高鐵中的高中物理知識(shí)

摘要：物理作為傳統(tǒng)學(xué)科在高中學(xué)科體系中有著極為重要的地位，高中物理知識(shí)來源于生活，相關(guān)理論知識(shí)的研究最終又回歸于生活。因此，在學(xué)習(xí)高中物理知識(shí)的過程中，應(yīng)當(dāng)與其在生活中的實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合。本文以高鐵中的物理知識(shí)為研究內(nèi)容，對高鐵機(jī)械施工、運(yùn)營過程中的物理知識(shí)進(jìn)行舉例分析，以加深人們對于高鐵中的物理知識(shí)的認(rèn)識(shí)。

關(guān)鍵詞：高鐵 高中 物理知識(shí)

近年來，我國高鐵的發(fā)展速度取得了舉世矚目的成就，尤其是近幾年來，新的高鐵線路的大量開通，解決了人們長期面臨的出行問題。作為一名高中生，通過研究高鐵建設(shè)施工、運(yùn)營過程中的相關(guān)內(nèi)容，可以從中發(fā)現(xiàn)大量的高中物理知識(shí)，如隧道施工過程中的精度控制、高鐵運(yùn)營過程中的軌道裂隙檢測、高鐵軌道傾角設(shè)計(jì)等。

一、隧道施工過程中的精度控制

科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步改變了傳統(tǒng)隧道施工方式，盾構(gòu)機(jī)的使用大大加快了掘進(jìn)速度，也使得施工精度明顯提高。隧道施工過程中的精度控制，主要依靠的是盾構(gòu)機(jī)中的慣性測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)由陀螺儀、加速度計(jì)和高速計(jì)算機(jī)組成，在預(yù)置盾構(gòu)機(jī)的起始位置以及將隧道掘進(jìn)路線輸入慣性測量系統(tǒng)計(jì)算機(jī)之后，慣性測量系統(tǒng)根據(jù)掘進(jìn)過程中的位置、姿態(tài)參數(shù)變化，調(diào)整盾構(gòu)機(jī)的前進(jìn)方向，以確保隧道掘進(jìn)線路與預(yù)置方案一致。

該系統(tǒng)各組成單元與高中物理學(xué)知識(shí)相關(guān)的，主要為陀螺儀單元和加速度計(jì)單元，其作用如下：

盾構(gòu)機(jī)所使用的陀螺儀多為光學(xué)陀螺儀，通過三個(gè)在垂直方向上安裝的光學(xué)陀螺儀，感知盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)變化，在盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)變化的過程中，光學(xué)陀螺儀內(nèi)部的兩條光束所形成的相位差會(huì)進(jìn)行矢量累積，進(jìn)而表現(xiàn)在不同方向上的姿態(tài)變化情況。

加速度計(jì)的作用則是測量盾構(gòu)機(jī)在不同姿態(tài)下的加速度變化情況，對盾構(gòu)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的三個(gè)垂直方向上的加速度矢量進(jìn)行疊加，在計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行連續(xù)積分后可以得出其最終位置。其中，在計(jì)算加速度在三個(gè)位置上的垂直分量時(shí)，角度關(guān)系則由光學(xué)陀螺儀感知。由此可以看出，在慣性測量系統(tǒng)中，其中獲取的參量信息主要為大小、方向，相關(guān)參數(shù)的分析則為矢量分析。

二、高鐵運(yùn)營過程中的高中物理知識(shí)

與其它類型交通運(yùn)輸方式不同，高鐵是目前我國最快的地面交通運(yùn)輸工具，以最新投入運(yùn)行的“復(fù)興號(hào)”列車為例，其速度已經(jīng)超過350km/h。如此高的運(yùn)行速度，為保證高速鐵路的安全運(yùn)營，則需要構(gòu)建嚴(yán)密的安全保障體系，其中就能夠體現(xiàn)出高中所學(xué)的物理知識(shí)。

（一）軌道裂隙檢測

目前，我國高速鐵路已經(jīng)普遍采用了無縫鋼軌技術(shù)，但是，任何金屬在長時(shí)間的使用下都會(huì)出現(xiàn)一定的損壞，尤其是在較為惡劣的情況下，鋼軌出現(xiàn)裂隙的可能性將大大增加，如不及時(shí)發(fā)現(xiàn)鋼軌裂隙，將導(dǎo)致高速行駛的列車出軌，造成嚴(yán)重的人員生命威脅和財(cái)產(chǎn)損失。

為解決這一問題，鐵路管理部門會(huì)定期對軌道進(jìn)行裂隙檢測，其中就用到了高中電磁學(xué)的相關(guān)知識(shí)。在檢測車底部的固定位置安裝電磁信號(hào)發(fā)生器，在檢測車快速行駛的過程中，其發(fā)出的電磁波在鐵軌上會(huì)形成反射波，如果有裂隙存在，電磁信號(hào)接收器所收到的反射波將存在時(shí)間差，根據(jù)圖譜繪制過程中時(shí)間差的存在周期，并結(jié)合電磁波的傳播速度、電磁信號(hào)發(fā)生器與接收器的安裝位置，就可以大致計(jì)算出軌道裂隙的大小，從而為軌道的進(jìn)一步維護(hù)提供依據(jù)。

（二）高速列車限速的真正原因

眾所周知，高速列車的外形設(shè)計(jì)是流線型的，盡管，這種流線型的設(shè)計(jì)能夠有效降低風(fēng)阻，但是，當(dāng)車速到達(dá)一定數(shù)值時(shí)，會(huì)帶來一定的安全隱患，具體如下圖所示：

由圖1我們可以看出，高速列車在行駛的過程中，車頭前方的空氣分別從車頭頂部和車底部經(jīng)過，流線型的設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致高速列車頂部空氣的流動(dòng)速度與底部的空氣流動(dòng)速度不同，進(jìn)而導(dǎo)致高速列車頭部受到明顯向上的力F的作用。當(dāng)高速列車的速度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，車頭底部的車輪與鐵軌的摩擦力會(huì)為零，這將帶來巨大的安全隱患。因此，在高速列車的運(yùn)行過程中，如果遇到正面風(fēng)速較大的情況時(shí)，需要適當(dāng)降低車速，以保證高速列車的相對速度保持在限值以下，避免發(fā)生危險(xiǎn)。

（三）高鐵站臺(tái)上的安全黃線

在乘坐鐵路運(yùn)輸交通工具時(shí)我們可以發(fā)現(xiàn)，高鐵與普通列車的區(qū)別并不僅僅體現(xiàn)在外觀、內(nèi)飾、價(jià)格、速度等方面，高鐵站臺(tái)上的安全黃線也有著一定的區(qū)別。高鐵站臺(tái)上的安全黃線與站臺(tái)邊緣的距離要明顯大于普通列車站臺(tái)安全黃線與站臺(tái)邊緣的距離，其原因能夠用高中物理知識(shí)進(jìn)行解釋。

對于高速運(yùn)行的物體，其周圍空氣被壓縮，靠近高速運(yùn)行物體一側(cè)的大氣壓強(qiáng)會(huì)明顯降低，而外側(cè)大氣壓強(qiáng)較高，在氣壓的作用下，將對周圍物體產(chǎn)生一個(gè)垂直于高速物體運(yùn)行方向上的推力。物體運(yùn)行速度越快，所形成的氣壓差也就越大，為保證高速鐵路站臺(tái)人員的安全，則要求安全黃線距站臺(tái)邊緣的距離增加，同時(shí)對于過站的高鐵，則要求減速行駛，避免其在高速通過時(shí)對站臺(tái)乘客造成威脅。

三、結(jié)語

作為我國科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的代表，高速鐵路不僅推動(dòng)了我國傳統(tǒng)交通運(yùn)輸體系的改革，而且驗(yàn)證了“科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力”這一偉大思想。作為高中生的我們，應(yīng)當(dāng)善于發(fā)現(xiàn)高鐵中所涉及到的物理知識(shí)，并能夠利用自身所掌握的物理知識(shí)加以分析，理論與實(shí)踐相結(jié)合，促進(jìn)個(gè)人物理知識(shí)體系的不斷完善。

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（作者簡介：劉祺，哈爾濱市第三中學(xué)群力校區(qū)，高中學(xué)歷。）