高中物理知識(shí)在航天航空方面應(yīng)用研究

李岸芷

【摘 要】隨著改革開(kāi)放的深入發(fā)展，我國(guó)的航天航空事業(yè)也相應(yīng)獲得了飛速發(fā)展，這使得近年來(lái)在高考物理試題的命題中，也會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)與航天航空相關(guān)的物理知識(shí)。本文主要分析了萬(wàn)有引力定律在天體運(yùn)動(dòng)中的綜合應(yīng)用，天體運(yùn)動(dòng)中功和能的例題解析，希望高考生在面對(duì)高中物理知識(shí)與航天航空方面結(jié)合的相關(guān)試題是能夠從容應(yīng)對(duì)。

【關(guān)鍵詞】高中物理知識(shí)；航天航空；應(yīng)用研究；實(shí)例分析

近年來(lái)，中國(guó)航天事業(yè)獲得了飛速發(fā)展，這為高考物理命題提供了非常多的素材。航空航天中應(yīng)用的原理有許多跟物理知識(shí)有著非常緊密的聯(lián)系，但是其中聯(lián)系較多的物理知識(shí)還是萬(wàn)有引力定律及萬(wàn)有引力定律與其它物理知識(shí)的結(jié)合方面，在高考考察方面也多從此角度入手。高中物理知識(shí)在航天航空方面的應(yīng)用具體體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：第一，關(guān)于天體質(zhì)量及密度的計(jì)算，這里高考命題的重點(diǎn)主要是萬(wàn)有引力定律、星球表面重力加速度的計(jì)算等；第二，關(guān)于人造衛(wèi)星的運(yùn)行及軌道變化的計(jì)算，這里高考命題的重點(diǎn)主要是圓周運(yùn)動(dòng)的相關(guān)規(guī)律、萬(wàn)有引力定律及衛(wèi)星在運(yùn)行時(shí)的線速度、角速度、周期等的計(jì)算。因此，航空航天知識(shí)與萬(wàn)有引力定律的相關(guān)知識(shí)有著緊密的聯(lián)系，作為高中生，為了更好的學(xué)習(xí)此方面的知識(shí)，應(yīng)將萬(wàn)有引力定律與其它相關(guān)的物理知識(shí)結(jié)合起來(lái)，來(lái)解決高中物理知識(shí)應(yīng)用于航天航空方面的綜合性物理問(wèn)題。

1 萬(wàn)有引力定律在天體運(yùn)動(dòng)中的綜合應(yīng)用

萬(wàn)有引力定律在高中物理知識(shí)中的力學(xué)知識(shí)方面占有非常重要的地位，在高考物理的考查中也占有較大的比重。在高考物理知識(shí)考查中，經(jīng)常會(huì)跟物理知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系在一起，如航空航天與物理知識(shí)的結(jié)合就是經(jīng)常被考察的領(lǐng)域。通常來(lái)說(shuō)，與航空航天聯(lián)系起來(lái)考察的物理知識(shí)通?？雌饋?lái)較抽象復(fù)雜，但事實(shí)上，通過(guò)仔細(xì)分析，這類(lèi)題目的核心實(shí)質(zhì)上就是萬(wàn)有引力定律，有時(shí)也會(huì)結(jié)合勻速圓周運(yùn)動(dòng)規(guī)律、牛頓運(yùn)動(dòng)定律、天體運(yùn)動(dòng)定律等其它知識(shí)綜合起來(lái)考查。要想使高中考生在面對(duì)這方面的知識(shí)能夠獲得較高的分?jǐn)?shù)，需要考生抓住題目所要考察的知識(shí)核心，聯(lián)系所學(xué)物理知識(shí)針對(duì)性地進(jìn)行解題。

例1 石墨烯是近年來(lái)發(fā)現(xiàn)的新型材料，具有較好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，據(jù)了解這種材料能使21世紀(jì)的世界發(fā)生巨大的變化，該材料的發(fā)現(xiàn)者還獲得了2010年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。在本世紀(jì)，有望實(shí)現(xiàn)用石墨烯搭建通往太空的纜繩。可以假設(shè)在地球的同步軌道站用石墨烯制作的纜繩通至赤道基站，電梯就沿著這條纜繩運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到太空與地球之間的有效連接。

如果從赤道基站到地球的同步軌道站之間的高度為h，從地球運(yùn)至外太空的貨物的質(zhì)量為m，求該貨物相對(duì)地心運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能。設(shè)地球自轉(zhuǎn)角度為w，半徑為R。

【解析】可以假設(shè)貨物到地球中心之間的距離為n，這樣貨物的線速度v自然而然得出。在這樣的條件下，可以得出：

n=R+h；v=n*w

貨物相對(duì)于地心的功能E=1/2*（mv2）；由以上公式可以相應(yīng)得出E=1/2*（m（R+h）2）。

2 天體運(yùn)動(dòng)中功和能例題解析

功和能是高中物理知識(shí)中的重要知識(shí)點(diǎn)，也是高考命題中經(jīng)常要考查的重要知識(shí)點(diǎn)，應(yīng)用功和能的有關(guān)物理知識(shí)可以幫助快速的解決高考物理題。在高中物理知識(shí)與航空航天結(jié)合的相關(guān)試題中，萬(wàn)有引力定律，功和能相結(jié)合的考查形式在高考物理中也經(jīng)常常見(jiàn)。針對(duì)這類(lèi)考查形式，需要高中生牢固掌握功和能的相關(guān)知識(shí)，還要對(duì)功和能的轉(zhuǎn)換關(guān)系有清楚的了解，這樣在面對(duì)類(lèi)似的高考物理試題時(shí)才能更加從容的應(yīng)對(duì)。在掌握功和能、功和能之間轉(zhuǎn)換關(guān)系相關(guān)知識(shí)的基礎(chǔ)上，再結(jié)合萬(wàn)有引力定律的相關(guān)應(yīng)用，就能相應(yīng)解決與航空航天領(lǐng)域相關(guān)的物理知識(shí)。

例2 我國(guó)“嫦娥三號(hào)”探測(cè)器升入月球的最后階段應(yīng)用了復(fù)雜的物理知識(shí)。首先在“嫦娥三號(hào)”內(nèi)部發(fā)動(dòng)機(jī)的作用下，設(shè)探測(cè)器接收到來(lái)自?xún)?nèi)部的推力后距離月球表面高度為h1的位置停住，隨著推力的變化，探測(cè)器開(kāi)始迅速下降，假設(shè)離月球的高度h2的速度為v。在探測(cè)器安全懸停在月球上空后，將發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，探測(cè)器僅受重力影響下落到月球表面。已知條件為探測(cè)器除燃料之外的總質(zhì)量為m，地球和月球的半徑比值為k1，地球和月球間的質(zhì)量比值為k2，另外，地球表面附近的重力加速度為g。求：月球表面的重力加速度大小及“嫦娥三號(hào)”探測(cè)器剛剛接觸月球表面時(shí)的速度。

【解析】假設(shè)地球的質(zhì)量和半徑分別為M和R，月球的質(zhì)量為M1，月球的半徑為R1，月球表面附近的重力加速度為g1，探測(cè)器剛剛接觸月球表面時(shí)的速度的大小為v1。

在這樣的條件下，可以由此得出星球表面的萬(wàn)有引力為：mg1=GM1m/R12；mg=GMm/R2。在此基礎(chǔ)上，可以明顯得出，月球表面附近的重力加速度g1=k12g/k2。再結(jié)合速度的位移公式，v12-v2=2g1h2，可以明顯得到探測(cè)器剛剛接觸月球表面時(shí)的速度v1=（v2+2k12gh1/k2）1/2。

3 結(jié)語(yǔ)

在航空航天領(lǐng)域內(nèi)考查高中物理知識(shí)在近年來(lái)的高考物理試題中非常常見(jiàn)，幾乎每年都會(huì)出現(xiàn)。通常來(lái)說(shuō)，類(lèi)似的試題都會(huì)以萬(wàn)有引力知識(shí)為核心，再結(jié)合其它高考物理易考點(diǎn)進(jìn)行綜合考查。針對(duì)高考物理題中出現(xiàn)此類(lèi)的問(wèn)題，需要高考生能夠熟練掌握萬(wàn)有引力定律的相關(guān)知識(shí)，如重力、向心力等知識(shí)，除此之外，還需要清楚重力之間、向心力之間、重力及向心力之間的關(guān)系，還需要詳細(xì)了解萬(wàn)有引力定律適用的條件，并理解萬(wàn)有引力定律與其它物理知識(shí)之間的關(guān)系及相關(guān)的應(yīng)用。目前，高考物理知識(shí)的考查不單單是簡(jiǎn)單的考查一個(gè)物理知識(shí)點(diǎn)，還需要通過(guò)多種知識(shí)的結(jié)合來(lái)考查高考生對(duì)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力。因此，高考面對(duì)類(lèi)似的問(wèn)題時(shí)，除了對(duì)上述知識(shí)點(diǎn)有較詳細(xì)的了解外，還需要明確天體運(yùn)動(dòng)的模型、核心模型、雙星模型以及“天體相遇”的相關(guān)模型。最后，高考生應(yīng)當(dāng)區(qū)別同步衛(wèi)星與一般衛(wèi)星，自轉(zhuǎn)周期與公轉(zhuǎn)周期間的區(qū)別。高考生只要對(duì)以上的知識(shí)有深入的理解，再加上在平時(shí)多加練習(xí)與此類(lèi)型知識(shí)相關(guān)的題目，在面對(duì)航空航天領(lǐng)域與高中物理知識(shí)結(jié)合來(lái)考查的相關(guān)題目時(shí)，就能夠較從容的應(yīng)對(duì)，達(dá)到快速解題的目的，從而在高考中取得物理高分。

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