新課標理念下“萬有引力與宇宙航行”的題型研究
——以2022年高考真題為例

陳識野

(云南省大理白族自治州民族中學 671000)

2017年，新版的《普通高中物理課程標準》發布，在新版課程標準的理念引領下，滲透著物理學科核心素養的高考試題和時代結合得也越來越緊密.放眼時代，自新中國建國以來，中國在航天領域實現了一次又一次地飛躍，憑借著神舟飛船、中國空間站、長征系列運載火箭等諸多航天器，如今我國已經從航天大國邁向航天強國的行列中.結合時代和高考，“萬有引力與宇宙航行”這一模塊已經成為高考試題命制中比較青睞的考點之一.

1 高考真題呈現

1.1 開普勒第行星定律應用類

例1 (2022·浙江1月卷·T8)“天問一號”從地球發射后，在如圖1(a(所示的P點沿地火轉移軌道到Q點，再依次進入如圖1(b)所示的調相軌道和停泊軌道，則天問一號( ).

圖1

A. 發射速度介于7.9km/s與11.2km/s之間

B. 從P點轉移到Q點的時間小于6個月

C. 在環繞火星的停泊軌道運行的周期比在調相軌道上小

D. 在地火轉移軌道運動時的速度均大于地球繞太陽的速度

答案：C.

1.2 環繞類

例2 (2022·全國乙卷·T14)2022年3月，中國航天員翟志剛、王亞平、葉光富在離地球表面約400km的“天宮二號”空間站上通過天地連線，為同學們上了一堂精彩的科學課.通過直播畫面可以看到，在近地圓軌道上飛行的“天宮二號”中，航天員可以自由地漂浮，這表明他們( ).

A. 所受地球引力的大小近似為零

B. 所受地球引力與飛船對其作用力兩者的合力近似為零

C. 所受地球引力的大小與其隨飛船運動所需向心力的大小近似相等

D. 在地球表面上所受引力的大小小于其隨飛船運動所需向心力的大小

答案：C.

1.3 萬有引力與重力關系類

例3 (2022·山東卷·T6)“羲和號”是我國首顆太陽探測科學技術試驗衛星.如圖2所示，該衛星圍繞地球的運動視為勻速圓周運動，軌道平面與赤道平面接近垂直.衛星每天在相同時刻，沿相同方向經過地球表面A點正上方，恰好繞地球運行n圈.已知地球半徑為地軸R，自轉周期為T，地球表面重力加速度為g，則“羲和號”衛星軌道距地面高度為( ).

圖2

答案：C.

2 命題走向分析

從表1的分析中可以看出，2022年“萬有引力與宇宙航行”高考真題多以我國最新的航空航天科技成果為命題情境，通過最真實的情境呈現，考查學生綜合運用萬有引力知識解決實際問題的能力，每套試題中均有涉及.大多數試題以選擇題出現，只有全國甲卷和江蘇卷將該模塊融入到其他模塊中，以一個綜合計算題的形式出現.考點涵蓋了牛頓運動定律、失重、勻速圓周運動、萬有引力定律、開普勒行星定律、萬有引力與重力的關系、宇宙速度和變軌問題等物理知識點.

表1

3 高考命題者青睞的原因

3.1 建設科技強國、航天強國的必然要求

為黨育人，為國育才是教育的使命，我們國家正在加快建設科技強國，努力實現高水平科技的自立自強.航天作為高水平科技的代表領域，引導學生關注航天，考查學生的航天知識是現階段國家發展的必然要求，在高考命題中考查“萬有引力與宇宙航行”，不僅能提升學生的綜合素養，更能體現為黨育人，為國育才得教育使命.

3.2 學科核心素養要求

《普通高中物理課程標準(2017年版2020年修訂)》將物理學科核心素養凝練為：物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任.在新版課程標準的指引下，高考的命題也必將滲透物理學科的核心素養，“萬有引力與宇宙航行”作為科學的前言，科技的體現，必然是滲透物理學科核心素養比較好的命題素材.在表2中，本人將2022年“萬有引力與宇宙航行”高考真題中的學科核心素養進行了分析，經過分析也可以清晰的得出一個結論：作為落實學科核心素養的試題，“萬有引力與宇宙航行”是一個很好的切入點.

表2

3.3 小考點，大綜合

盡管“萬有引力與宇宙航行”模塊僅僅只是高考物理眾多考點中的一個，但由于該模塊涵蓋了牛頓運動定律、失重、能量轉化與守恒、勻速圓周運動、萬有引力定律、開普勒行星定律、萬有引力與重力的關系、宇宙速度等眾多基礎性內容.而且該類試題對學生科學思維能力、應用能力、空間想象能力、知識點遷移能力以及運用數學知識解決物理問題的能力都有很高的要求，所以“萬有引力與宇宙航行”這一模塊的試題具備了“小考點，大綜合”的特點，備受高考命題者青睞也是必然的結果.

4 解題策略

4.1 科學建模，區分兩類模型——隨中心天體自轉和繞中心天體公轉

(1)模型一：隨中心天體自轉模型

(2)模型二：繞中心天體公轉

4.2 細致審題，辨別五個關鍵點

(1)辨別中心天體半徑R和軌道半徑r.

(2)辨別環繞速度和發射速度.

(3)辨別自轉加速度和公轉加速度.

(4)辨別自轉周期和公轉周期.

(5)辨別離心運動和近心運動.

4.3 總結歸納，形成二級結論

(1)對于圍繞同一中心天體做勻速圓周運動的天體模型，可以得出“高軌低速大周期”的二級結論，即軌道半徑越大，線速度、角速度和向心加速度越小，而周期越大.