關注高新技術 讓物理教學緊跟時代步伐

摘要：本文結(jié)合“神州”六號發(fā)射的情景，探討了與其相關的幾個中學物理問題的解答，提示廣大老師要在物理教學中多關注高新技術，緊跟時代步伐。

關鍵詞：神州；飛船；物理教學；問題

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A文章編號：1003-6148(2008)2(S)-0008-5

2004年，以“嫦娥工程”命名的我國月球探測活動全面啟動；2005年10月12日，我國成功發(fā)射了“神州”六號載人航天宇宙飛船，費俊龍、聶海勝兩位宇航員搭乘飛船在太空中環(huán)繞地球運行77圈后，于10月17號凌晨返回地面；2007年1月11日中國反衛(wèi)星導彈成功試驗；2007年4月14日我國成功將一顆北斗導航衛(wèi)星送入太空； 2007年9月22日，經(jīng)國務院、中央軍委批準，我國將在海南省文昌市建設新航天發(fā)射場；2007年9月29日中國自主設計研制的新一代航天遠洋測量船——“遠望五號”在上海江南造船廠正式交付中國衛(wèi)星海上測控部使用；中國的“神舟”七號飛船將在2008年發(fā)射，并且要實現(xiàn)搭載三名航天員，而且航天員要出艙活動；中國首顆月球探測衛(wèi)星“嫦娥一號”將于10月下旬在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用“長征三號”甲火箭發(fā)射升空……新中國航天的巨大成就，完全可以與任何一個世界強國媲美，輝煌的成就讓國人自豪，作為中學物理教師的我們既承擔著教書育人的責任，也肩負著科普工作的重擔，關注高新技術，讓物理教學緊跟時代步伐，我們責無旁貸。“神舟六號”成功發(fā)射和回收，使得航天物理知識在高考命題以及青少年科普知識和愛國主義教育中成為一個亮點和熱點。用中學物理知識探究分析“神州”六號的發(fā)射、回收、變軌、在軌運行等問題，讓“神州”六號與中學物理教學結(jié)合，無疑會使物理教學更具有時代氣息。

1 飛船（衛(wèi)星）發(fā)射中的物理問題

問題情景1 發(fā)射“神州”六號飛船用“長征”二號F運載火箭，火箭起飛重量479噸，飛船重量為8.079噸，起飛時，8臺發(fā)動機同時點火，總推力600噸。在電視上我們發(fā)現(xiàn)與發(fā)射衛(wèi)星和導彈相比，“神州”六號要“慢”得多，為什么？費俊龍、聶海勝兩位宇航員在飛船發(fā)射升空中，在船艙的躺椅中平躺，為什么？

探究解析 “神州”六號要“慢”得多，從物理學角度講是指加速度較小。對飛船和火箭：

這個加速度比發(fā)射衛(wèi)星、導彈要小得多，這主要是為航天員的安全和舒適著想，在發(fā)射階段宇航員處于超重狀態(tài)，血液視重增大，心臟無法像平常一樣輸送血液，導致血壓降低，頭部血壓降低，下肢血壓升高，使大量血液淤積在下肢靜脈中，嚴重影響靜脈血的回流，使心臟輸出血量不足，造成頭部供血不足，輕則引起視覺障礙，重則可能導致意識喪失，所以飛船在發(fā)射升空過程中宇航員采用平躺姿勢。如果火箭加速度過大，航天員會感覺不舒適，甚至有生命危險。當然隨高度的升高，加速度會增大，電視中說是4個g左右，航天員訓練時是8個g到12個g。

問題情景2 運載火箭發(fā)射“神州”六號飛船時火箭起初筆直上升，12秒后，逐漸傾斜轉(zhuǎn)彎，開始向東南方向飛去。朝東南方向發(fā)射，為什么？

探究解析 要保證飛船發(fā)射成功，發(fā)射速度至少要達到第一宇宙速度7.9km/s， 我國地處北半球，這樣能充分利用地球自西向東旋轉(zhuǎn)的部分速度，從而可以節(jié)約發(fā)射燃料。

問題情景3 假如不考慮地球表面附近空氣阻力的影響，只考慮地球自轉(zhuǎn)的影響，那么以第一宇宙速度7.9km/s發(fā)射兩顆質(zhì)量相同的近地人造地球衛(wèi)星，發(fā)射點都在即將建成的海南文昌，一顆自西向東發(fā)射，一顆自東向西發(fā)射，問向哪個方向發(fā)射節(jié)省燃料？朝另一個方向發(fā)射的衛(wèi)星要比朝該方向發(fā)射多消耗燃料百分之幾？（地球半徑R=6.4×106m）

探究解析 第一宇宙速度v1=7.9km/s是衛(wèi)星相對地心的速度，是近地圓軌道上的衛(wèi)星環(huán)繞速度。海南文昌非?？拷嗟?，地球自轉(zhuǎn)時，赤道上發(fā)射塔相對地心自西向東速度的大小為：

自西向東發(fā)射，衛(wèi)星達到速度v1，相對發(fā)射塔的速度為：v3=v1-v2=7.435km/s

自東向西發(fā)射，衛(wèi)星達到速度v1，相對發(fā)射塔的速度為：v4=v1+v2=8.365km/s

由動能定理：火箭燃料給衛(wèi)星提供的能量之比為：E′kEk=12mv2412mv23=8365274352=1.27

動能之差為：ΔEk=Ek1-Ek2=0.27Ek，發(fā)射消耗的燃料與衛(wèi)星獲得的動能成正比，故自東向西發(fā)射比自西向東發(fā)射多消耗燃料27%。

海南新發(fā)射場建成后，主要承擔地球同步軌道衛(wèi)星、大質(zhì)量衛(wèi)星、大噸位空間站和深空探測衛(wèi)星等航天器的發(fā)射任務，中國的“長征”系列火箭以及將來的新大推力火箭，推力將可以提升10％。我國酒泉、西昌、太原三個內(nèi)陸發(fā)射基地受到鐵路運輸條件的限制，火箭直徑不能超過3.35米。發(fā)射基地建在沿海，就可用海運這種不受體積限制的方式，地處低緯度的海南還可增強火箭有效發(fā)射能力，廣袤的南海也可成為火箭殘骸安全的墜落區(qū)。

2 飛船（衛(wèi)星）運行中的物理問題

問題情景4 “長征二號”F運載火箭帶著“神州”六號飛船，升空后第120s，火箭實施第一個分離動作，拋掉了逃逸塔；第136s，火箭助推器分離；第159s，火箭一、二級分離；第200s，整流罩上的兩瓣罩體落入空中，露出“襁褓”里的飛船，此時，第二級火箭已經(jīng)飛出了稠密的大氣層，飛船不再需要整流罩的保護了；第583s，船箭成功分離，神舟六號飛船以每秒7．5km/s的速度，在我國黃海上空200km高處進入預定軌道，運行在軌道傾角42. 4度，近地點高度200.65km，遠地點高度約344.725km的橢圓軌道，飛船飛行到第5圈實施變軌，進入343km的圓軌道繞地球飛行，運行的方向基本上和地球同向。為什么飛船要沿橢圓軌道運動？為什么要變軌？

探究解析 在200km高處船箭分離，由于飛船這時仍保持著較高飛行速度，因此，它并不是在200km高度做圓軌道運行，而是沿橢圓軌道運動。如圖1所示：飛船在橢圓軌道上運動時，由開普勒第一定律可知，地球位于飛船橢圓軌道的一個焦點上，O為地心。為了保證航天員的安全，在從第３圈起開始由地面向飛船注入“自主應急返回控制參數(shù)”，以便一旦發(fā)生緊急故障，航天員可以通過鍵盤操作中止正常飛行程序，按預先設計好的自主應急返回程序，實施自主應急返回飛行程序，使飛船在預定的應急著陸區(qū)（國內(nèi)、外共１０個）之一著陸。

飛船在橢圓軌道上的兩個特殊位置A、B(A為近地點，B為遠地點)所受萬有引力的方向雖然與飛船線速度的方向垂直，但都不滿足萬有引力等于該點所需向心力的條件，由開普勒第二定律可知，飛船在A點速度較大，地球?qū)︼w船的萬有引力小于飛船做半徑為ROA的圓周運動所需向心力，做離心運動，飛船在B點速度較小，地球?qū)︼w船的萬有引力大于飛船做半徑為ROB的圓周運動所需向心力，做向心運動；飛船在橢圓軌道上的其它位置（如C點）所受萬有引力的方向既不與線速度垂直，也不滿足萬有引力等于該點所需向心力的條件，將萬有引力分解為沿速度方向上的切向分力和垂直于速度方向的法向分力，切向分力使飛船加速或減速，法向分力使飛船速度方向改變。

飛船在遠地點B開動軌控發(fā)動機，向飛船運動反方向噴氣，使飛船加速，當滿足萬有引力等于飛船做半徑為ROB的圓周運動所需向心力時，飛船的運行軌道由橢圓軌道2變?yōu)榘霃綖镽OB的圓軌道3運動。飛船變?yōu)閳A軌道后，在第一、第三、第五天的運行軌跡基本是重復的，按設計方案，在這種情況下，便于飛船返回主著陸場。同時，圓軌道的自主應急返回方案相對于橢圓軌道來說，要更加便于設計。

問題情景5 如上圖1，1為離地高度為200km的圓軌道，在1軌道上的A點的線速度v1、加速度a1和在2軌道上的A點v2、a2大小關系是怎樣的？在2軌道上的B點的線速度v3、加速度a3和在3軌道上的B點v4、a4大小關系是怎樣的？在2軌道上的A點和B點兩處，速度和加速度大小關系是怎樣的？

探究解析 在軌道1上的A點萬有引力等于飛船在該點做圓周運動所需向心力，“供需平衡”：

在軌道2上的A點萬有引力小于飛船在該點做圓周運動所需向心力，“供需失衡”：

故v1＜v2

無論是在軌道1還是在軌道2上的A點，都是萬有引力產(chǎn)生加速度，由牛頓第二定律：

在2軌道上的A點和B點兩處，由牛頓第二定律可知：a2＞a3；從A點向B點運動，由能量守恒定律可知v2＞v3。

問題情景6 “神舟”六號飛船升空后，進入近地點距地心為r1，遠地點距地心為r2的橢圓軌道。2005年10月12日15時54分45秒，神舟六號飛船推進艙軌控發(fā)動機點火，飛船開始變軌，飛船在遠地點時，將質(zhì)量為Δm的燃氣以一定的速度向后噴出后，飛船改作半徑為r2的圓周運動，已知地球表面處加速度為g，飛船在近地點速度為v1，飛船總質(zhì)量為m，取距地球無窮遠處為引力勢能零點，質(zhì)量為m的物體的引力勢能為Ep=-G Mmr （其中M為地球質(zhì)量， r為物體距地心的距離，G為萬有引力常量）。求飛船在遠地點時，應將Δm的氣體以相對于地球多大的速度v0向后噴出才能進入半徑為r2的圓軌道（已知地球半徑為R，地面重力加速度為g）

探究解析 飛船在橢圓軌道上運行，機械能守恒。設飛船在遠地點的速度為v2，

問題情景7 10月14日清晨，“神舟”六號在第30圈進行變軌后的首次軌道維持，根據(jù)軌道精測參數(shù)進行微量調(diào)整，使飛船回到預定的正常軌道，為什么要進行軌道維持？

探究解析 飛船在運動過程中，由于受到稀薄空氣的摩擦阻力和地球引力的影響，軌道高度會逐漸緩慢降低，為確保飛船正常運行，必須進行軌道維持，“神六”首次軌道維持時，發(fā)動機共點火6.5s，飛船抬高了800m。如果不進行軌道維持，飛船的向心加速度逐漸增大，周期逐漸減小，線速度和角速度都逐漸增大，機械能逐漸減小。

問題情景8 軌道艙也叫工作艙，它是航天員的“太空臥室”兼“工作間”，它還兼有航天員生活艙和留軌實驗艙兩種功能，所以也稱留軌艙。軌道艙里面裝有多種實驗設備和實驗儀器，可進行對地觀測，其兩側(cè)裝有可收放的大型太陽能電池帆翼、太陽敏感器和各種天線以及各種對接結(jié)構，用來把太陽能轉(zhuǎn)換為飛船的能源，與地面進行通訊等。作為航天員的“太空臥室”，軌道艙的環(huán)境很舒適，艙內(nèi)溫度一般在17至25℃之間。“神州”六號在圓軌道上運動時，宇航員相對軌道艙“靜止”站在艙內(nèi)的“地板”上，下列說法正確的是（ ）

A.宇航員不受重力作用

B.宇航員與“地板”之間無彈力

C.宇航員所受重力與他在該位置所受的萬有引力相等

D.若宇航員將手中的筆無初速釋放，筆將落到“地板”上

探究解析 宇航員隨飛船在加速上升階段處于超重狀態(tài)，火箭與飛船分離，推力消失，飛船入軌后，就會開始出現(xiàn)失重狀態(tài)，而繞地球做勻速圓周運動時處于完全失重狀態(tài)，所以答案是BC。實際上，由于完全失重，人其實可以浮在空中睡覺，但考慮到人在地面養(yǎng)成的習慣，所以載人飛船（或空間站）通過睡袋人為地制造一種“床”的感覺，否則航天員睡覺時可能會產(chǎn)生墜入萬丈深淵的錯覺。

問題情景9 附加段也叫過渡段，是為與另一艘飛船或空間站交會對接做準備用的。在載人飛行及交會對接前，它也可以安裝各種儀器用于空間探測，神舟飛船軌道艙前端可能裝有俄羅斯式的對接系統(tǒng)。假設“神州”六號要與國際空間站對接，下列措施可行的是（ ）

A．從較低軌道上開始加速

B.從較高軌道上開始加速

C．從空間站同一軌道上加速

D.無論從什么軌道上，只要加速就行

探究解析 飛船在某一軌道上加速時，所需向心力增大，原有的萬有引力不足以提供現(xiàn)有的向心力而做離心運動，使軌道半徑增大，因而只能從較低軌道上加速，所以選A。需要說明的是，上述情景只是一種假設，事實上“神州”六號軌道艙繞地球運行半年后，將會進入大氣層經(jīng)過升溫、熔化，最后汽化而銷毀。由于此次飛行沒有交會對接任務，神舟六號取消了附加段。

問題情景10 “神州”六號總質(zhì)量為m，在離地h高處繞地球做勻速圓周運動，已知地球質(zhì)量為M，地球半徑為R，地球表面重力加速度為g，萬有引力常量為G，求：

（1）飛船在軌道上正常運行的速度是多大？

（2）飛船在軌道上運行周期是多少？

（3）質(zhì)量為m0的宇航員，他在飛船中的重力將變?yōu)槎啻?？?/p>

探究解析 

（1）由GMm(R+h)2＝mv2R+h 和GMm′R2＝m′g，

求得v＝gR2R+h 

（2）由T＝2π(R+h)v，

求得T=2π(R+h)RR+hg（周期90min）

（3）在飛船上的宇航員，萬有引力等于重力，故GMm0(R+h)2＝m0g，變形可得m0g＝m0gR2(R+h)2，事實上h比R小得多，所以宇航員的重力只是略有減小。

3 飛船（衛(wèi)星）回收中的物理問題

飛船在軌道運行5天后返回地面，返回程序是：飛船飛行姿態(tài)第一次調(diào)整→軌道艙分離(留在太空繼續(xù)飛行)→飛船飛行姿態(tài)第二次調(diào)整，呈倒飛狀態(tài)→推進艙發(fā)動機點火，降低軌道高度，進入返回軌道→推進艙分離→返回艙姿態(tài)調(diào)整建立再入姿態(tài)→進入稠密大氣層，穿越黑障區(qū)→回收著陸系統(tǒng)啟動工作，彈出傘艙蓋，連續(xù)完成拉出引導傘、減速傘和主傘動作→著陸。

問題情景11 在2005年10月17日凌晨3時44分，“神州”六號飛船軌道艙與返回艙成功分離，并在3時45分，飛船的發(fā)動機成功點火，開始回航。在4時07分飛船軌道艙與返回艙成功分離，返回艙自行重返地球?！吧裰萘碧柕能壍琅摵头祷嘏摲蛛x后，軌道艙將仍留在太空運轉(zhuǎn)半年，其運行周期和速度與原來相比（ ）

A.周期變大，速度變大

B.周期變大，速度變小

C.周期變小，速度變大

D.周期變小，速度變小

探究解析 軌道艙和返回艙分離時滿足動量守恒。設總質(zhì)量為M，返回艙質(zhì)量為m，則Mv＝（M－m）v1－mv2 ，由此可知v1增大，原有的萬有引力不足以提供向心力而使軌道艙做離心運動，其運行軌道半徑比原來更大，所以運行速度變小，周期變大，應選B。

問題情景12 “神州”六號的返回艙與軌道艙分離之后，便開始緩緩下墜進入大氣層，下墜過程除重力做功外，克服其它力做功為W，若返回艙質(zhì)量為m，開始進入大氣層時距地面高度為h，地球半徑為R，假設地球表面附近的重力加速度恒為g，求其下墜后到達地面時的速度v2？

探究解析 返回艙進入大氣層時，其速度為v1，有mg＝mv21R+h①

進入大氣層下墜過程能量守恒，有

12m v12＋mg（R+h）＝12m v22＋W②

由①②得v2=3g(R+h)-Wm

問題情景13 “神舟”六號飛船自12日9時上天，歷經(jīng)5天5夜于17日凌晨安全返回主著陸場。飛船在返回過程中，當飛船返回艙下降到距地面大約10km高度時，返回艙上的靜高壓控制器通過測量大氣壓力判定高度，自動打開傘艙蓋，首先帶出引導傘，引導傘再拉出減速傘，此時返回艙的速度大約180m/s，第一次打開減速傘8s后返回艙速度減為80m/s左右，然后第二次打開主傘使飛船速度進一步減小，最終減小到10m/s。假設第一次打開減速傘后飛船作勻減速運動，試估算航天員費俊龍、聶海勝在第一次打開減速傘到第二次打開主傘的過程中所承受的載荷值（即所受支持力與自身重力之比值g=10m/s2）。

探究解析 第一次打開減速傘后飛船作勻減速運動，飛船的加速度為:

a=v2-v1t=80-1808=-12.5m/s2

由牛頓第二定律：mg-FN=ma

故FN/mg=(g-a)/g=2.25

問題情景14 為了實現(xiàn)返回艙安全著陸，在飛船即將著陸的一瞬間，飛船距地面約1m時，安裝在返回艙底部的四臺緩沖發(fā)動機同時點火工作，使返回艙的速度由10m/s降到2m/s。假設返回艙質(zhì)量為M，減速時間為t，試求返回艙在這段時間內(nèi)所受的平均阻力？

探究解析 對返回艙，由動量定理：

（Mg-F）t=Mv2-Mv1

則F=M(v1-v2)t+Mg=8Mt+Mg

問題情景15 2008年我國航天員將實現(xiàn)太空行走，設想航天員連同裝備的總質(zhì)量M=100kg，在距離飛船45m處與飛船處于相對靜止狀態(tài)，航天員背著裝有質(zhì)量為m0=0.5kg氧氣的貯氣筒，其上有一個可以使氧氣以相對于宇航員以v=50m/s的速度噴出的噴嘴，航天員必須向著返回飛船相反的方向放出氧氣，才能回到飛船，同時又必須保留一部分氣體供途中呼吸用，航天員的耗氧率為Q=2.5×10-4kg/s，不考慮噴出氣體對航天員及設備總質(zhì)量的影響。求：

（1）瞬時噴出多少氧氣，航天員才能安全返回飛船？

（2）航天員安全返回到飛船的最長和最短時間分別為多少？

（3）為了使總耗氧量最低，應一次噴出多少氧氣？返回時間又是多少？（飛船在一段很短的圓弧上的運動可視為勻速直線運動）

探究解析（1）若m太小，宇航員獲得的速度很小，雖然貯氣筒中剩余的氧氣多，但由于返航時間太長，將無法滿足途中呼吸所用；若m太大宇航員獲得的速度雖然大了，而筒中氧氣太少，也無法滿足途中呼吸所用。

設瞬間噴氧氣質(zhì)量為m時，宇航員恰能安全返回，由動量守恒定律：

m(v-v′)=(M-m)v′，即mv=Mv′①

宇航員返回的時間為t=sv′②

貯氣筒中剩余氧氣質(zhì)量滿足

m0-m≥Q t③

由①②③得400m2-200m+9≤0

解得0.05kg≤m≤0.45kg

（2）根據(jù)①②式得t=Msmv④

當m=0.05kg時，可求得宇航員安全返回到飛船的最長時間為tmax=1800s；

當m=0.45kg時，可求得宇航員安全返回到飛船的最短時間為tmin=200s；

（3）當總耗氧量最低時，設宇航員安全返回共耗氧氣Δm，則Δm=m+Qt⑤

“神州”六號是系統(tǒng)的復雜工程，我們除了從中學物理知識角度分析解釋相應一些問題，激發(fā)學生學習物理的興趣外，還應對學生進行愛國主義教育、合作精神、治學嚴謹、抗挫折教育、樹立遠大理想教育的好教材。作為教師，只要我們時刻觀注高新技術，始終能夠挖掘出配合教育教學的“新教材”，物理教學就會不再枯燥，就會跟上時代的步伐，物理教學就會時刻沐浴在陽光春天中。

(欄目編輯趙保鋼)

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。