萬(wàn)有引力與航空技術(shù)

李少淮

摘 要： 萬(wàn)有引力與航空技術(shù)這種問題在研究上十分抽象，不能夠通過(guò)眼睛直觀觀察到，這便要求我們學(xué)生不僅要具有一定的空間想象能力，還要具有較強(qiáng)的運(yùn)算能力，這種高要求使得高中學(xué)生普遍認(rèn)為這部分知識(shí)學(xué)習(xí)起來(lái)較為困難，導(dǎo)致在高考中，此類型問題的得分率普遍較低。鑒于此，為了能夠使我們學(xué)生更好地掌握這部分的知識(shí)和內(nèi)容，提高在高考中的得分率，本文將對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)探討。

關(guān)鍵詞：萬(wàn)有引力 航空問題 問題分析

中圖分類號(hào)：G63 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-9082（2017）01-0146-01

前言

萬(wàn)有引力是高中物理學(xué)科中的重要組成部分，也是與航空技術(shù)息息相關(guān)的內(nèi)容。為了能夠利用萬(wàn)有引力進(jìn)一步發(fā)展我國(guó)的航空技術(shù)，我們身為高中生應(yīng)當(dāng)在學(xué)習(xí)中充分掌握萬(wàn)有引力的相關(guān)知識(shí)和內(nèi)容，不僅能夠在一定程度上提高我們的高考成績(jī)，未來(lái)也許還能夠?yàn)榇龠M(jìn)我國(guó)航天事業(yè)的發(fā)展做出一定貢獻(xiàn)。下面筆者就對(duì)萬(wàn)有引力與航空技術(shù)在高考中的關(guān)聯(lián)問題進(jìn)行闡述。

一、萬(wàn)有引力與航空技術(shù)問題的高考解析

1.萬(wàn)有引力與航空技術(shù)問題的高考命題解析

高考在考察萬(wàn)有引力與航空技術(shù)的問題上，主要是用于在分析衛(wèi)星的發(fā)射、繞地運(yùn)動(dòng)以及衛(wèi)星返回地球等方面的問題，這類問題因?yàn)橛须y度有熱度也十分受到高考命題老師的喜歡。我們?cè)诮獯疬@類問題時(shí)，常使用類比或是遷移等方法，將地球上所存在的問題遷移到其它星體上，但是必須注意的是在遷移以后，所采用的計(jì)算常量都應(yīng)當(dāng)以該星體上的常量進(jìn)行計(jì)算。

2.應(yīng)對(duì)萬(wàn)有引力與航空技術(shù)問題的有效策略

我們?cè)诮獯鸷娇占夹g(shù)有關(guān)萬(wàn)有引力的問題時(shí)，應(yīng)當(dāng)掌握兩個(gè)重要的方程，一個(gè)是萬(wàn)有引力給衛(wèi)星所提供的向心力，即

其中r指的是衛(wèi)星或其它天體運(yùn)行的軌道半徑。而當(dāng)衛(wèi)星接近星體表面時(shí)，兩者之間所具有的萬(wàn)有引力則相同于衛(wèi)星在星體上的重力，即，其中R表示的是星體半徑。通過(guò)這兩個(gè)公式便能夠解決很多航空相關(guān)問題。

二、衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)相關(guān)問題分析

1.衛(wèi)星的發(fā)射

衛(wèi)星在發(fā)射過(guò)程中，當(dāng)助推力大于衛(wèi)星的重力時(shí)才能夠使其脫離地球的引力而發(fā)射到太空中。根據(jù)此原理延伸出很多相似的問題，如人向上拋石頭，當(dāng)?shù)竭_(dá)一個(gè)頂點(diǎn)時(shí)，物體便會(huì)下落直到落到地上。例如，已知甲向上拋出一個(gè)物體，初始速度為v初，當(dāng)經(jīng)過(guò)t秒后，物理回落到星體表面，該星體的半徑為R，求當(dāng)沿星球表面拋出速度為多大時(shí)，所拋出的物體才能夠不落回到星體表面。在解決此類問題時(shí)，首先應(yīng)當(dāng)先計(jì)算該星球的常量重力加速度a，即，得出，由于水平拋出物體，不會(huì)落回地面，只能圍繞星球做向心運(yùn)動(dòng)，因此有公式，以此能夠解出。

2.衛(wèi)星的運(yùn)行

衛(wèi)星在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)遵從一定的規(guī)律，并且每個(gè)衛(wèi)星都擁有自己的運(yùn)行軌道，最為人們所熟知的便是地球同步衛(wèi)星，該衛(wèi)星距離地球大概有3.6萬(wàn)公里，能夠覆蓋地球的每一個(gè)角落。而當(dāng)前人們所使用的GPS系統(tǒng)主要是美國(guó)衛(wèi)星所提供的服務(wù)，這些衛(wèi)星距離地球大概為2萬(wàn)公里，衛(wèi)星數(shù)量為24個(gè)。根據(jù)萬(wàn)有引力相關(guān)知識(shí)和公式能夠計(jì)算出，用于定位的美國(guó)GPS衛(wèi)星相較于地球同步衛(wèi)星擁有更大的線速度。從衛(wèi)星的發(fā)射和運(yùn)行都能夠應(yīng)用到上述兩個(gè)最基本的公式。

3.衛(wèi)星的返回

當(dāng)衛(wèi)星返回地球時(shí)，為了能夠使衛(wèi)星安全著陸，在其處于自由落體運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)時(shí)，應(yīng)當(dāng)點(diǎn)燃衛(wèi)星上的緩沖火箭，其在噴漆過(guò)程中會(huì)受到一個(gè)向上的力和加速度，能夠使衛(wèi)星一直保持減速運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，從而降低衛(wèi)星下落的速度，使其在著陸時(shí)盡量減少損害。例如，我國(guó)的嫦娥工程，每次嫦娥號(hào)衛(wèi)星發(fā)射都需要執(zhí)行繞、落、回三個(gè)任務(wù)，衛(wèi)星在完成這三個(gè)任務(wù)時(shí)便會(huì)涉及萬(wàn)有引力，因此我們學(xué)生應(yīng)當(dāng)學(xué)習(xí)和了解這部分知識(shí)，了解影響衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的各種要素，同時(shí)利用萬(wàn)有引力的定律和公式計(jì)算出改變衛(wèi)星狀態(tài)所需要附加的力。

三、航空天體問題同牛頓運(yùn)動(dòng)定律之間的結(jié)合

1.超重和失重問題

所謂超重主要是指物體所產(chǎn)生的壓力大于其本身的重力，失重則正好相反。物體無(wú)論是出現(xiàn)超重還是失重，主要是因?yàn)槲矬w在垂直方向上存在一個(gè)加速度，我們可以根據(jù)加速度出現(xiàn)的具體情況，利用相關(guān)理論進(jìn)行求解。我們要了解超重和失重的具體情況，應(yīng)當(dāng)充分掌握萬(wàn)有引力的相關(guān)知識(shí)和內(nèi)容，并且還應(yīng)當(dāng)知道萬(wàn)有引力相當(dāng)于物體的重力。例如，當(dāng)我們乘坐電梯時(shí)，電梯在上升過(guò)程中我們雙腳的支撐力便處于超重的狀態(tài)；而當(dāng)上升停止時(shí)，人體上升的速度大于電梯的上升速度，則處于失重的狀態(tài)。

2.拋體運(yùn)動(dòng)問題

我們?cè)谄綍r(shí)能夠見到很多拋物運(yùn)動(dòng)，如平拋、上拋、自由落體等。在其它星體上也能夠做類似的運(yùn)動(dòng)，在計(jì)算相關(guān)問題時(shí)，只需要將平常所使用的重力加速度改成該星體的重力加速度，這種解答問題的方法也被人們稱為類比。例如，當(dāng)某人在一個(gè)半徑為R的星球上向上拋出質(zhì)量為m的物體，該物體被拋出的初始速度為v初，當(dāng)經(jīng)過(guò)t秒之后，該物體重新回答拋物者的手中，求該物體平拋速度為多大時(shí)，才能夠不落到地面圍繞星球做圓周運(yùn)動(dòng)。該問題的解答方式同衛(wèi)星發(fā)射問題存在很大的相似之處，應(yīng)當(dāng)利用類比的方法解答這類問題，通過(guò)分析和計(jì)算最后得出只有當(dāng)水平拋出速度時(shí)，物體才能夠不掉回星球表面。

總結(jié)

總之，基于我國(guó)教育體制的大范圍改革，高考也發(fā)生了重大變化，越來(lái)越重視與現(xiàn)實(shí)問題的聯(lián)接。我們學(xué)生為了能夠在高考中解決萬(wàn)有引力與航空技術(shù)相關(guān)的問題，應(yīng)當(dāng)充分學(xué)習(xí)和掌握相關(guān)知識(shí)和內(nèi)容，不僅提高我們的高考成績(jī)，也能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)航空技術(shù)的了解，無(wú)論是對(duì)生活還是對(duì)未來(lái)發(fā)展都有一定的助益。

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