高中物理知識在航天航空方面應用研究

李岸芷

【摘 要】隨著改革開放的深入發展，我國的航天航空事業也相應獲得了飛速發展，這使得近年來在高考物理試題的命題中，也會經常出現與航天航空相關的物理知識。本文主要分析了萬有引力定律在天體運動中的綜合應用，天體運動中功和能的例題解析，希望高考生在面對高中物理知識與航天航空方面結合的相關試題是能夠從容應對。

【關鍵詞】高中物理知識；航天航空；應用研究；實例分析

近年來，中國航天事業獲得了飛速發展，這為高考物理命題提供了非常多的素材。航空航天中應用的原理有許多跟物理知識有著非常緊密的聯系，但是其中聯系較多的物理知識還是萬有引力定律及萬有引力定律與其它物理知識的結合方面，在高考考察方面也多從此角度入手。高中物理知識在航天航空方面的應用具體體現在以下兩個方面：第一，關于天體質量及密度的計算，這里高考命題的重點主要是萬有引力定律、星球表面重力加速度的計算等；第二，關于人造衛星的運行及軌道變化的計算，這里高考命題的重點主要是圓周運動的相關規律、萬有引力定律及衛星在運行時的線速度、角速度、周期等的計算。因此，航空航天知識與萬有引力定律的相關知識有著緊密的聯系，作為高中生，為了更好的學習此方面的知識，應將萬有引力定律與其它相關的物理知識結合起來，來解決高中物理知識應用于航天航空方面的綜合性物理問題。

1 萬有引力定律在天體運動中的綜合應用

萬有引力定律在高中物理知識中的力學知識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。在高考物理知識考查中，經常會跟物理知識的實際應用聯系在一起，如航空航天與物理知識的結合就是經常被考察的領域。通常來說，與航空航天聯系起來考察的物理知識通常看起來較抽象復雜，但事實上，通過仔細分析，這類題目的核心實質上就是萬有引力定律，有時也會結合勻速圓周運動規律、牛頓運動定律、天體運動定律等其它知識綜合起來考查。要想使高中考生在面對這方面的知識能夠獲得較高的分數，需要考生抓住題目所要考察的知識核心，聯系所學物理知識針對性地進行解題。

例1 石墨烯是近年來發現的新型材料，具有較好的導電、導熱性能，據了解這種材料能使21世紀的世界發生巨大的變化，該材料的發現者還獲得了2010年的諾貝爾物理學獎。在本世紀，有望實現用石墨烯搭建通往太空的纜繩。可以假設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動，從而達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，從地球運至外太空的貨物的質量為m，求該貨物相對地心運動的動能。設地球自轉角度為w，半徑為R。

【解析】可以假設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

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

2 天體運動中功和能例題解析

功和能是高中物理知識中的重要知識點，也是高考命題中經常要考查的重要知識點，應用功和能的有關物理知識可以幫助快速的解決高考物理題。在高中物理知識與航空航天結合的相關試題中，萬有引力定律，功和能相結合的考查形式在高考物理中也經常常見。針對這類考查形式，需要高中生牢固掌握功和能的相關知識，還要對功和能的轉換關系有清楚的了解，這樣在面對類似的高考物理試題時才能更加從容的應對。在掌握功和能、功和能之間轉換關系相關知識的基礎上，再結合萬有引力定律的相關應用，就能相應解決與航空航天領域相關的物理知識。

例2 我國“嫦娥三號”探測器升入月球的最后階段應用了復雜的物理知識。首先在“嫦娥三號”內部發動機的作用下，設探測器接收到來自內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，探測器開始迅速下降，假設離月球的高度h2的速度為v。在探測器安全懸停在月球上空后，將發動機關閉，探測器僅受重力影響下落到月球表面。已知條件為探測器除燃料之外的總質量為m，地球和月球的半徑比值為k1，地球和月球間的質量比值為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”探測器剛剛接觸月球表面時的速度。

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

在這樣的條件下，可以由此得出星球表面的萬有引力為：mg1=GM1m/R12；mg=GMm/R2。在此基礎上，可以明顯得出，月球表面附近的重力加速度g1=k12g/k2。再結合速度的位移公式，v12-v2=2g1h2，可以明顯得到探測器剛剛接觸月球表面時的速度v1=（v2+2k12gh1/k2）1/2。

3 結語

在航空航天領域內考查高中物理知識在近年來的高考物理試題中非常常見，幾乎每年都會出現。通常來說，類似的試題都會以萬有引力知識為核心，再結合其它高考物理易考點進行綜合考查。針對高考物理題中出現此類的問題，需要高考生能夠熟練掌握萬有引力定律的相關知識，如重力、向心力等知識，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系，還需要詳細了解萬有引力定律適用的條件，并理解萬有引力定律與其它物理知識之間的關系及相關的應用。目前，高考物理知識的考查不單單是簡單的考查一個物理知識點，還需要通過多種知識的結合來考查高考生對知識的綜合應用能力。因此，高考面對類似的問題時，除了對上述知識點有較詳細的了解外，還需要明確天體運動的模型、核心模型、雙星模型以及“天體相遇”的相關模型。最后，高考生應當區別同步衛星與一般衛星，自轉周期與公轉周期間的區別。高考生只要對以上的知識有深入的理解，再加上在平時多加練習與此類型知識相關的題目，在面對航空航天領域與高中物理知識結合來考查的相關題目時，就能夠較從容的應對，達到快速解題的目的，從而在高考中取得物理高分。

【參考文獻】

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