航天知識(shí)與高中物理

陳 銘

（華中師范大學(xué)第一附屬中學(xué)，武漢 430223）

作為世界上為數(shù)不多的航天大國(guó)，我國(guó)在航天領(lǐng)域所取得的成就舉世矚目，從建國(guó)初期的一窮二白，到 兩彈一星 ，直至今天， 神舟 飛船的陸續(xù)發(fā)射，將我國(guó)帶入了太空探索的新時(shí)代。作為一名高中生，除意識(shí)到我國(guó)在航天領(lǐng)域偉大突破的同時(shí)，還應(yīng)當(dāng)學(xué)會(huì)發(fā)現(xiàn)其中涉及到的物理知識(shí)。

1 高中生對(duì)航天知識(shí)的學(xué)習(xí)路徑

由于高中生物理知識(shí)的學(xué)習(xí)以基礎(chǔ)理論知識(shí)為主，對(duì)于相關(guān)理論知識(shí)的應(yīng)用卻并未過(guò)多的涉及，因此，高中生在航天知識(shí)的學(xué)習(xí)方面也就存在一定的缺失，增加航天知識(shí)學(xué)習(xí)路徑對(duì)高中生物理知識(shí)體系的全面發(fā)展有著至關(guān)重要的作用。

1.1 在課堂教學(xué)中進(jìn)行有意識(shí)的學(xué)習(xí)

高中物理課堂教學(xué)中，針對(duì)航天部分所涉及的知識(shí)點(diǎn)，高中生應(yīng)給與特別關(guān)注，并結(jié)合以往所學(xué)的物理知識(shí)，對(duì)部分航天現(xiàn)象進(jìn)行解釋。在自身物理知識(shí)體系范圍內(nèi)無(wú)法解釋的，可求助網(wǎng)絡(luò)或教師進(jìn)行解惑。例如，高中物理中所提到的地球同步軌道衛(wèi)星，該衛(wèi)星與地球保持相對(duì)靜止，這與其他衛(wèi)星之間存在明顯的區(qū)別，在分析該衛(wèi)星特點(diǎn)的過(guò)程中，不僅涉及到萬(wàn)有引力定律，還包括力的分解等多方面的內(nèi)容。

1.2 完善已有物理知識(shí)體系

航天知識(shí)與高中物理間有著較多的聯(lián)系，在對(duì)以往高考題目進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)，萬(wàn)有引力、圓周運(yùn)動(dòng)等知識(shí)點(diǎn)在航天類(lèi)型題目中的出現(xiàn)頻率較高，解決此類(lèi)問(wèn)題需要借助更加全面的知識(shí)體系。例如，針對(duì)開(kāi)普勒三大行星運(yùn)動(dòng)定律，不僅需要掌握不同定律的原理，還應(yīng)當(dāng)了解其應(yīng)用場(chǎng)景，以及在不同題目中的體現(xiàn)形式。

2 高中物理知識(shí)在航天探索中的應(yīng)用

2.1 人造衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)

所謂人造衛(wèi)星，是指人類(lèi)發(fā)射的，能夠圍繞特定星球運(yùn)動(dòng)的航天器，這里以人造地球衛(wèi)星為研究對(duì)象。在高中物理知識(shí)中，根據(jù)衛(wèi)星運(yùn)行軌道高度的不同，可以將其分為高軌道衛(wèi)星、中軌道衛(wèi)星和地軌道衛(wèi)星。其中，較為特殊的人造地球衛(wèi)星為地球同步軌道衛(wèi)星，它有著和地球自轉(zhuǎn)相同的角速度，與地球赤道同心，且高度軌道高度固定，與地球保持相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。至于為何所有的地球同步軌道衛(wèi)星高度都驚人的一致，則可以利用萬(wàn)有引力定律加以解釋?zhuān)?/p>

式中，m為衛(wèi)星質(zhì)量；G為萬(wàn)有引力常數(shù)；T為地球自轉(zhuǎn)周期；M為地球質(zhì)量；H為衛(wèi)星據(jù)地面的高度；R0為地球半徑。

由此可以看出，地球同步軌道衛(wèi)星的高度只與G，M，T，R0有關(guān)，因此，對(duì)于地球同步軌道衛(wèi)星來(lái)說(shuō)，這些數(shù)據(jù)都是固定不變的，這也就不難說(shuō)明此類(lèi)衛(wèi)星的高度為何具有一致性了。

2.2 航天器變軌的物理知識(shí)

在 神舟 飛船發(fā)射過(guò)程中，為進(jìn)入預(yù)定軌道，我們?cè)谥辈ブ袝?huì)看到飛行器需要進(jìn)行多次變軌。以 神舟 十號(hào)載人飛船為例，該飛船在離開(kāi)地面后沿著橢圓軌道進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，在到達(dá)遠(yuǎn)地點(diǎn)位置時(shí)，通過(guò)火箭助推進(jìn)行加速，從而進(jìn)入更高的預(yù)定軌道。之所以選擇在遠(yuǎn)地點(diǎn)進(jìn)行變軌，這是由多種因素所決定的，首先，遠(yuǎn)地點(diǎn)航天器所受萬(wàn)有引力作用較小，航天器能夠更加輕松的逃逸當(dāng)前軌道；其次，航天器所攜帶燃料有限，為更好的利用燃料，則需要選擇在萬(wàn)有引力最小的軌道位置進(jìn)行變軌；最后，初始橢圓軌道遠(yuǎn)地點(diǎn)距預(yù)定軌道的位置最為接近，航天器所需加速度較小，路徑較短，有利于變軌后的控制。

圖1 航天器運(yùn)行軌道示意圖

在航天領(lǐng)域中，航天器進(jìn)入初始橢圓軌道僅僅是邁出了第一步，下一步的變軌則是所有過(guò)程中最為關(guān)鍵的一步，如果變軌失敗，航天器將處于失控狀態(tài)，或墜入大氣層燒毀，或永遠(yuǎn)的漂浮在太空中。因此，研究人員需要對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)的計(jì)算，包括火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料消耗情況、初始速度、航天器的姿態(tài)和航向等，以降低失誤發(fā)生的概率。

2.3 太空飛船微重力環(huán)境的實(shí)現(xiàn)

在一些科幻電影中，我們經(jīng)常可以看到一些與周?chē)w船的中活動(dòng)艙是處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的，且內(nèi)部的工作人員并不是漂浮在空中的，而是能夠像在地球上一樣行走。其實(shí)，這是利用了離心力的作用，在忽略動(dòng)力來(lái)源的情況下，根據(jù)離心力公式可以看出，旋轉(zhuǎn)角速度（線(xiàn)速度）越大，其離心力也就越大，抵消失重的效果也就越好。

式中，m為物體質(zhì)量；V為物體旋轉(zhuǎn)的線(xiàn)速度；r為旋轉(zhuǎn)半徑。

然而，由于航天器中工作人員所受作用力不僅僅來(lái)自于地球，還包括宇宙中的其他星體，且工作人員身體情況也存在一定差異，因此，在選擇航天器的旋轉(zhuǎn)速度時(shí)，應(yīng)當(dāng)以微重力環(huán)境為宜，以避免離心力與引力合力的劇烈變化。

3 結(jié)束語(yǔ)

航天工作是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，其科學(xué)技術(shù)含量較高，作為一名高中生，目前所學(xué)的物理知識(shí)僅能夠?qū)ζ渲胁糠謨?nèi)容進(jìn)行簡(jiǎn)單的解答。然而，隨著我們對(duì)物理學(xué)習(xí)的不斷深入，能夠發(fā)現(xiàn)更多與航天有關(guān)的知識(shí)內(nèi)容，如宇宙空間輻射的防護(hù)、太空垃圾的回收等。所以，我們應(yīng)當(dāng)認(rèn)真學(xué)習(xí)高中物理知識(shí)，為探索航天奧秘打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1] 許利明.用中學(xué)物理求解航天技術(shù)問(wèn)題[J].物理教學(xué)，2010（10）.

[2] 梁子麒.高中物理中的航天知識(shí)探討[J].中華少年，2017（36）.

[3] 俞樺.對(duì)高中物理教學(xué)中拓展天文和航天知識(shí)的思考[J].考試周刊，2012（66）.