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，我國的航天事業(yè)也隨之蓬勃發(fā)展，尤其是“神舟十一號”的成功發(fā)射，進一步激勵了一代又一代的航天人員。與此同時，航天航空與萬有引力定律有機結(jié)合的問題也出現(xiàn)在了中學的物理考試中，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)成為高考中的熱點問題，符合物理知識在生活、生產(chǎn)方面的運用，也是考試大綱與實踐的要求。

關(guān)鍵詞：中學物理；航天航空；問題闡釋

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

1 我國航空航天事業(yè)的發(fā)展歷程

在20世紀70年代，我國的第一顆人造衛(wèi)星“東方紅”發(fā)射成功，這對于我國來說具有里程碑的意義，實現(xiàn)歷史性的突破。十一世紀初期，楊利偉搭載的神舟五號飛船進入太空，中國第一次實現(xiàn)了載人航天飛船的成功發(fā)射，楊利偉成為我國航天的第一人。緊隨楊利偉之后的費俊龍、聶海勝也進入太空，神舟六號的發(fā)射成功標志著我國航天事業(yè)獲得了重大的突破。2007年的中國首顆探月衛(wèi)星——嫦娥一號，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年我國相繼發(fā)射了神州十一號飛船，同年安全返回。近年來我國航天事業(yè)一次次的突破，使得我們的航天人積累了大量的實踐經(jīng)驗。

2 中學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)射后進入離地球最近的軌道做圓周運動，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)星就會在原來的軌道上做離心運動，其次在橢圓軌道上運行，最后在離橢圓軌道的遠處時再實現(xiàn)變軌，使得其在另一個圓上做圓周運動，這時衛(wèi)星運行軌道的半徑大致是橢圓軌道的半軸長，如果衛(wèi)星的速度突然下降，那么衛(wèi)星就會做近心運動，最后回到原來的軌道[1]。

例如：“神舟十一號”飛船在2016年順利返回地球，在完成任務之后飛船在返途的過程中要在P點從圓軌道Ⅰ進入橢圓軌道Ⅱ，Q是軌道Ⅱ上的一點，關(guān)于“神舟十一號”運動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)星運行過程中參量問題的探討

地球的球心與人造衛(wèi)星運行軌道的中心關(guān)系。同步衛(wèi)星的運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恒量。衛(wèi)星在地球的表面做圓周運動，其軌道的半徑與地球的半徑近乎相等?？捎靡韵碌臏y試題來求證：“北斗”衛(wèi)星的導航定位系統(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?shù)厍虻撵o止軌道衛(wèi)星與中軌道都在圓軌道上運行，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

對于天體運動的問題，解決的基本思路是天體運動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，圍繞天體運行的衛(wèi)星運動周期為已知條件，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試題來闡釋此觀點：

2013年航天飛行器“嫦娥三號”探月成功，順利返回并且?guī)Щ亓颂綔y器，在月球上一系列的人類活動通過實驗得以實現(xiàn)并取得重大的突破，在這之后還在月球上進行了對月球表面地質(zhì)和地貌的監(jiān)測，以及地質(zhì)構(gòu)造成分的個中探測活動。其中，若是“嫦娥三號”圍繞著月球做勻速的圓周運動，設(shè)運動的周期為T，運行軌道的半徑為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

中學在測試這一方面的內(nèi)容基本上與當前的航空航天聯(lián)系在一起，這體現(xiàn)了學校注重學生能力與科學素養(yǎng)的培養(yǎng)，對實事和理論相結(jié)合的特點以及要求，在物理學的研究方面需要學生將自己學過的知識進行思維加工。物理學科的思維分析能力要求較高，具有其自身的特點與復雜性，因此，中學生在學習的過程中要靜下心，把各個知識點逐個擊破吃透，并且理解其中的內(nèi)在聯(lián)系，必要時可做實驗來驗證結(jié)果，做到活學活用才能在物理學中找到樂趣。本文主要針對實際的高中物理學習過程中，與航空航天問題有關(guān)的內(nèi)容進行了簡單分析，以期具有一定的參考價值。

參考文獻

[1]陳昱至.小議中學物理中關(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中學）