中学物理中的航空航天问题探讨

刘泽宇

摘 要 近几年来，随着我国航天事业的飞速发展，特别是“嫦娥一号”和“嫦娥二号”的成功发射，鼓舞了一代又一代航天人。同时航空航天与万有引力定律的有机结合，也成为了中学物理考试中的热点话题。文章以我国航空航天为研究对象，探讨其中所包含的物理知识，与大家分享。

关键词 物理；航空航天；问题；探讨

中国航天事业的蓬勃发展也给我们的高考物理命题提供了很好的素材。卫星问题与现代科技结合越来越密切，与之相关的应用型试题应运而生，这已成为了高考中的热点问题，同时也符合加强理论联系实际，让科学技术与社会和经济发展紧密联系，注重物理知识在生产、生活等方面广泛应用的高考大刚及实践要求。为此下面我想就卫星的变轨、人造卫星、黑洞等方面来谈谈我理解的航空航天中的物理问题，具体主要包括以下几个方面：

一、航天飞行器的变轨问题

飞船或卫星从地面发射时，一般先将其发射到距地球较近的轨道上做圆周运动，再在适当位置实施变轨，使其离开原来的圆周轨道，在半长轴较大的椭圆轨道运动，当运行至椭圆轨道的远地点时再次实施变轨，使其在以椭圆半长轴为半径的圆轨道上做圆周运动，这个轨道就是飞船或卫星的稳定运行或工作轨道。

例1.2008年9月25日至28日我国成功实施了“神舟”七号载人航天飞行并实现了航天员首次出舱。如图所示，飞船先沿椭圆轨道飞行，后在远地点343千米处点火加速，由椭圆轨道变成高度为343千米的圆轨道，在此圆轨道上飞船运行周期约为90分钟。下列判断正确的是：

A.飞船在变轨前后的机械能相等

B.飞船在圆轨道上时航天员出舱前后都处于失重状态

C.飞船在此圆轨道上运动的角速度大于同步卫星运动的角速度

D.飞船变轨前通过椭圆轨道远地点时的加速度大于变轨后圆轨道运动的加速度

解析：飞船变轨前后，由于推进火箭的做功，飞船的机械能不守恒，故A错；飞船在圆轨道上运动时时万有引力来提供向心力，航天员出舱前后都处于失重状态，B对；飞船在此圆轨道上运动的周期90分钟小于同步卫星运动的周期24小时，根据 T=■可知，飞船在此圆轨道上运动的角度速度大于同步卫星运动的角速度，C对。飞船变轨前通过椭圆轨道远地点时只有万有引力来提供加速度，变轨后沿圆轨道运动也是只有万有引力来提供加速度，沿两轨道运动经过该点时，所受万有引力相等，有牛二定律知加速度相等，故D错。本题选BC。

二、人造地球卫星问题探究

人造卫星运行轨道的中心与地球球心重合。同步通信卫星的轨道与赤道平面重合，运行的角速度（或周期）与地球的自传角速度（或周期）相同，距地面的高度一定。近地卫星的轨道半径与地球半径相等。

例2.已知地球半径为R，地球表面重力加速度为g，不考虑地球自转的影响

（1）推导第一宇宙速度v1的表达式；

（2）若卫星绕地球做匀速圆周运动，运行轨道距离地面高度为h，求卫星的运行周期；

例3.某颗地球同步卫星正下方的地球表面上有一观察者，他用天文望远镜观察被太阳照射的此卫星。试问春分那天（太阳光直射赤道）在日落后12小时内有多长时间该观察者看不见此卫星？已知地球半径为R，地球表面处的重力加速度为g，地球自转周期为T，不考虑大气对光的折射。

三、物理中关于黑洞问题的探讨

宇宙空间的大质量恒星演化到末期，在其自身引力作用下发生急剧塌缩，形成密度极大，引力场特强的特殊星体。它的引力场强大到使得外界物质只能进入星体内而不可能逃离，就连射向它的光线也只能乖乖被俘无法反射，看上去它就像宇宙中的无底洞，故天文学上称这类星体叫黑洞。若取无限远处为引力势能的零位置，在它的引力作用范围内，物体的引力势能总是负值。

例4.2008年12月，天文学家们通过观测的数据确认了银河系中央的黑洞“人马座A”的质量与太阳质量的倍数关系。研究发现。有一星体S2绕人马座A做椭圆运动，其轨道半长轴为9.50×102天文单位（地球公转轨道的半径为一个天文单位），人马座A就处在该椭圆的一个焦点上。观测到S2星的运行周期是15.2年。

（1）若将S2星的运行轨道视为半径r=9.50×102天文单位的圆轨道。试估算人马座A的质量MA是太阳质量Ms的多少倍（结果保留一位有效数字）；

（2）黑洞的第二宇宙速度极大，处于黑洞表面的粒子即使以光速运动，其具有的动能也不足以克服黑洞对它的引力束缚。由于引力的作用，黑洞表面处质量为m的粒子具有的势能为 （设粒子在离黑洞无限远处的势能为零），式中M、R分别表示黑洞的质量和半径。已知引力常量G=6.7×10-11N？m2/kg2，光速c=3.0×108m/s，太阳质量Ms=2.0×1030kg，太阳半径Rs=7.0× 108m，不考虑相对论效应，利用上问结果，在经典力学范围内求人马座A的半径R与太阳半径之比应小于多少。

四、结语

中学物理考察的内容一直与当前航空航天紧密联系在一起，这充分体现了注重能力与科学素养、理论与实际相结合的特点和要求。物理学的研究，与其它学科之间有者显著的不同，其无论是概念的建立还是规律的发现、概括，都需要思维的加工，与一般的思维过程相比较，在共性之中，物理学科的思维又有其个性。所以需要我们在学习过程中静下心来，准确把握各个知识点之间的联系与区别，举一反三，最终做到融会贯通、灵活多变，让物理更好地服务于生产生活。

参考文献：

[1]吴俊.交大之星·高中物理300题：高考热点问题[M].上海交通大学出版社，2010.

[2]王平杰.浙大优学：高中物理思想方法提炼与拓展[M].浙江大学出版社，2012.endprint

摘 要 近几年来，随着我国航天事业的飞速发展，特别是“嫦娥一号”和“嫦娥二号”的成功发射，鼓舞了一代又一代航天人。同时航空航天与万有引力定律的有机结合，也成为了中学物理考试中的热点话题。文章以我国航空航天为研究对象，探讨其中所包含的物理知识，与大家分享。

关键词 物理；航空航天；问题；探讨

中国航天事业的蓬勃发展也给我们的高考物理命题提供了很好的素材。卫星问题与现代科技结合越来越密切，与之相关的应用型试题应运而生，这已成为了高考中的热点问题，同时也符合加强理论联系实际，让科学技术与社会和经济发展紧密联系，注重物理知识在生产、生活等方面广泛应用的高考大刚及实践要求。为此下面我想就卫星的变轨、人造卫星、黑洞等方面来谈谈我理解的航空航天中的物理问题，具体主要包括以下几个方面：

一、航天飞行器的变轨问题

飞船或卫星从地面发射时，一般先将其发射到距地球较近的轨道上做圆周运动，再在适当位置实施变轨，使其离开原来的圆周轨道，在半长轴较大的椭圆轨道运动，当运行至椭圆轨道的远地点时再次实施变轨，使其在以椭圆半长轴为半径的圆轨道上做圆周运动，这个轨道就是飞船或卫星的稳定运行或工作轨道。

例1.2008年9月25日至28日我国成功实施了“神舟”七号载人航天飞行并实现了航天员首次出舱。如图所示，飞船先沿椭圆轨道飞行，后在远地点343千米处点火加速，由椭圆轨道变成高度为343千米的圆轨道，在此圆轨道上飞船运行周期约为90分钟。下列判断正确的是：

A.飞船在变轨前后的机械能相等

B.飞船在圆轨道上时航天员出舱前后都处于失重状态

C.飞船在此圆轨道上运动的角速度大于同步卫星运动的角速度

D.飞船变轨前通过椭圆轨道远地点时的加速度大于变轨后圆轨道运动的加速度

解析：飞船变轨前后，由于推进火箭的做功，飞船的机械能不守恒，故A错；飞船在圆轨道上运动时时万有引力来提供向心力，航天员出舱前后都处于失重状态，B对；飞船在此圆轨道上运动的周期90分钟小于同步卫星运动的周期24小时，根据 T=■可知，飞船在此圆轨道上运动的角度速度大于同步卫星运动的角速度，C对。飞船变轨前通过椭圆轨道远地点时只有万有引力来提供加速度，变轨后沿圆轨道运动也是只有万有引力来提供加速度，沿两轨道运动经过该点时，所受万有引力相等，有牛二定律知加速度相等，故D错。本题选BC。

二、人造地球卫星问题探究

人造卫星运行轨道的中心与地球球心重合。同步通信卫星的轨道与赤道平面重合，运行的角速度（或周期）与地球的自传角速度（或周期）相同，距地面的高度一定。近地卫星的轨道半径与地球半径相等。

例2.已知地球半径为R，地球表面重力加速度为g，不考虑地球自转的影响

（1）推导第一宇宙速度v1的表达式；

（2）若卫星绕地球做匀速圆周运动，运行轨道距离地面高度为h，求卫星的运行周期；

例3.某颗地球同步卫星正下方的地球表面上有一观察者，他用天文望远镜观察被太阳照射的此卫星。试问春分那天（太阳光直射赤道）在日落后12小时内有多长时间该观察者看不见此卫星？已知地球半径为R，地球表面处的重力加速度为g，地球自转周期为T，不考虑大气对光的折射。

三、物理中关于黑洞问题的探讨

宇宙空间的大质量恒星演化到末期，在其自身引力作用下发生急剧塌缩，形成密度极大，引力场特强的特殊星体。它的引力场强大到使得外界物质只能进入星体内而不可能逃离，就连射向它的光线也只能乖乖被俘无法反射，看上去它就像宇宙中的无底洞，故天文学上称这类星体叫黑洞。若取无限远处为引力势能的零位置，在它的引力作用范围内，物体的引力势能总是负值。

例4.2008年12月，天文学家们通过观测的数据确认了银河系中央的黑洞“人马座A”的质量与太阳质量的倍数关系。研究发现。有一星体S2绕人马座A做椭圆运动，其轨道半长轴为9.50×102天文单位（地球公转轨道的半径为一个天文单位），人马座A就处在该椭圆的一个焦点上。观测到S2星的运行周期是15.2年。

（1）若将S2星的运行轨道视为半径r=9.50×102天文单位的圆轨道。试估算人马座A的质量MA是太阳质量Ms的多少倍（结果保留一位有效数字）；

（2）黑洞的第二宇宙速度极大，处于黑洞表面的粒子即使以光速运动，其具有的动能也不足以克服黑洞对它的引力束缚。由于引力的作用，黑洞表面处质量为m的粒子具有的势能为 （设粒子在离黑洞无限远处的势能为零），式中M、R分别表示黑洞的质量和半径。已知引力常量G=6.7×10-11N？m2/kg2，光速c=3.0×108m/s，太阳质量Ms=2.0×1030kg，太阳半径Rs=7.0× 108m，不考虑相对论效应，利用上问结果，在经典力学范围内求人马座A的半径R与太阳半径之比应小于多少。

四、结语

中学物理考察的内容一直与当前航空航天紧密联系在一起，这充分体现了注重能力与科学素养、理论与实际相结合的特点和要求。物理学的研究，与其它学科之间有者显著的不同，其无论是概念的建立还是规律的发现、概括，都需要思维的加工，与一般的思维过程相比较，在共性之中，物理学科的思维又有其个性。所以需要我们在学习过程中静下心来，准确把握各个知识点之间的联系与区别，举一反三，最终做到融会贯通、灵活多变，让物理更好地服务于生产生活。

参考文献：

[1]吴俊.交大之星·高中物理300题：高考热点问题[M].上海交通大学出版社，2010.

[2]王平杰.浙大优学：高中物理思想方法提炼与拓展[M].浙江大学出版社，2012.endprint

摘 要 近几年来，随着我国航天事业的飞速发展，特别是“嫦娥一号”和“嫦娥二号”的成功发射，鼓舞了一代又一代航天人。同时航空航天与万有引力定律的有机结合，也成为了中学物理考试中的热点话题。文章以我国航空航天为研究对象，探讨其中所包含的物理知识，与大家分享。

关键词 物理；航空航天；问题；探讨

中国航天事业的蓬勃发展也给我们的高考物理命题提供了很好的素材。卫星问题与现代科技结合越来越密切，与之相关的应用型试题应运而生，这已成为了高考中的热点问题，同时也符合加强理论联系实际，让科学技术与社会和经济发展紧密联系，注重物理知识在生产、生活等方面广泛应用的高考大刚及实践要求。为此下面我想就卫星的变轨、人造卫星、黑洞等方面来谈谈我理解的航空航天中的物理问题，具体主要包括以下几个方面：

一、航天飞行器的变轨问题

飞船或卫星从地面发射时，一般先将其发射到距地球较近的轨道上做圆周运动，再在适当位置实施变轨，使其离开原来的圆周轨道，在半长轴较大的椭圆轨道运动，当运行至椭圆轨道的远地点时再次实施变轨，使其在以椭圆半长轴为半径的圆轨道上做圆周运动，这个轨道就是飞船或卫星的稳定运行或工作轨道。

例1.2008年9月25日至28日我国成功实施了“神舟”七号载人航天飞行并实现了航天员首次出舱。如图所示，飞船先沿椭圆轨道飞行，后在远地点343千米处点火加速，由椭圆轨道变成高度为343千米的圆轨道，在此圆轨道上飞船运行周期约为90分钟。下列判断正确的是：

A.飞船在变轨前后的机械能相等

B.飞船在圆轨道上时航天员出舱前后都处于失重状态

C.飞船在此圆轨道上运动的角速度大于同步卫星运动的角速度

D.飞船变轨前通过椭圆轨道远地点时的加速度大于变轨后圆轨道运动的加速度

解析：飞船变轨前后，由于推进火箭的做功，飞船的机械能不守恒，故A错；飞船在圆轨道上运动时时万有引力来提供向心力，航天员出舱前后都处于失重状态，B对；飞船在此圆轨道上运动的周期90分钟小于同步卫星运动的周期24小时，根据 T=■可知，飞船在此圆轨道上运动的角度速度大于同步卫星运动的角速度，C对。飞船变轨前通过椭圆轨道远地点时只有万有引力来提供加速度，变轨后沿圆轨道运动也是只有万有引力来提供加速度，沿两轨道运动经过该点时，所受万有引力相等，有牛二定律知加速度相等，故D错。本题选BC。

二、人造地球卫星问题探究

人造卫星运行轨道的中心与地球球心重合。同步通信卫星的轨道与赤道平面重合，运行的角速度（或周期）与地球的自传角速度（或周期）相同，距地面的高度一定。近地卫星的轨道半径与地球半径相等。

例2.已知地球半径为R，地球表面重力加速度为g，不考虑地球自转的影响

（1）推导第一宇宙速度v1的表达式；

（2）若卫星绕地球做匀速圆周运动，运行轨道距离地面高度为h，求卫星的运行周期；

例3.某颗地球同步卫星正下方的地球表面上有一观察者，他用天文望远镜观察被太阳照射的此卫星。试问春分那天（太阳光直射赤道）在日落后12小时内有多长时间该观察者看不见此卫星？已知地球半径为R，地球表面处的重力加速度为g，地球自转周期为T，不考虑大气对光的折射。

三、物理中关于黑洞问题的探讨

宇宙空间的大质量恒星演化到末期，在其自身引力作用下发生急剧塌缩，形成密度极大，引力场特强的特殊星体。它的引力场强大到使得外界物质只能进入星体内而不可能逃离，就连射向它的光线也只能乖乖被俘无法反射，看上去它就像宇宙中的无底洞，故天文学上称这类星体叫黑洞。若取无限远处为引力势能的零位置，在它的引力作用范围内，物体的引力势能总是负值。

例4.2008年12月，天文学家们通过观测的数据确认了银河系中央的黑洞“人马座A”的质量与太阳质量的倍数关系。研究发现。有一星体S2绕人马座A做椭圆运动，其轨道半长轴为9.50×102天文单位（地球公转轨道的半径为一个天文单位），人马座A就处在该椭圆的一个焦点上。观测到S2星的运行周期是15.2年。

（1）若将S2星的运行轨道视为半径r=9.50×102天文单位的圆轨道。试估算人马座A的质量MA是太阳质量Ms的多少倍（结果保留一位有效数字）；

（2）黑洞的第二宇宙速度极大，处于黑洞表面的粒子即使以光速运动，其具有的动能也不足以克服黑洞对它的引力束缚。由于引力的作用，黑洞表面处质量为m的粒子具有的势能为 （设粒子在离黑洞无限远处的势能为零），式中M、R分别表示黑洞的质量和半径。已知引力常量G=6.7×10-11N？m2/kg2，光速c=3.0×108m/s，太阳质量Ms=2.0×1030kg，太阳半径Rs=7.0× 108m，不考虑相对论效应，利用上问结果，在经典力学范围内求人马座A的半径R与太阳半径之比应小于多少。

四、结语

中学物理考察的内容一直与当前航空航天紧密联系在一起，这充分体现了注重能力与科学素养、理论与实际相结合的特点和要求。物理学的研究，与其它学科之间有者显著的不同，其无论是概念的建立还是规律的发现、概括，都需要思维的加工，与一般的思维过程相比较，在共性之中，物理学科的思维又有其个性。所以需要我们在学习过程中静下心来，准确把握各个知识点之间的联系与区别，举一反三，最终做到融会贯通、灵活多变，让物理更好地服务于生产生活。

参考文献：

[1]吴俊.交大之星·高中物理300题：高考热点问题[M].上海交通大学出版社，2010.

[2]王平杰.浙大优学：高中物理思想方法提炼与拓展[M].浙江大学出版社，2012.endprint