“人類的飛天夢想”宇宙航天在高中物理中問題的暢想

李源潮

（安徽省淮北市第一中學(xué)（2016級），淮北　235000）

在科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的今天，我國的航天事業(yè)也在經(jīng)歷不斷發(fā)展與快速增長的變化階段，一次又一次的“神舟”號飛船發(fā)射進(jìn)入太空，在宇宙太空的奧秘不斷被探索發(fā)現(xiàn)同時，引起全國人民對宇宙航天問題的關(guān)注度不斷提升，下文將結(jié)合高中物理學(xué)科知識，對宇宙航天與高中物理知識之間的聯(lián)系以及在解決宇宙航天問題中的應(yīng)用，根據(jù)個人學(xué)習(xí)實(shí)踐進(jìn)行總結(jié)分析，以供參考。

1　天體問題

天體問題中需要考慮的是高中物理萬有引力定律知識。我國航天事業(yè)的快速發(fā)展，使得萬有引力定量在天文學(xué)應(yīng)用中的地位與作用影響越來越顯著，而萬有引力定律中三個宇宙速度的問題尤為顯著，即第一宇宙速度、第二宇宙速度和第三宇宙速度。其中，第一宇宙速度在宇宙航天應(yīng)用主要體現(xiàn)在航天事業(yè)發(fā)展的源頭部分，天體運(yùn)動的向心力中，其作用就來自于天體之間的引力作用，而引力作用對天體運(yùn)動的速度以及周期等存在著一定的影響。因此，高中物理學(xué)習(xí)中經(jīng)常會出現(xiàn)計(jì)算衛(wèi)星繞天體運(yùn)行的質(zhì)量或者是密度等問題。對于這類問題可以通過萬有引力與中心力相等的規(guī)律，對中心天體的質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算求取。通常情況下，在這類問題解決中，如果知道天體的半徑值，就可以對其平均密度進(jìn)行計(jì)算求取，那么，對于周圍衛(wèi)星圍繞天體軌道運(yùn)行的情況，其軌道半徑與天體半徑是一致的，因此，就能夠?qū)μ祗w的密度情況進(jìn)行計(jì)算求取?？傊?，對于這類問題，在學(xué)習(xí)過程中，只要對圍繞天體運(yùn)行的衛(wèi)星運(yùn)動周期進(jìn)行計(jì)算求出，就能夠?qū)υ撝行奶祗w的密度進(jìn)行估算。比如，在已知海王星半徑為地球半徑的4倍，同時海王星質(zhì)量為地球質(zhì)量的16倍，如果地球表面重力加速度為10m/s2，地球第一宇宙速度為7.9km/s，那么，要求海王星表面重力加速度與海王星第一宇宙速度分別為多少？

在進(jìn)行上述題目計(jì)算中，假設(shè)地球表面質(zhì)量為m1，海王星表面質(zhì)量為m2，那么根據(jù)“天體運(yùn)動的向心力中，其作用就來自于天體之間的引力作用，而引力作用對天體運(yùn)動的速度以及周期等存在著一定的影響”這一規(guī)律，即可得到將兩式相除后代入數(shù)據(jù)計(jì)算，即可獲得海王星的重力加速度為10m/s2，上式中g(shù)表示天體的重力加速度。

2　變軌問題

宇宙航天中宇宙飛船或衛(wèi)星從發(fā)射至升空、最后進(jìn)入太空正常運(yùn)行，這一過程中會涉及到多次軌道變遷問題，與高中物理學(xué)科所學(xué)知識內(nèi)容之間存在著一定聯(lián)系，也是高中物理學(xué)習(xí)的重點(diǎn)內(nèi)容之一。一般情況下，宇宙航天中宇宙飛船或衛(wèi)星從地面發(fā)射后，會進(jìn)入距離地球最近的軌道進(jìn)行飛行，并且在飛船或衛(wèi)星速度突然增加變化后，會變換軌道進(jìn)入橢圓軌道進(jìn)行圓周運(yùn)動，此外，在到達(dá)橢圓軌道遠(yuǎn)地點(diǎn)時又會進(jìn)行再一次的變軌，到達(dá)另一圓中進(jìn)行圓周運(yùn)動。而宇宙飛船或衛(wèi)星發(fā)射升空并進(jìn)入太空運(yùn)行過程中，其速度變化下降時，則會進(jìn)行貼心運(yùn)動，再回到原來的軌道進(jìn)行圓周運(yùn)動，這類問題也是近幾年高考中考察的熱點(diǎn)問題。

比如，已知“嫦娥一號”繞地球運(yùn)行中需要經(jīng)過如下圖1所示的三次橢圓變軌，那么，它在三次變軌的橢圓軌道上正常運(yùn)行時，下列哪種說法是錯誤的。A.T1＞T2＞T3；B.T1＜T2＜T3；C.T1=T2=T3；D.無法確定。

3　運(yùn)行問題

高中物理學(xué)科中，涉及宇宙航天的相關(guān)問題還包含有人造衛(wèi)生發(fā)射升空中額的運(yùn)行問題。人造衛(wèi)星發(fā)射升空后，其運(yùn)行軌道的中心點(diǎn)和地球的球心是相互重合的，而同步運(yùn)行的通信衛(wèi)星其運(yùn)行軌道平面與赤道平面呈重合表現(xiàn)，同時，它的運(yùn)行周期以及方向和地球自轉(zhuǎn)周期、方向相同，而衛(wèi)星運(yùn)行角速度、速率與地球也相同，此外，衛(wèi)星距離地面的高度是一個恒量值。因此，近地衛(wèi)星在地球表面做勻速的圓周運(yùn)動時，它的軌道半徑與地球半徑可以看作是近似相等的情況。

比如，已知“嫦娥一號”圍繞地球進(jìn)行橢圓軌道運(yùn)行過程中，橢圓的一個焦點(diǎn)與地球球心重合，如下圖2所示，那么，只考慮地球萬有引力作用下，飛船從軌道A沿箭頭方向運(yùn)行至B時，哪種說法正確。A.飛船速度逐漸增大；B.飛船速度逐漸減??；C.飛船加速度逐漸增大；D.飛船受到的萬有引力逐漸減小。

進(jìn)行該題目分析時，將飛船從A向B運(yùn)行過程中的萬有引力作為阻力，通過分析，就可以得到答案B和D。

4　結(jié)束語

總之，宇宙航天中，飛船或衛(wèi)星的運(yùn)行、變軌以及天體之間的萬有引力作用所涉及的問題，都可以用高中物理知識進(jìn)行解決，將宇宙航天問題與高中物理知識學(xué)習(xí)相結(jié)合，不僅有利于考察學(xué)生對知識內(nèi)容的掌握以及運(yùn)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題的能力，同時，在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，幫助學(xué)生樹立科學(xué)的世界觀方面，也有非常積極的作用，研究價值顯著。

[1]李為.變質(zhì)量天體運(yùn)動狀態(tài)的萬有引力定律分析[J].高考，2017（27）：253.