一个连同装备总质量为M=100kg的宇航员，在距离飞船x=45m处与飞船处于相对...

一个连同装备总质量为M=100kg的宇航员，在距离飞船x=45m处与飞船处于相对静止状态，宇航员背着装有质量为m0=0.5kg氧气的贮气筒。筒上装有可以使氧气以v=50m/s的速度喷出的喷嘴，宇航员必须向着返回飞船的相反方向放出氧气，才能回到飞船，同时又必须保留一部分氧气供途中呼吸用，宇航员的耗氧率为Q=2.5×10-4 kg/s，不考虑喷出氧气对设备及宇航员总质量的影响，则：

(1)瞬时喷出多少氧气，宇航员才能安全返回飞船？

(2)为了使总耗氧量最低，应一次喷出多少氧气？返回时间又是多少？

(1) 0.05kg≤m≤0.45kg (2)m=0.15kg，t=600s 【解析】 (1)由题述可知所求的喷出氧气的质量m应有一个范围，若m太小，宇航员获得的速度也小，虽贮气筒中剩余的氧气较多，但由于返回飞船所用的时间太长，将无法满足他途中呼吸所用，若m太大，宇航员获得的速度虽然大了，而筒中氧气太少，也无法满足其呼吸作用，所以m对应的最小和最大两个临界值都应是氧气恰好用完的情况，设瞬间喷气m kg时，宇航员恰能安全返回，根据动量守恒定律可得： mv=MV ① 宇航员匀速返回的时间为t=x/V ② 贮气筒中氧气的总质量：m0≥m+Qt ③ 代入数据可得0.05 kg≤m≤0.45 kg (2)为了使总耗氧量最低，设喷出mkg氧气，则耗氧 ④ 另喷气过程动量守恒：联立可得：，代入④式得根据数学知识有，当时，有最小值，此时m=0.15kg 返回时间

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考点分析：

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如图所示，质量分别为mA=m，mB=3m的A、B两物体放置在光滑的水平面上，其中A物体紧靠光滑墙壁，A、B两物体之间用轻弹簧相连。对B物体缓慢施加一个水平向右的力，使A、B两物体之间弹簧压缩到最短并锁定，此过程中，该力做功为W0，现突然撤去外力并解除锁定，（设重力加速度为g，A、B两物体体积很小，可视为质点）求：