姜啟時(shí)

2016年9月15日，“天宮二號(hào)”空間實(shí)驗(yàn)室在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，“天宮二號(hào)”是繼“天宮一號(hào)”后中國自主研發(fā)的第二個(gè)空間實(shí)驗(yàn)室，用于進(jìn)一步驗(yàn)證空間交會(huì)對接技術(shù)及進(jìn)行一系列空間試驗(yàn)，開展地球觀測和空間地球系統(tǒng)科學(xué)

、空間應(yīng)用新技術(shù)、空間技術(shù)和航天醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用和試驗(yàn). 近年高考往往聯(lián)系熱點(diǎn)事件命題，“天宮二號(hào)”是高新科技的熱點(diǎn)， 也是高考命題熱點(diǎn). “天宮二號(hào)”發(fā)射升空、飛行、變軌及一系列空間試驗(yàn)，涉及物理學(xué)上眾多知識(shí)，對此進(jìn)行探究，可整合課本知識(shí)，培養(yǎng)分析能力，現(xiàn)例析如下.

一、“天宮二號(hào)” 的發(fā)射

例1“天宮二號(hào)”由長征火箭運(yùn)載發(fā)射，進(jìn)入轉(zhuǎn)移軌道后到達(dá)一定高度后入軌，繞地球表面附近做圓周運(yùn)動(dòng)，發(fā)射“天宮二號(hào)”需要達(dá)到的發(fā)射速度為（ ）.

A.小于7.9 km/sB.等于7.9 km/s

C.介于7.9 km/s～11.2 km/s之間

D.介于11.2 km/s～16.7 km/s之間

解析衛(wèi)星發(fā)射速度達(dá)到7.9 km/s（第一宇宙速度），只能繞地球表面附近做圓周運(yùn)動(dòng)，若要飛向一定高度，衛(wèi)星發(fā)射速度必須大于7.9 km/s， “天宮二號(hào)”最終要繞地球一定高度的軌道運(yùn)行，發(fā)射速度必須大于7.9 km/s， 但要小于11.2 km/s（第二宇宙速度）， 選項(xiàng)C正確.如果飛行器速度大于11.2 km/s小于16.7 km/s（第三宇宙速度），衛(wèi)星會(huì)掙脫地球引力束縛，脫離地月系，奔向太陽系. 如果速度大于16.7 km/s，飛行器會(huì)掙脫太陽引力束縛，脫離太陽系，奔向銀河系.答案：C

命題熱點(diǎn)本題考查對三個(gè)宇宙速度的理解，“天宮二號(hào)”的發(fā)射還可聯(lián)系牛頓定律、運(yùn)動(dòng)學(xué)公式和功能關(guān)系等知識(shí)綜合命題.

二、“天宮二號(hào)”的變軌

例2“天宮二號(hào)”由長征火箭發(fā)射后，進(jìn)入近地點(diǎn)h1=200 km，遠(yuǎn)地點(diǎn)h2=347 km的橢圓軌道運(yùn)行.已知地球半徑R=6.37×106m.地球同步衛(wèi)星的軌道半徑r= 4.2×107m，則“天宮二號(hào)”在此橢圓軌道上運(yùn)行的周期為多少？

解析在此橢圓軌道上運(yùn)行的“天宮二號(hào)”仍為地球的衛(wèi)星， 仍遵守開普勒第三定律， 此橢圓軌道半長軸a=12（h1+2R+h2）=6.645×106m， 設(shè)“天宮二號(hào)”在此橢圓軌道上運(yùn)行的周期為Ta；地球同步衛(wèi)星的軌道半長軸就是軌道半徑r=4.2×107m，周期T=24 h.

根據(jù)開普勒第三定律 a3T2a=r3T2， 由此解出“天宮二號(hào)”運(yùn)行周期 Ta=a3r3T=1.5h.

命題熱點(diǎn)本題需建立一個(gè)適當(dāng)?shù)奈锢砟Ｐ瓦M(jìn)行估算，考查了建模探究能力，體現(xiàn)了新課程注重過程與方法的要求.

三、“天宮二號(hào)”繞地球作圓周運(yùn)動(dòng)的速度

例3北京航天飛行控制中心9月25日成功進(jìn)行兩次軌道控制，將“天宮二號(hào)”調(diào)整至距地面393km的圓軌道上，使其正式進(jìn)入交會(huì)對接準(zhǔn)備階段. “天宮二號(hào)”在距地面393km的圓軌道上繞地球作圓周運(yùn)動(dòng)的速度為多少？ （已知地球半徑R =6.37×106m，第一宇宙速度7.9 km/s. 結(jié)果保留兩位有效數(shù)字）

解析設(shè)地球質(zhì)量為M， “天宮二號(hào)”質(zhì)量為m，在離地面393 km的圓軌道上運(yùn)行速度為v2， 已知第一宇宙速度v1=7.9 km/s，由GMmr2=mv2r， 得v=GMr∝1r，v2=v1RR+h=7.7 km/s.

命題熱點(diǎn)“天宮二號(hào)”涉及萬有引力及圓周運(yùn)動(dòng)等知識(shí)，此類問題解題技巧：衛(wèi)星繞中心天體作圓周運(yùn)動(dòng)，由萬有引力提供向心力，再結(jié)合圓周運(yùn)動(dòng)規(guī)律列式求解.

四、“天宮二號(hào)”與“神舟十一號(hào)”對接交會(huì)

例4“天宮二號(hào)”與“神舟十一號(hào)”對接模擬未來空間站的交會(huì)對接方式，即“神舟十一號(hào)”飛船利用自身機(jī)動(dòng)能力追蹤“天宮二號(hào)”為確保交會(huì)對接成功，“神舟十一號(hào)”為了追上“天宮二號(hào)”（ ）

A.應(yīng)從較低軌道上加速

B.應(yīng)從較高軌道上加速

C.應(yīng)在從同宇間站同一軌道上加速

D.無論在什么軌道上只要加速就行解析“神舟”飛船要追上“天宮二號(hào)”，不能像汽車那樣，對準(zhǔn)目標(biāo)加速飛去，因?yàn)樵谕卉壍郎稀吧裰邸憋w船一旦加速，它就離開原來軌道，進(jìn)入另外一條較高的圓軌道，為了縮短距離，“神舟”飛船應(yīng)該先減速，進(jìn)入一條比原軌道略低的橢圓軌道，使軌道周期縮短，兩者各自繞地球運(yùn)行，相互間距離就會(huì)縮短，經(jīng)過調(diào)整后，再逐步在軌道上到達(dá)同一位置，為確保交會(huì)成功，應(yīng)控制“天宮二號(hào)”在高軌道上運(yùn)動(dòng)（周期較大），“神舟”飛船在低軌道上運(yùn)行（周期較小），然后適時(shí)加速后作離心運(yùn)動(dòng)，使之與“天宮二號(hào)”在高軌道上實(shí)現(xiàn)對接，故選項(xiàng)A對B錯(cuò).

若“神舟”飛船在同一軌道上只加速，將要離開原軌道向外，所以“神舟”飛船只加速是不可能進(jìn)行對接的，選項(xiàng)C、D都錯(cuò).

命題熱點(diǎn)新課程強(qiáng)調(diào)學(xué)生關(guān)注過程與方法，近年高考試題結(jié)合我國“神舟飛船”、 “天宮一號(hào)” 、探月工程、宇宙探測等命題，考查考生的探究能力，體現(xiàn)了新課程的要求.

五、神舟與天宮組合體繞地球轉(zhuǎn)過的角度

例5當(dāng)“神舟十一號(hào)”飛船成功捕獲“天宮二號(hào)”后，對接時(shí)間共530 s，此時(shí)組合體一直處于離地高度為H=393 km的圓軌道上，求這段時(shí)間內(nèi)組合體繞地球轉(zhuǎn)過的角度. （地球半徑為R=6.37×106m，重力加速度g取10 m/s2. 結(jié)果保留兩位有效數(shù)字.）

解析設(shè)地球質(zhì)量為M，“天宮”“神舟”組合體質(zhì)量為m，繞地球運(yùn)行周期為T，由萬有引力定律和牛頓定律得

GMmr2=m（2πT）2r，又GM=gR2，由以上兩式得

T=2πrRrg，已知地球半徑R=6.37×106m，組合體圓軌道半徑r=R+H=6.76×106 m，代入上式得T=5.3×103s.“天宮”“神九”對接持續(xù)時(shí)間t=530 s，組合體繞地球轉(zhuǎn)過角度θ=360°T×t=36°.

命題熱點(diǎn)本題以“神九”“天宮”交會(huì)對接命題，要求理解題目給出的物理情境，建立物理模型，考查考生建模探究能力. 新《考試大綱》注重了新課程理念，關(guān)注科學(xué)技術(shù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，在平時(shí)學(xué)習(xí)中，要多關(guān)注我國的航天熱點(diǎn)，并與課本知識(shí)聯(lián)系，進(jìn)行相關(guān)訓(xùn)練，培養(yǎng)探究能力.

（收稿日期：2016-09-16）