合作撰写：高中物理完整汇编，（一）天体物理（知识篇）

天际线

2023.12.6

2023年6月-9月，我撰写了《给高中师生学习物理教学学习建议》一书，于头条文章合集发表；同年4月-10月，名为“物理可以这样学”的网友撰写了《高中物理-物理也可以这样学系列》一书。我们经过一番合计，推出了这套“汇编”，由我（老王聊物理）进行北京高考物理题型、模型、例题整合撰写，由“物理可以这样学”老师撰写知识点部分。此汇编定期不定时往后更新，希望大家的喜欢！具体发布信息过后告知！

如下呈现第一部分汇编知识：天体物理：

1天体物理涉及到的主要知识点总结：

1.1开普勒的三大行星运动的定律。
1.1.1开普勒第一定律：行星围绕太阳的运动的轨迹是椭圆，而不是圆。太阳位于其中的一个焦点上。
1.1.2开普勒第二定律：对于任意一个行星来说，它说太阳的连线在相等的时间内扫过的面积相等。
我们可以从开普勒第二定律得知，在行星离太阳较近的时候，其运行速度较快，反之，在行星离太阳较远的时候，其运行速度较慢。
1.1.3开普勒第三定律：所有行星的半长轴的三次方与其运行周期的平方的比值是一个常量。
实际上，当我们把行星围绕太阳的运动视为圆的时候，那么，由开普勒第三定律，我们就可以得到：行星运行半径的三次方比上其运行周期的平方等于常量。
1.2万有引力定律
我们知道，任何有质量的两个物体之间都存在万有引力，我们平时感受不到两个物体之间的万有引力是因为其质量比较小，而万有引力常数比较小，它们之间的万有引力比较小。所以我们才感受不到。
但是到了天体之间，由于天体的质量都非常大，那么，它们之间的万有引力就非常大了，正是由于太阳对行星的万有引力存在，才使得行星在围绕太阳的运行。
1.3三大宇宙速度。
对于三大宇宙的速度的理解，可以这样：
1.3.1、第一宇宙速度是地球上卫星的最小的发射速度，也就是说你在地球上，要想成功发射一颗卫星，其发射速度如果小于第一宇宙速度的话，卫星注定发射失败。
另外，第一宇宙速度也是近地卫星的环绕速度，也是卫星的最大的环绕速度。这个结论的推导之前的章节中有介绍，我在这里就不再赘述了。
1.3.2、第二宇宙速度又叫逃逸速度，为什么叫做逃逸速度呢？那是因为卫星如果想脱离地球的吸引，成为太阳系的一个卫星来说，必须或者至少要达到的发射速度。
1.3.3、第三宇宙速度，也可以叫做逃离太阳的吸引的卫星的最小发射速度。也就是说，要使卫星逃离太阳系，那么它最小的发射速度要达到第三宇宙速度的大小。
1.4经典的牛顿力学的局限性。
其局限性主要在两个方面。
其一，牛顿力学适用于低速运动的物体，也就是说，当物体的运动速度足够大，达到和光速可比性的时候，牛顿力学就不再适用了。
其二，牛顿力学适用于宏观物体的研究。比如在研究微观粒子的运动时，由于微观粒子不但具有粒子性还具有波动性，这个时候牛顿力学就显得不再适用了。就需要量子力学进行对微观粒子的运动进行解释和研究了。
不过，上述的牛顿力学的局限性并不是在否定牛顿力学，并不是说牛顿力学是错误的。而是要告诉大家，牛顿力学的使用是有条件的。并且事实说明，牛顿力学还是十分有用的。
1.5知识点浓缩
1.5.1卫星的发射及运行

在地面附近静止	忽略自转：G＝mg，故GM＝gR2(黄金代换式)
	考虑自转 两极：G＝mg 赤道：G＝mg0＋mω2R
卫星的 发射	第一宇宙速度：v＝＝＝7.9 km/s
(天体)卫星在圆轨道上运行	G＝Fn＝ 越高越慢，只有T与r变化一致
变轨	(1)由低轨变高轨，瞬时点火加速，稳定在高轨道上时速度较小、动能较小、机械能较大；由高轨变低轨，反之． (2)卫星经过两个轨道的相切点，加速度相等，外轨道的速度大于内轨道的速度． (3)根据开普勒第三定律，半径(或半长轴)越大，周期越长.

1.5.2天体质量和密度的计算
1.5.3双星问题

模型概述	两星在相互间引力作用下都绕它们连线上的某一点做匀速圆周运动
特点	角速度(周期)	相等
	向心力	各自所需的向心力由彼此间的万有引力提供＝m1ω2r1，＝m2ω2r2
	轨迹半径关系	(1)r1＋r2＝l (2)m1r1＝m2r2
	总质量	m1＋m2＝

2天体物理学习过程中的几点建议与经验

天体物理作为高中课本较简单的一章，考题选择经常放在前8个位置，但大量孩子模型记不住，知识抓不牢。 因此给热爱科普的孩子和年轻有为的老师学习或教学万有引力与航天一章提供几点建议和经验：

2.1.一个解题大招：做题前先在草稿纸上画中心天体，天体质点和轨道简图，尤其标清楚天体半径，轨道半径，飞船距地面高度等等。画好之后列最常规的万有引力定律等式，基本物理量都可求出！

2.2.一个特殊关键点：地表重力加速度从赤道到两极变化规律的特点，用万有引力力的分解法则解释问题！

2.3.一个注意点：高一高二老师教的黄金法则或者高轨低速大周期，做题时要列式按部就班去做，不要上来就用口诀！物理学科阅卷是要原始公式分的！

2.4.两个值得区分辨析的知识点：圆轨道和椭圆轨道问题！老师上课一定要讲两者速度加速度能量等一系列变化规律，作为重点！

还有帮助孩子分析近地卫星，同步轨道卫星等的区别！

2.5.两个模型：变轨模型和双星模型！

变轨模型：老师在讲解时一定要画出椭圆和大的圆轨道，并引领同学们分析变轨加速点或减速点前后速度加速度情况！

双星模型：老师务必讲清楚列“万有引力充当向心力式子”时的“r”表示物理含义不一致！

2.6.一组关键数值：卫星的几个宇宙速度分别对应的范围情况要知道！尤其是第一宇宙速度的两个最值物理意义！

2.7.高考当中最喜欢出的一类题型是：星球球壳内的点不受球壳万有引力！这是一个重要结论！鉴于如上结论，再给大家“链接”一下北京高考2023真题第二十题。想要搞定这道题，必须清楚球内部物体只受到球心和物体间万有力。

核心主旨是讲“宇宙暗物质”的，何谓“暗物质”？它不发生电磁相互作用，仅有引力相互作用，它是指那些不发射任何光及电磁辐射的物质。暗物质存在的证据源于对球状星系旋转速度的观测。

具体来说，一些恒星在星系团周围运动，在星系团内部的恒星符合v-r变化曲线，而在星系团外部的并不符合理论上的v-r变化线，为什么呢？正因为星系团外存在着暗物质使得r增大v却趋于稳定。

这道题便是立足于万有引力高中知识，从一个崭新角度即暗物质暗能量，并让学生联系“地球内外引力大小求法”解题。反观我们现在教学，不少老师希望课堂只讲求基础、不拓展科普、不倡导创新的现实仍需不断改变，真正让“创新，综合”成为物理教学主力军！

2.8.天体运动与原子模型构建的类比联系。归根结底必须要学会公式的推导，学会迁移变换的能力。宏微观对比模型非常常见不过了,尤其是压轴题也非常喜欢出这类题！

类比是一种重要归纳方法，通过类比可以自己构建很多物理模型，这些模型都是做题的突破口！

综合来看，天体物理是整个高中阶段最简单的一个板块，因为这一章规律性极强！