高中物理關(guān)于航空航天問題的探討

張宸熙

摘 要：隨著科技的發(fā)展，我國(guó)的航天事業(yè)也隨之蓬勃發(fā)展，尤其是“神舟十一號(hào)”的成功發(fā)射，進(jìn)一步激勵(lì)了一代又一代的航天人員。與此同時(shí)，航天航空與萬有引力定律有機(jī)結(jié)合的問題也出現(xiàn)在了中學(xué)的物理考試中，衛(wèi)星與現(xiàn)代科技的緊密結(jié)合，與之相關(guān)的問題都孕育而生，這已經(jīng)成為高考中的熱點(diǎn)問題，符合物理知識(shí)在生活、生產(chǎn)方面的運(yùn)用，也是考試大綱與實(shí)踐的要求。

關(guān)鍵詞：中學(xué)物理；航天航空；問題闡釋

中國(guó)航天事業(yè)的飛速發(fā)展給我們高考中的物理命題提供了素材。中學(xué)生如何理解理論與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合，將學(xué)過的知識(shí)運(yùn)用到物理實(shí)踐當(dāng)中去，這對(duì)于學(xué)生想象能力的培養(yǎng)以及綜合調(diào)用知識(shí)來解決實(shí)際問題有很大的益處。除此之外，也可以激發(fā)學(xué)生探究天體的興趣，對(duì)于中學(xué)生的未來職業(yè)發(fā)展有著非常重要的意義。

1 我國(guó)航空航天事業(yè)的發(fā)展歷程

在20世紀(jì)70年代，我國(guó)的第一顆人造衛(wèi)星“東方紅”發(fā)射成功，這對(duì)于我國(guó)來說具有里程碑的意義，實(shí)現(xiàn)歷史性的突破。十一世紀(jì)初期，楊利偉搭載的神舟五號(hào)飛船進(jìn)入太空，中國(guó)第一次實(shí)現(xiàn)了載人航天飛船的成功發(fā)射，楊利偉成為我國(guó)航天的第一人。緊隨楊利偉之后的費(fèi)俊龍、聶海勝也進(jìn)入太空，神舟六號(hào)的發(fā)射成功標(biāo)志著我國(guó)航天事業(yè)獲得了重大的突破。2007年的中國(guó)首顆探月衛(wèi)星——嫦娥一號(hào)，在酒泉衛(wèi)星發(fā)射基地發(fā)射成功，這次發(fā)射成功為下一次的月球軟著陸做了一些鋪墊性的工作。2016年我國(guó)相繼發(fā)射了神州十一號(hào)飛船，同年安全返回。近年來我國(guó)航天事業(yè)一次次的突破，使得我們的航天人積累了大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

2 中學(xué)物理中比較常見的航空航天問題

2.1 航天飛行器的變軌問題

衛(wèi)星或者是飛船從地面發(fā)射，第一步是發(fā)射后進(jìn)入離地球最近的軌道做圓周運(yùn)動(dòng)，隨著衛(wèi)星的速度突然增大，重力難以提供充足的向心力，衛(wèi)星就會(huì)在原來的軌道上做離心運(yùn)動(dòng)，其次在橢圓軌道上運(yùn)行，最后在離橢圓軌道的遠(yuǎn)處時(shí)再實(shí)現(xiàn)變軌，使得其在另一個(gè)圓上做圓周運(yùn)動(dòng)，這時(shí)衛(wèi)星運(yùn)行軌道的半徑大致是橢圓軌道的半軸長(zhǎng)，如果衛(wèi)星的速度突然下降，那么衛(wèi)星就會(huì)做近心運(yùn)動(dòng)，最后回到原來的軌道[1]。

例如：“神舟十一號(hào)”飛船在2016年順利返回地球，在完成任務(wù)之后飛船在返途的過程中要在P點(diǎn)從圓軌道Ⅰ進(jìn)入橢圓軌道Ⅱ，Q是軌道Ⅱ上的一點(diǎn)，關(guān)于“神舟十一號(hào)”運(yùn)動(dòng)中涉及的物理問題是（飛船在軌道Ⅱ上經(jīng)過Q的速度大于經(jīng)過P得速度）。如圖1所示：

2.2 人造地球衛(wèi)星運(yùn)行過程中參量問題的探討

地球的球心與人造衛(wèi)星運(yùn)行軌道的中心關(guān)系。同步衛(wèi)星的運(yùn)行軌道平面和赤道的平面相重合，并且和地球的自轉(zhuǎn)方向自轉(zhuǎn)周期是相同的，距離地面的高度大致是一個(gè)恒量。衛(wèi)星在地球的表面做圓周運(yùn)動(dòng)，其軌道的半徑與地球的半徑近乎相等。可用以下的測(cè)試題來求證：“北斗”衛(wèi)星的導(dǎo)航定位系統(tǒng)是由地球的靜止軌道衛(wèi)星（同步的衛(wèi)星）、傾斜同步的衛(wèi)星、中軌道衛(wèi)星而組成。當(dāng)?shù)厍虻撵o止軌道衛(wèi)星與中軌道都在圓軌道上運(yùn)行，那么距離地面的高度大約是地球半徑的3.4倍，由此得出的結(jié)論是（靜止軌道衛(wèi)星的周期大約是中軌道衛(wèi)星的2倍）

2.3 衛(wèi)星繞著天體的密度以及質(zhì)量的問題

對(duì)于天體運(yùn)動(dòng)的問題，解決的基本思路是天體運(yùn)動(dòng)的向心力源自于天體之間的引力。從天體表面的引力加速度和天體之間的半徑關(guān)系中，便可得出天體的質(zhì)量和密度；也可以通過觀察天體四周的衛(wèi)星周期以及軌道的半徑。從中可以知道：萬有引力等于中心力，便可求出中心天體的質(zhì)量；天體的半徑如果也知道則可以求出天體的平均密度；若是天體周圍的衛(wèi)星繞著軌道天體的軌道運(yùn)行，那么其軌道的半徑大致就是天體的半徑，從而可以知道天體的密度[2]。由此可見，圍繞天體運(yùn)行的衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)周期為已知條件，中心天體的密度也將被求出來。以下是歷年來較為常見的測(cè)試題來闡釋此觀點(diǎn)：

2013年航天飛行器“嫦娥三號(hào)”探月成功，順利返回并且?guī)Щ亓颂綔y(cè)器，在月球上一系列的人類活動(dòng)通過實(shí)驗(yàn)得以實(shí)現(xiàn)并取得重大的突破，在這之后還在月球上進(jìn)行了對(duì)月球表面地質(zhì)和地貌的監(jiān)測(cè)，以及地質(zhì)構(gòu)造成分的個(gè)中探測(cè)活動(dòng)。其中，若是“嫦娥三號(hào)”圍繞著月球做勻速的圓周運(yùn)動(dòng)，設(shè)運(yùn)動(dòng)的周期為T，運(yùn)行軌道的半徑為R，萬有引力的常量是G。根據(jù)以上的物理量可以得出的結(jié)論是：可求得月球的密度。

3 結(jié)語

中學(xué)在測(cè)試這一方面的內(nèi)容基本上與當(dāng)前的航空航天聯(lián)系在一起，這體現(xiàn)了學(xué)校注重學(xué)生能力與科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)，對(duì)實(shí)事和理論相結(jié)合的特點(diǎn)以及要求，在物理學(xué)的研究方面需要學(xué)生將自己學(xué)過的知識(shí)進(jìn)行思維加工。物理學(xué)科的思維分析能力要求較高，具有其自身的特點(diǎn)與復(fù)雜性，因此，中學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中要靜下心，把各個(gè)知識(shí)點(diǎn)逐個(gè)擊破吃透，并且理解其中的內(nèi)在聯(lián)系，必要時(shí)可做實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證結(jié)果，做到活學(xué)活用才能在物理學(xué)中找到樂趣。本文主要針對(duì)實(shí)際的高中物理學(xué)習(xí)過程中，與航空航天問題有關(guān)的內(nèi)容進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析，以期具有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]陳昱至.小議中學(xué)物理中關(guān)于航空航天的問題[J].科技展望，2017，（4）：231.

[2]馬瑞峰.牛頓第二定律的核心價(jià)值剖析[J].黑龍江科技信息，2017，（2）：72.

（作者單位：黑龍江省牡丹江市第一高級(jí)中學(xué)）