Question

（10分）“神舟”七号载人飞船在轨飞行四天后，返回舱开始从太空向地球表面按预定轨道返回，通过制动发动机点火减速降高。返回舱距地面高度大约10 km时，打开一个面积约1200m²的降落伞进一步减速下降，这一过程中若返回舱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，所受空气浮力不计，且认为竖直降落。从某时刻开始计时，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，切线交于横轴一点B，其坐标为（8，0），CD是曲线AD的渐近线。返回舱总质量为M=3300 kg，g取10m/s.试问：

（1）返回舱在这一阶段是怎样运动的？

（2）在初始时刻v=160m/s，此时它的加速度是多大？

（3）推证空气阻力系数k的表达式并计算其值。

Answer 1

解析：

（1）从图象可知：物体的速度是减小的，所以做的是减速直线运动，而且从AD曲线各点切线的斜率越来越小直到最后为零可知：其加速度大小是越来越小。所以返回舱在这一阶段做的是加速度越来越小的减速运动。

（2）因为AB是曲线AD在A点的切线，所以其斜率大小就是其在A点这一时刻的加速度大小，

（3）设返回舱最后匀速时的速度为返回舱在t=0时，由牛顿第二定律可知：

    ①

返回舱下降到速度达到8m/s时，做匀速直线运动，所以由平衡条件可知：

         ②

由①②两式可知：

代入数值解得：kg/m