воды возрастёт так же, как и вес шара. Следовательно, глубина погружения шара в воду не изменится). 13. Предположим, что в некотором районе на поверхности Луны твёрдость и плотность грунта совпадают с твёрдостью и плотность грунта в данном месте на Земле.Где легче копать лопатой: на Земле или на Луне? (Ответ: На Земле. Следует учитывать, что успех работы зависит от давления лопаты на грунт).
РАБОТА. ЭНЕРГИЯ. ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ. ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ИМПУЛЬСА. 1. Астронавт поднимает образцы лунных пород на борт космического аппарата. Какую работу он при этом совершает, если масса образцов 100кг, а высота подъёма над поверхностью Луны 5м? (Ответ: поскольку ускорение свободного падения на Луне равно 1,6 м/с2, то работа равна 800 Дж). 2. Масса космического корабля «Восток», запущенного в околоземное пространство с первым в мире космонавтом Ю.Гагариным, 4725кг. Высота орбиты составляла в среднем 250км над поверхностью планеты. Какую работу совершили ракетные двигатели только для подъёма корабля на такую высоту? Изменением силы тяжести с высотой пренебречь. 3. Совершит ли космонавт работу при равномерном поднятии предметов в космическом корабле во время его движения по инерции, т.е. в состоянии невесомости? при сообщении им скорости? 4. Из суммы каких видов энергий состоит полная механическая энергия ИСЗ? 5. Что происходит с потенциальной и кинетической энергией ИСЗ при переходе на более высокую орбиту? 6. Определите полную механическую энергию каждого килограмма космического аппарата, выведенного в околоземное пространство на орбиту высотой 300 км над земной поверхностью. Кинетическая энергия аппарата превышает потенциальную в 10 раз. (Ответ: 32,3 МДж). 7. Когда расходуется меньше энергии: при запуске ИСЗ вдоль меридиана или вдоль экватора в сторону вращения Земли? (Ответ: При запуске вдоль экватора в сторону вращения Земли. В этом случае скорость суточного вращения земли складывается со скоростью спутника). 8. Почему для запуска спутника с большей массой на заданную орбиту требуется израсходовать больше энергии, чем для спутника меньшей массы? (Ответ: На одной и той же орбите у спутников разная полная механическая энергия). 9. Советская автоматическая станция «Астрон» массой около 35т, выведенная на орбиту 1983г., обращалась над Землёй на высотах в пределах от 2000км (перигей) до 200 000км (апогей). Определить потенциальную энергию на этих высотах и на сколько изменилась кинетическая энергия при переходе на более высокую орбиту? 10. У Аризонского метеоритного кратера диаметр 1207м, глубина 174м и высота окружающего его вала от 40 до 50 м. Считая массу метеороида (гигантского метеорита) 106т, а скорость равной геоцентрической скорости (30км/с). Определить его кинетическую энергию. 11. Что должен предпринять космонавт, чтобы с корабля-спутника Земли, двигающегося по круговой орбите, отправить на Землю какое-либо тело? (Ответ: Космонавт может достигнуть этого тремя способами. 1) Уменьшить скорость тела по сравнению со скоростью корабля, т. е. отбросить тело назад. 2) Перевести тело на орбиту меньшего радиуса, где, для того чтобы остаться на орбите, телу нужна большая горизонтальная скорость, чем имеется у корабля, а значит, и у тела. Для этого тело нужно отбросить вниз. 3) Сочетая первое со вторым, можно отбросить тело назад и вниз. Наиболее эффективным (энергетически экономным) является первый способ). 12. Представим, что из космического корабля-спутника с высоты 550км над поверхностью Земли был отправлен по спиральной траектории на Землю контейнер массой 95кг. Для этого его орбитальную скорость уменьшили до 6,5км/с. Контейнер был полностью заторможен атмосферой. Какое количество теплоты выделилось при этом торможении? (Ответ: 2500 МДж). 13. Механическая энергия каждого килограмма вещества космического аппарата, выведенного на околоземную орбиту высотой 300 км и обладающего первой космической скоростью 8 км/с, равна 34*107дж. Эта энергия составляет лишь 5% энергии, затраченной при доставке каждого килограмма аппарата на орбиту. Пользуясь этими данными, определите количество топлива, израсходованного при выведении на такую орбиту станции «Салют» массой 18 900 кг. (Ответ: 2800 т). 14. Космонавту, находящемуся в открытом космосе, необходимо вернуться на корабль. На земле эта задача нехитрая, знай себе шагай, но в космосе всё значительно сложнее, так как оттолкнуться ногами не от чего Как же космонавту сдвинуться с места? (Ответ: необходимо бросить какой-нибудь предмет (если его не окажется положение космонавта станет трагическим) в сторону, противоположную ракете. Тогда, в соответствии с законом сохранения количества движения, человек приобретёт направленную к ракете скорость). 15. Ракета-носитель доставила спутник на орбиту и разогнала его до нужной скорости. Механизм, отделяющий последнюю ступень ракеты от спутника, сообщил ей скорость (относительно общего центра тяжести) 1км/с. Какую добавочную скорость получит спутник, если его масса 5т, а масса последней ступени без горючего 9т? 16. Если бы космическая ракета выбрасывала свои газы не постепенно, а все вместе одним толчком, то какое количество горючего было бы необходимо, чтобы одноступенчатой ракете массой 1т при скорости вылета газов 2км/с придать первую космическую скорость? (Ответ: m 4т). 17. Из ракетного двигателя за время t равномерно вытекает масса газа m со скоростью истечения u. Какова сила тяги двигателя? (Ответ: ). 18. От двухступенчатой баллистической ракеты общей массой 1т в момент достижения скорости 171м/с отделилась её вторая ступень массой 0,4т со скоростью 185м/с. Определить с какой скоростью стала двигаться первая ступень ракеты. (Ответ: 161,7м/с). 19. С какой минимальной скоростью относительно космического корабля должен двигаться железный метеорит, чтобы в результате столкновения с кораблём он мог расплавиться? Температура до столкновения с метеоритом равна1000С. Считать, что количество теплоты, выделившееся в результате столкновения, распределилось поровну между кораблём и метеоритом. Удельная теплоёмкость железа 460Дж/(кг*К), удельная теплота плавления железа 2,7*105 Дж/кг и температура плавления железа 15350С. (Ответ: 2 км).
ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ 1. Почему нагревается обшивка спускаемого космического аппарата? 2. Какие способы распространения теплоты возможны внутри корабля-спутника, двигающегося по круговой орбите и заполненного газом? (Ответ: из-за невесомости естественная циркуляция газа почти не имеет место. Если нет и принудительного перемещения газа, то возможны только теплопроводность и излучение). 3. Может ли энергия передаваться конвекцией в условиях невесомости, например, в ИСЗ, когда на борту поддерживается нормальное атмосферное давление? Почему? (Ответ: не может, т. к. в условиях невесомости нет конвекции). 4. Почему в ИСЗ и космических кораблях необходима принудительная циркуляция воздуха? (Ответ: невозможно было бы поддерживать нормальную температуру на борту космического корабля, космонавты дышали бы выдыхаемым воздухом, т. к. в состоянии невесомости нет конвекции, т. е. естественной циркуляции воздуха). 5. Почему обшивка космических кораблей разрушается, когда при возвращении на Землю они входят в плотные слои атмосферы? 6. Почему космические корабли и ракеты обшивают такими металлами, как тантал и вольфрам? 7. Масса ледяного ядра кометы Галлея 4,97*1011т. Считая, что каждую секунду она теряет 30т воды и при своём движении около Солнца бывает 4 месяца, вычислить на сколько оборотов хватит ледяного состава ядра. Период обращения кометы Галлея 76 лет. Определить, через сколько лет её ядро полностью испарится. (Ответ: Потеря льда за сутки 2,6*106т. Но интенсивное испарение воды из ядра происходит только вблизи Солнца, на расстояниях от него не более 1 а.е. При каждом возвращении к Солнцу комета Галлея движется в пределах этого расстояния около 4 мес. (120 суток) и, следовательно, за такой интервал времени теряет 3,1*108т. Отсюда следует, что ледяного состава ядра хватит ещё на 1600 оборотов кометы вокруг Солнца. А поскольку период обращения кометы 76 лет, то её ледяное ядро испарится полностью только через 122 000 лет). 8. В обычных условиях при кипении пузырьки пара поднимаются к свободной поверхности жидкости. Как должно проходить кипение в состоянии невесомости, например, в ИСЗ, на борту которого поддерживается нормальное атмосферное давление? (Ответ: пузырьки пара, увеличиваясь, не отрываются, а остаются на дне и стенках сосуда, поскольку в условиях невесомости на них не действует архимедова сила). 9. Что произойдёт, если космонавт, выйдя из корабля в открытый космос, откроет сосуд с водой? (Ответ: в безвоздушном пространстве (при малом давлении) вода начнёт кипеть и быстро испаряться. Жидкость охлаждается и затвердевает. Процесс испарения будет продолжаться, но медленно). 10. В двигателях ракеты-носителя космического корабля «Восток» в качестве топлива используют керосин. Какая масса керосина сгорала за 1с работы двигателей, если при этом выделялось 1,5*107кДж энергии? 11. Американский пилотируемый многоразовый транспортный космический корабль «Спейс-Шаттл» в качестве топлива использует жидкий водород, масса топлива в баке при старте 102 т. Вычислить энергию, которая выделяется при сжигании этого топлива во время полёта. Удельная теплота сгорания водорода 120 МДж\кг. (Ответ: 12 240 ГДж.). 12. Мощность ракеты-носителя корабля «Энергия» 125МВт. Какая масса топлива (керосина) сгорает в двигателях ракеты-носителя за первые 90 с полёта? Удельная теплота сгорания керосина 45 МДж\кг. (Ответ: 250 кг). 13. В летний день 1 м2 земной поверхности, освещённой солнечными лучами, получает за секунду до 1,36 кДж энергии. Какое количество теплоты получит за 10 мин вспаханное поле площадью 20 га? (Ответ: 272 МДж). 14. Мощность солнечного излучения, падающего на Землю, 2*1014 кВт. Сколько энергии получает Земля за сутки, если около 55% этой энергии поглощается атмосферой и земной поверхностью, а 45% отражается? Какую массу нефти нужно сжечь, чтобы получить такое же количество энергии? Удельная теплота сгорания нефти 46 МДж\кг. (Ответ: 9,5*1021Дж;2,1*108кт). 15. По проекту Б.К.Иоаннисиани в нашей стране был изготовлен и установлен в Ставропольском крае 6-ти метровый телескоп-рефлектор в 1974г. Стеклянная заготовка, из которой изготовлено зеркало весила 700кН и после отливки при температуре в16000С охлаждалась 736 суток. Считая, что конечной температурой отливки была температура 200С, вычислить энергию, выделившуюся при охлаждении стекла (удельная теплоёмкость стекла 800Дж/(кг*0С). (Ответ: 88500 МДж).
Меню сайту
