李少淮
摘 要: 萬有引力與航空技術(shù)這種問題在研究上十分抽象,不能夠通過眼睛直觀觀察到,這便要求我們學(xué)生不僅要具有一定的空間想象能力,還要具有較強的運算能力,這種高要求使得高中學(xué)生普遍認為這部分知識學(xué)習(xí)起來較為困難,導(dǎo)致在高考中,此類型問題的得分率普遍較低。鑒于此,為了能夠使我們學(xué)生更好地掌握這部分的知識和內(nèi)容,提高在高考中的得分率,本文將對其進行詳細探討。
關(guān)鍵詞:萬有引力 航空問題 問題分析
中圖分類號:G63 文獻標識碼:A 文章編號:1003-9082(2017)01-0146-01
前言
萬有引力是高中物理學(xué)科中的重要組成部分,也是與航空技術(shù)息息相關(guān)的內(nèi)容。為了能夠利用萬有引力進一步發(fā)展我國的航空技術(shù),我們身為高中生應(yīng)當(dāng)在學(xué)習(xí)中充分掌握萬有引力的相關(guān)知識和內(nèi)容,不僅能夠在一定程度上提高我們的高考成績,未來也許還能夠為促進我國航天事業(yè)的發(fā)展做出一定貢獻。下面筆者就對萬有引力與航空技術(shù)在高考中的關(guān)聯(lián)問題進行闡述。
一、萬有引力與航空技術(shù)問題的高考解析
1.萬有引力與航空技術(shù)問題的高考命題解析
高考在考察萬有引力與航空技術(shù)的問題上,主要是用于在分析衛(wèi)星的發(fā)射、繞地運動以及衛(wèi)星返回地球等方面的問題,這類問題因為有難度有熱度也十分受到高考命題老師的喜歡。我們在解答這類問題時,常使用類比或是遷移等方法,將地球上所存在的問題遷移到其它星體上,但是必須注意的是在遷移以后,所采用的計算常量都應(yīng)當(dāng)以該星體上的常量進行計算。
2.應(yīng)對萬有引力與航空技術(shù)問題的有效策略
我們在解答航空技術(shù)有關(guān)萬有引力的問題時,應(yīng)當(dāng)掌握兩個重要的方程,一個是萬有引力給衛(wèi)星所提供的向心力,即
其中r指的是衛(wèi)星或其它天體運行的軌道半徑。而當(dāng)衛(wèi)星接近星體表面時,兩者之間所具有的萬有引力則相同于衛(wèi)星在星體上的重力,即,其中R表示的是星體半徑。通過這兩個公式便能夠解決很多航空相關(guān)問題。
二、衛(wèi)星運動相關(guān)問題分析
1.衛(wèi)星的發(fā)射
衛(wèi)星在發(fā)射過程中,當(dāng)助推力大于衛(wèi)星的重力時才能夠使其脫離地球的引力而發(fā)射到太空中。根據(jù)此原理延伸出很多相似的問題,如人向上拋石頭,當(dāng)?shù)竭_一個頂點時,物體便會下落直到落到地上。例如,已知甲向上拋出一個物體,初始速度為v初,當(dāng)經(jīng)過t秒后,物理回落到星體表面,該星體的半徑為R,求當(dāng)沿星球表面拋出速度為多大時,所拋出的物體才能夠不落回到星體表面。在解決此類問題時,首先應(yīng)當(dāng)先計算該星球的常量重力加速度a,即,得出,由于水平拋出物體,不會落回地面,只能圍繞星球做向心運動,因此有公式,以此能夠解出。
2.衛(wèi)星的運行
衛(wèi)星在運行過程中會遵從一定的規(guī)律,并且每個衛(wèi)星都擁有自己的運行軌道,最為人們所熟知的便是地球同步衛(wèi)星,該衛(wèi)星距離地球大概有3.6萬公里,能夠覆蓋地球的每一個角落。而當(dāng)前人們所使用的GPS系統(tǒng)主要是美國衛(wèi)星所提供的服務(wù),這些衛(wèi)星距離地球大概為2萬公里,衛(wèi)星數(shù)量為24個。根據(jù)萬有引力相關(guān)知識和公式能夠計算出,用于定位的美國GPS衛(wèi)星相較于地球同步衛(wèi)星擁有更大的線速度。從衛(wèi)星的發(fā)射和運行都能夠應(yīng)用到上述兩個最基本的公式。
3.衛(wèi)星的返回
當(dāng)衛(wèi)星返回地球時,為了能夠使衛(wèi)星安全著陸,在其處于自由落體運動的狀態(tài)時,應(yīng)當(dāng)點燃衛(wèi)星上的緩沖火箭,其在噴漆過程中會受到一個向上的力和加速度,能夠使衛(wèi)星一直保持減速運動的狀態(tài),從而降低衛(wèi)星下落的速度,使其在著陸時盡量減少損害。例如,我國的嫦娥工程,每次嫦娥號衛(wèi)星發(fā)射都需要執(zhí)行繞、落、回三個任務(wù),衛(wèi)星在完成這三個任務(wù)時便會涉及萬有引力,因此我們學(xué)生應(yīng)當(dāng)學(xué)習(xí)和了解這部分知識,了解影響衛(wèi)星運動的各種要素,同時利用萬有引力的定律和公式計算出改變衛(wèi)星狀態(tài)所需要附加的力。
三、航空天體問題同牛頓運動定律之間的結(jié)合
1.超重和失重問題
所謂超重主要是指物體所產(chǎn)生的壓力大于其本身的重力,失重則正好相反。物體無論是出現(xiàn)超重還是失重,主要是因為物體在垂直方向上存在一個加速度,我們可以根據(jù)加速度出現(xiàn)的具體情況,利用相關(guān)理論進行求解。我們要了解超重和失重的具體情況,應(yīng)當(dāng)充分掌握萬有引力的相關(guān)知識和內(nèi)容,并且還應(yīng)當(dāng)知道萬有引力相當(dāng)于物體的重力。例如,當(dāng)我們乘坐電梯時,電梯在上升過程中我們雙腳的支撐力便處于超重的狀態(tài);而當(dāng)上升停止時,人體上升的速度大于電梯的上升速度,則處于失重的狀態(tài)。
2.拋體運動問題
我們在平時能夠見到很多拋物運動,如平拋、上拋、自由落體等。在其它星體上也能夠做類似的運動,在計算相關(guān)問題時,只需要將平常所使用的重力加速度改成該星體的重力加速度,這種解答問題的方法也被人們稱為類比。例如,當(dāng)某人在一個半徑為R的星球上向上拋出質(zhì)量為m的物體,該物體被拋出的初始速度為v初,當(dāng)經(jīng)過t秒之后,該物體重新回答拋物者的手中,求該物體平拋速度為多大時,才能夠不落到地面圍繞星球做圓周運動。該問題的解答方式同衛(wèi)星發(fā)射問題存在很大的相似之處,應(yīng)當(dāng)利用類比的方法解答這類問題,通過分析和計算最后得出只有當(dāng)水平拋出速度時,物體才能夠不掉回星球表面。
總結(jié)
總之,基于我國教育體制的大范圍改革,高考也發(fā)生了重大變化,越來越重視與現(xiàn)實問題的聯(lián)接。我們學(xué)生為了能夠在高考中解決萬有引力與航空技術(shù)相關(guān)的問題,應(yīng)當(dāng)充分學(xué)習(xí)和掌握相關(guān)知識和內(nèi)容,不僅提高我們的高考成績,也能夠?qū)崿F(xiàn)對航空技術(shù)的了解,無論是對生活還是對未來發(fā)展都有一定的助益。
參考文獻
[1]邢崇禮.萬有引力與航空教學(xué)應(yīng)用研究[J].教育,2016,12(25):00024-00024.
[2]胡博.《萬有引力與航天》課件制作綜述[J].中國信息技術(shù)教育,2013,01(02):125-129.
[3]譚程.萬有引力與航天技術(shù)[J].中學(xué)生數(shù)理化:高一版,2007,01(02):51-53.