科学空间|Scientific Spaces

1950年，美国海军次长金布尔说：“他无论走到哪里，都抵得上5个师的兵力，我宁可把他击毙在美国也不能让他离开！”

年轻钱学森

不论你是专注还是不专注科学，我相信您都会听过这句话。这是在1950年，处于美国的钱学森要回国的时候，美国海军次长金布尔竭力阻止尔说的话。钱学森是中国航天科技事业的先驱和杰出代表，被誉为“中国航天之父”和“火箭之王”。然而，现在要告诉一个让各位朋友痛心的消息：这颗中国科学科学巨星今天在北京陨落了！享年98岁。

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钱学森资料图片

一、基本资料

中文名:钱学森性别:男

出生年:1911出生地:上海

职业:物理学家

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据美国太空网报道，下图展示了由3000幅单独的照片拼接而成的一幅全新的完整夜空全景图，其展现的最吸引人的景象便是我们生存的银河系。据悉，夜空全景图由美国中密歇根州大学的阿克塞尔·麦林格尔历时22个月制作完成。在此期间，他的足迹遍布南非、德克萨斯州和密歇根州，拍摄夜空数码照片，总行程超过2.6万英里(约合4.2万公里)。

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之前在这篇文章中，我们使用过一个牛顿引力场中的自由落体公式：
$t=\sqrt{\frac{r_0}{2GM}}{r_0 \cdot arctg \sqrt{\frac{r_0 -r}{r}}+\sqrt{r(r_0 -r)}}$——（1）

我们来尝试一下推导出这个公式来。同时，站长在逐渐深入研究的过程中，发现微分方程极其重要。以前一些我认为不可能解决的问题，都用微分方程逐渐解决了。在以后的文章里，我们将会继续体验到微分方程的伟大魔力！因此，建议各位有志研究物理学的朋友，一定要掌握微分方程，更加深入的，需要用到偏微分方程！

首先，质量为m的物理在距离地心r处的引力为$\frac{GMm}{r^2}$，根据牛顿第二定律F=ma，自然下落的物体所获得的加速度为$\frac{GM}{r^2}$。假设物体从距离地心r开始向地心自由下落，求位移s关于t的函数s=s(t).

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由于备战考试，这篇预报姗姗来迟。现在，终于可以跟大家见面了。2009年最后一月的夜空，并没有因为严冬的到来而显得冷清。精彩天象将接踵而来，想必寒冷的天气挡不住天文爱好者的热情。当然，光有热情还不够，防寒的措施一定要做好，要是为了一夜观测而吊上一周的点滴，那就不大好了。

12月22日是冬至节气，意味着北半球到了黑夜最长的时段，可观测时间也达到了最长！在这里我也希望大家合理安排观测时间，注意休息，切勿过于疲劳。愿大家在最好的一个月中，能够更好地享受天文的乐趣，以此完美地结束这个天文年！

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在初中或高中，自由落体试验简单地用这个公式来描述出来：
$$s=1/2 g t^2$$
其中$g=9.8m//s^2$，等于1kg物体在地球表面所受的重力。
但是这个公式很明显有一个问题，就是实际上在地球，g不是恒定的，会随着距离（即海拔高度）的变化而变化，上述公式能够在一定范围内描述自然落体运动。但是当距离很大时，公式便失效了。

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一枚炮弹以速度$v_0$向上射出，只考虑重力因素，请问炮弹到达多远的距离后就会开始自由下落？

大炮的发射

对于这个问题，我们首先采取的是高中生的做法。考虑地球重力，也就是说炮弹在做加速度为-g（-9.8m/s²）的匀变速运动。根据公式$v_t^2-v_0^2=2as$，可得$s=\frac{v_0^2}{2g}$。
此即炮弹能够走得最远距离。

但是看了这条式子，我们会发现，这个“距离”始终是有限的。换一句话说，只要$v_0$不趋于无穷大，s就不会无穷大。但是我们还听到过牛顿这样说过：假如炮弹以某个速度（就是我们现在所所说的第二宇宙速度）飞离地球，它就永远不会回来了。两者不是矛盾吗？

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注：2019.02.13 由科学空间苏剑林（https://kexue.fm）更新，修正公式76，并简化latex。

物理、天文研究得深入了，微积分的应用自然也就多了（其实很多内容都用到微积分）。所以弄出一个几何或者力学问题，随手就列出一道积分或者微分方程，这时求解是最重要的。对于我来说，求导数可以娓娓道来，轻松而得；而积分则比较困难（这与个人的技巧有关，更重要的是事实：导数几乎有通用的公式，而积分只能“凑”出来）。

因此，很多积分干脆依靠现成的公式，懒得去推导了。然后，并非随时随地都有《数学分析》在手的，对计算机数学软件的实用又不大熟悉，这时候只能够求助这一本《积分表》了。只要不是故意去钻那些竞赛级别的数学难题，这已经足够应付物理等方面的应用了。

这时候就这也不用愁到处找$\int \sqrt{a^2-x^2}dx$的结果了。

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