2011年“天体运动”试题盘点评析*

许冬保

(九江市第一中学 江西 九江 332000)

2011年高考全国及各省市理综物理试题及上海、江苏、海南物理试卷，计14份，以“天体运动”为背景立意的试题，共14题．高考试题如此青睐“天体运动”，值得关注．本文试从命题角度进行评析，供参考．

1 以天体运动的基本模型为载体注重知识与方法的统一

认知心理学家把知识分为陈述性知识和程序性知识两大范畴．对物理学科而言，陈述性知识指的是物理学的现象、概念、规律和科学方法等；程序性知识是指为学习物理知识而进行的观察、实验、想象、分析、推理、综合等思维及思维程序、方法等[1]．“天体运动”问题的分析，所涉及到的知识主要有万有引力定律、牛顿运动定律及圆周运动等，分析过程中的思维程序或思路就是人们常说的解题方法．知识与方法的结合，构成分析和解决问题的能力．

【例1】(高考上海物理卷第22题B)人造地球卫星在运行过程中由于受到微小的阻力，轨道半径将缓慢减小．在此运动过程中，卫星所受万有引力大小将________(填“减小”或“增大”)；其动能将________(填“减小”或“增大”).

点评：试题以卫星受阻力作用，轨道半径减小的现象为背景，考查对力及动能的分析．第一问简单，第二问涉及方法的应用．一般考生认为，阻力作用使卫星的速度减小，做向心运动，该过程中动能一定减小．这一错误反映考生对轨道变化的过程缺少全面而深刻的分析，同时，也反映考生分析问题的方法过于简单．试题在考查知识的同时，应关注方法的考查．

【例2】(高考江苏物理卷第7题)一行星绕恒星做圆周运动．由天文观测可得，其运动周期为T，速度为v，引力常量为G，则

分析：由万有引力定律及牛顿运动定律，有

解得

因此，选项A,C,D正确．

点评：试题以行星绕恒星做圆周运动为背景，考查基本物理量的测量与计算．天体运动中，中心天体的质量可以测量、估算，而绕行天体的质量无法计算．欲测出行星的质量，必须将行星转化为中心天体才可，如通过行星的卫星进行测量．试题旨在落实知识与技能、过程与方法目标的考查．

2 以人类探索宇宙为载体突出理论与实际的联系

探索宇宙的奥秘，奔向广阔而遥远的太空，是人类自古以来的梦想．涉及航天器方面的试题，如浙江卷第19题、全国卷第19题、天津卷第8题、福建卷第13题，材料新颖，具有时代气息，理论与实际相联系，有利于考查考生应用所学知识分析和解决实际问题的能力，有利于区分考生的能力水平．

【例3】(高考浙江理综卷第19题)为了探测X星球，载着登陆舱的探测飞船在该星球中心为圆心，半径为r1的圆轨道上运动，周期为T1，总质量为m1．随后登陆舱脱离飞船，变轨到离星球更近的半径为r2的圆轨道上运动，此时登陆舱的质量为m2，则

分析：设登陆舱脱离飞船后的周期为T2，由万有引力定律及牛顿运动定律，有

解得

点评：试题以探测X星球为背景立意，以载着登陆舱的探测飞船及脱离飞船后的登陆舱的运动为情境，尽量覆盖多个知识点来设置选项．考查考生应用万有引力定律分析及解决实际问题的能力．

【例4】(高考天津理综卷第8题)质量为m的探月航天器在接近月球表面的轨道上飞行，其运动视为匀速圆周运动．已知月球质量为M，半径为R，月球表面重力加速度为g，引力常量为G，不考虑月球自转的影响，则航天器的

分析：由万有引力定律及牛顿运动定律，有

由圆周运动知识，有

月球表面，有

联立求解，得

因此，选项A,C正确．

点评：试题以探月航天器在接近月球表面的轨道上飞行背景立意，考查万有引力定律的应用．

A．密度 B．质量 C．半径 D．自转周期

分析：设月球的半径为R，质量为M，“嫦娥二号”的质量为m，由万有引力定律及牛顿运动定律，有

因此，选项A正确．

点评：试题以“嫦娥二号”探月卫星为背景，考查万有引力定律的应用．近年来，我国航天技术的发展成就，举世瞩目.以此为背景立意，有利于激发考生的爱国热情，增强民族自信心和自豪感．

3 以卫星通信技术的应用为载体凸显科学技术与社会发展的关系

卫星通信系统可以为全球每个角落的用户提供通信服务．在此系统中，卫星起着与基站类似的功能．目前，国际卫星通信系统和绝大多数国家的实用卫星通信大多采用静止卫星(地球同步卫星)通信系统．关于同步卫星的考题，如北京卷第15题、广东卷第20题、山东卷第17题、海南卷第12题、课标全国卷第19题．

【例6】(高考海南物理卷第12题)2011年4月10日，我国成功发射第8颗北斗导航卫星，建成以后，北斗导航卫星系统将包含多颗地球同步卫星，这有助于减少我国对GPS导航系统的依赖，GPS由运行周期为12小时的卫星群组成，设北斗星的同步卫星和GPS导航的轨道半径分别为R1和R2，向心加速度分别为a1和a2，则R1∶R2=________，a1∶a2=________．(可用根式表示)

分析：由万有引力定律及牛顿运动定律，有

由圆周运动知识，有

因此

设地球同步卫星的周期及GPS卫星群运行周期分别为T1,T2,则由题意知，T1=2T2．解得

点评：试题以北斗导航卫星及GPS导航系统为背景立意，反映了我国在导航系统方面的最新进展情况；考查万有引力定律的应用和圆周运动的知识．试题同时具有科学教育与人文教育的价值．

【例7】(课标全国第19题)卫星电话信号需要通过地球同步卫星传送．如果你与同学在地面上用卫星电话通话，则从你发出信号至对方接收到信号所需最短时间最接近于(可能用到的数据：月球绕地球运动的轨道半径约为3.8×105km，运行周期约为27天，地球半径约为6 400 km，无线电信号的传播速度为3×108m/s)

A．0.1 s B．0.25 s C．0.5 s D．1 s

图1 卫星通信系统示意图

分析：同步卫星传送信号，覆盖范围广，图1中间小三角形区域为盲区，分布在极地，为无人居住区．可见，至少3颗卫星才能基本实现全球通信[2]．设同步卫星距离地面的高度为h，地球半径为R，运动周期为T，月球到地球球心的距离为rEM，月球公转周期为TM．由开普勒第三定律，有

解得

代入已知数据得h≈3.6×107m

点评：试题以卫星电话为背景，考查考生应用万有引力定律和运动学知识分析及解决实际问题的能力．解答的关键有三点:

(1)地球同步卫星离地面高度的计算，求解具有一定的开放性．既可以使用试题给出的相关数据，也可以用其他方法．例如，近地卫星及地球同步卫星联立，用开普勒第三定律求解；或由地球的质量M=6.0×1024kg，求出卫星离地的高度；甚至直接写出h=3.6×107m(基本参数的识记是一种科学素养)．

(2)最短时间的分析．卫星电话信号的传送过程为：电话—基站-卫星-基站-电话，如图2所示．如果基站位于卫星的正下方，不计“你与同学”之间的距离，信号传送时间最短．

图2 卫星通信示意图

(3)数量级估算的能力．估算是一种能力，是科学素养的反映．

4 以天体运动的奇观为载体彰显探究能力为考查目标的课程理念

科学探究是教学目标，既是学习内容，又是重要的学习方式．试题中探究性问题的设计，往往侧重某一方面或几个方面的要素,且要符合学生的实际，探究能力不宜要求过高，否则会影响测量的效果．

【例8】(高考重庆理综卷第21题)某行星和地球绕太阳公转的轨道均可视为圆．每过N年，该行星会运行到日地连线的延长线上，如图3所示．该行星与地球的公转半径之比为

图3 行星处在日地延长线上

分析：设太阳的质量为M，地球、行星的质量分别为m1,m2;它们到太阳中心的距离分别为r1,r2;公转周期分别为T1,T2．

由万有引力定律及牛顿运动定律，有

图4 角位移分析

点评：试题以三星共线这一天文学奇观为背景，“每过N年，该行星会运行到日地连线的延长线上”作为假设，探究行星与地球的公转半径之间的关系．要求考生能根据万有引力定律、牛顿运动定律及圆周运动的知识进行分析和数学推演，从科学探究的要素审视，试题侧重于从理论上进行分析和论证．还有安徽卷第22题(分析略)，以开普勒第三定律为背景，立意并设问，侧重分析和论证、评估要素的考查．

综上所述，2011年高考“天体运动”试题(限于篇幅，未能给出全部试题，文中已给试题出处，可通过其他方式查找原题)，注重知识与方法的统一，突出理论联系实际，凸显科学技术与社会发展的关系;关注知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观三个维度目标的落实;重视创新能力和探究能力的考查，彰显新课程的理念;有利于高校人才的选拔，有利于中学的物理教学．

参考文献

1 阎金铎．物理教学论．广西：广西教育出版社，1996．358～359

2 宋友林，姚乾凯．近代物理专题．河南：郑州大学出版社，2010.214～220