“神舟八號”與“天宮一號”對接中涉及的中學(xué)物理知識

我們每天都會從各種渠道接觸到大量的新聞，如日本大地震、天宮一號的發(fā)射等。好多新聞從整體上講是一個綜合物理、化學(xué)、歷史、地理、政治諸學(xué)科知識的“事件鏈”，是理論聯(lián)系實際，值得實踐和探究的好題材。但是，眾多新聞，需要教師搜集、篩選、挖掘。下面，我以熱點新聞——“神舟八號”飛船與“天宮一號”目標(biāo)飛行器2011年11月3日凌晨實現(xiàn)剛性連接為例，分析對接中涉及的中學(xué)物理知識。

新聞：“神舟八號”飛船與“天宮一號”目標(biāo)飛行器2011年11月3日凌晨實現(xiàn)剛性連接。交會對接，無疑將成為神舟八號飛船與天宮一號目標(biāo)飛行器此次太空旅行的高潮。

一、目標(biāo)飛行器天宮一號的狀態(tài)

新聞1：用于交會對接的目標(biāo)飛行器天宮一號，于9月29日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，經(jīng)過第4圈和第13圈兩次變軌，目前位于距地球343公里的近圓軌道上。

問題1：在這個軌道上，目標(biāo)飛行器天宮一號的線速度、角速度、周期都是多少？

根據(jù)牛頓第二定律，天宮一號受到的萬有引力提供天宮一號做圓周運動所需的向心力。

得出天宮一號的線速度（其中，R為地球半徑，R=6400Km，h=343km，， ）

可得 v= 7.7km/s (小于第一宇宙速度)

根據(jù)，得出天宮一號的角速度

根據(jù)，得出天宮一號的周期

新聞2：目標(biāo)飛行器“天宮一號”要和“神舟八號”飛船對接，最佳姿態(tài)是降低飛行軌道，并且調(diào)轉(zhuǎn)方向。

問題2：“天宮一號”怎樣才能降低軌道？

大氣阻力使“天宮一號”的動能減小，天宮一號受到的萬有引力大于天宮一號做圓周運動所需的向心力。故而，天宮一號做靠近圓心的運動，軌道降低。

二、神舟八號的變軌

新聞3：“拋整流罩”“船箭分離”“太陽帆板展開”……隨著飛控大廳內(nèi)指揮調(diào)度員的一個個口令，神舟八號向著在太空中以倒飛姿態(tài)飛行的天宮一號目標(biāo)飛行器不斷靠近。

問題3：神舟八號飛船入軌時，兩個飛行器相距近１萬公里。迢迢星河，如何飛渡？

神舟八號飛船萬里追趕目標(biāo)飛行器天宮一號的過程，與地面上兩輛車的追趕并不相同。目標(biāo)飛行器天宮一號在固定的軌道上運行，發(fā)動機并不工作；而神舟八號飛船則通過不斷的變軌來拉近兩者之間的距離。

發(fā)動機的工作，使神舟八號飛船的速度不斷增加，神舟八號飛船受到的萬有引力小于神舟八號飛船做圓周運動所需的向心力。故而，神舟八號飛船做離心運動，軌道升高。

三、傳感器在測控通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

新聞4：神舟八號飛船的姿態(tài)需要不斷調(diào)整，才能和目標(biāo)飛行器“天宮一號”進行對接。神舟八號飛船的姿態(tài)是由地面控制系統(tǒng)進行控制的。

問題4：地面控制系統(tǒng)情況如何？

中國航天測控與通信系統(tǒng)目前包括4艘遠洋測量船、6個陸上測量站和3個活動測量站、3個指揮測控中心。在原有衛(wèi)星測控通信網(wǎng)的基礎(chǔ)上，研制了符合國際標(biāo)準(zhǔn)體制、可進行國際聯(lián)網(wǎng)的S波段統(tǒng)一測控通信系統(tǒng)，形成了陸海空載人航天測控通信網(wǎng)。

問題5：遠離我們的飛船為什么能如此聽話地“任人擺布”？人們又是如何操控它的？

其實人們不必直接接觸，就可以控制一些機器。例如，用紅外線遙控器控制電視的開關(guān)；用日光的明暗控制路燈的開關(guān)；用聲音的強弱控制走廊內(nèi)照明燈的開關(guān)等。這些自動控制的道理，就需要傳感器的參與。

傳感器敏感元件的種類包括光敏電阻、熱敏電阻、金屬熱電阻、電容式位移傳感器、霍爾元件等。

傳感器輸出的電信號相當(dāng)微弱，難以帶動執(zhí)行機構(gòu)去實現(xiàn)控制動作，因此要把這個電信號放大。如果需要遠距離傳送，還要把它轉(zhuǎn)換成其他電信號以抵御外界干擾。

從傳感器獲得信號后，可以用指針式電表或液晶板等顯示測量的數(shù)據(jù)；也可以用來驅(qū)動繼電器或其他元件，來執(zhí)行諸如打開管道的閥門、開通或關(guān)閉電動機等動作；還可以由計算機對獲得的數(shù)據(jù)進行處理，發(fā)出更復(fù)雜的指令。

傳感器應(yīng)用的一般模式如下圖表示：

四、兩個飛行器相撞時的緩沖

新聞5：在慣性作用下，8噸重的“神舟八號”飛船與8．6噸重的目標(biāo)飛行器“天宮一號”以每秒0．2米左右的速度進行相撞，并合成一體。至此，第一次交會對接任務(wù)結(jié)束，而這15分鐘內(nèi)的相撞過程，是在中國上空完成的。

問題6：神州八號飛船與目標(biāo)飛行器天宮一號的對接，就像地面上兩個物體相撞一樣，撞擊力非常大，需要緩沖，以減小撞擊力。試根據(jù)動量守恒定律求出合成一體后的速度大小及方向。

問題7：若沒有任何措施，神舟八號與天宮一號之間的撞擊力有多大？（提示：根據(jù)動量定理，撞擊時間比較短）

問題8：如何保證兩個飛行器相撞時“不撞壞、不彈開”，軟硬適度？

當(dāng)“神舟八號”主動對接機構(gòu)上的對接環(huán)，接到失衡傳感器發(fā)出對接指令信號后，6根滾珠絲桿就會向外推出200多毫米，對接環(huán)上安裝的3對捕獲鎖，撞到“天宮一號”被動對接機構(gòu)相對應(yīng)的卡板器，就會被牢牢卡住。

“神舟八號”對接環(huán)受到撞擊后，將會通過一套傳動機構(gòu)，聯(lián)向?qū)訖C構(gòu)上的摩擦自動器和電磁阻尼器，分別吸收縱向和橫向的撞擊能量，進行緩沖。碰撞、捕獲、緩沖三個步驟共需要大約60秒時間。

飛船對接機構(gòu)的機械緩沖系統(tǒng)完成緩沖和校正，在緩沖過程中，儲存和消耗能量，延長作用時間，以減小碰撞過程中的撞擊力。

此次挖掘熱點新聞背后的物理問題，涉及到中學(xué)的物理知識有：萬有引力定律、牛頓第二定律、動量定理、動量守恒定律、緩沖、天體運動規(guī)律等，尤其是天體運動規(guī)律的應(yīng)用，使教師與學(xué)生對航空、航天展現(xiàn)極大的熱情。

今后，一旦出現(xiàn)類似這樣既生動又能應(yīng)用中學(xué)物理知識的現(xiàn)實題材，教師就應(yīng)該及時抓住，這就是所謂的教育機制。