“人类的飞天梦想”宇宙航天在高中物理中问题的畅想

李源潮

（安徽省淮北市第一中学（2016级），淮北　235000）

在科学技术快速发展的今天，我国的航天事业也在经历不断发展与快速增长的变化阶段，一次又一次的“神舟”号飞船发射进入太空，在宇宙太空的奥秘不断被探索发现同时，引起全国人民对宇宙航天问题的关注度不断提升，下文将结合高中物理学科知识，对宇宙航天与高中物理知识之间的联系以及在解决宇宙航天问题中的应用，根据个人学习实践进行总结分析，以供参考。

1　天体问题

天体问题中需要考虑的是高中物理万有引力定律知识。我国航天事业的快速发展，使得万有引力定量在天文学应用中的地位与作用影响越来越显著，而万有引力定律中三个宇宙速度的问题尤为显著，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应用主要体现在航天事业发展的源头部分，天体运动的向心力中，其作用就来自于天体之间的引力作用，而引力作用对天体运动的速度以及周期等存在着一定的影响。因此，高中物理学习中经常会出现计算卫星绕天体运行的质量或者是密度等问题。对于这类问题可以通过万有引力与中心力相等的规律，对中心天体的质量进行计算求取。通常情况下，在这类问题解决中，如果知道天体的半径值，就可以对其平均密度进行计算求取，那么，对于周围卫星围绕天体轨道运行的情况，其轨道半径与天体半径是一致的，因此，就能够对天体的密度情况进行计算求取。总之，对于这类问题，在学习过程中，只要对围绕天体运行的卫星运动周期进行计算求出，就能够对该中心天体的密度进行估算。比如，在已知海王星半径为地球半径的4倍，同时海王星质量为地球质量的16倍，如果地球表面重力加速度为10m/s2，地球第一宇宙速度为7.9km/s，那么，要求海王星表面重力加速度与海王星第一宇宙速度分别为多少？

在进行上述题目计算中，假设地球表面质量为m1，海王星表面质量为m2，那么根据“天体运动的向心力中，其作用就来自于天体之间的引力作用，而引力作用对天体运动的速度以及周期等存在着一定的影响”这一规律，即可得到将两式相除后代入数据计算，即可获得海王星的重力加速度为10m/s2，上式中g表示天体的重力加速度。

2　变轨问题

宇宙航天中宇宙飞船或卫星从发射至升空、最后进入太空正常运行，这一过程中会涉及到多次轨道变迁问题，与高中物理学科所学知识内容之间存在着一定联系，也是高中物理学习的重点内容之一。一般情况下，宇宙航天中宇宙飞船或卫星从地面发射后，会进入距离地球最近的轨道进行飞行，并且在飞船或卫星速度突然增加变化后，会变换轨道进入椭圆轨道进行圆周运动，此外，在到达椭圆轨道远地点时又会进行再一次的变轨，到达另一圆中进行圆周运动。而宇宙飞船或卫星发射升空并进入太空运行过程中，其速度变化下降时，则会进行贴心运动，再回到原来的轨道进行圆周运动，这类问题也是近几年高考中考察的热点问题。

比如，已知“嫦娥一号”绕地球运行中需要经过如下图1所示的三次椭圆变轨，那么，它在三次变轨的椭圆轨道上正常运行时，下列哪种说法是错误的。A.T1＞T2＞T3；B.T1＜T2＜T3；C.T1=T2=T3；D.无法确定。

3　运行问题

高中物理学科中，涉及宇宙航天的相关问题还包含有人造卫生发射升空中额的运行问题。人造卫星发射升空后，其运行轨道的中心点和地球的球心是相互重合的，而同步运行的通信卫星其运行轨道平面与赤道平面呈重合表现，同时，它的运行周期以及方向和地球自转周期、方向相同，而卫星运行角速度、速率与地球也相同，此外，卫星距离地面的高度是一个恒量值。因此，近地卫星在地球表面做匀速的圆周运动时，它的轨道半径与地球半径可以看作是近似相等的情况。

比如，已知“嫦娥一号”围绕地球进行椭圆轨道运行过程中，椭圆的一个焦点与地球球心重合，如下图2所示，那么，只考虑地球万有引力作用下，飞船从轨道A沿箭头方向运行至B时，哪种说法正确。A.飞船速度逐渐增大；B.飞船速度逐渐减小；C.飞船加速度逐渐增大；D.飞船受到的万有引力逐渐减小。

进行该题目分析时，将飞船从A向B运行过程中的万有引力作为阻力，通过分析，就可以得到答案B和D。

4　结束语

总之，宇宙航天中，飞船或卫星的运行、变轨以及天体之间的万有引力作用所涉及的问题，都可以用高中物理知识进行解决，将宇宙航天问题与高中物理知识学习相结合，不仅有利于考察学生对知识内容的掌握以及运用所学知识解决实际问题的能力，同时，在激发学生学习积极性，帮助学生树立科学的世界观方面，也有非常积极的作用，研究价值显著。

[1]李为.变质量天体运动状态的万有引力定律分析[J].高考，2017（27）：253.