航天知識與高中物理

陳 銘

（華中師范大學第一附屬中學，武漢 430223）

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

1 高中生對航天知識的學習路徑

由于高中生物理知識的學習以基礎理論知識為主，對于相關理論知識的應用卻并未過多的涉及，因此，高中生在航天知識的學習方面也就存在一定的缺失，增加航天知識學習路徑對高中生物理知識體系的全面發(fā)展有著至關重要的作用。

1.1 在課堂教學中進行有意識的學習

高中物理課堂教學中，針對航天部分所涉及的知識點，高中生應給與特別關注，并結(jié)合以往所學的物理知識，對部分航天現(xiàn)象進行解釋。在自身物理知識體系范圍內(nèi)無法解釋的，可求助網(wǎng)絡或教師進行解惑。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)星特點的過程中，不僅涉及到萬有引力定律，還包括力的分解等多方面的內(nèi)容。

1.2 完善已有物理知識體系

航天知識與高中物理間有著較多的聯(lián)系，在對以往高考題目進行研究的基礎上發(fā)現(xiàn)，萬有引力、圓周運動等知識點在航天類型題目中的出現(xiàn)頻率較高，解決此類問題需要借助更加全面的知識體系。例如，針對開普勒三大行星運動定律，不僅需要掌握不同定律的原理，還應當了解其應用場景，以及在不同題目中的體現(xiàn)形式。

2 高中物理知識在航天探索中的應用

2.1 人造衛(wèi)星的運動

所謂人造衛(wèi)星，是指人類發(fā)射的，能夠圍繞特定星球運動的航天器，這里以人造地球衛(wèi)星為研究對象。在高中物理知識中，根據(jù)衛(wèi)星運行軌道高度的不同，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，與地球保持相對靜止狀態(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，則可以利用萬有引力定律加以解釋：

式中，m為衛(wèi)星質(zhì)量；G為萬有引力常數(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，因此，對于地球同步軌道衛(wèi)星來說，這些數(shù)據(jù)都是固定不變的，這也就不難說明此類衛(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

在 神舟 飛船發(fā)射過程中，為進入預定軌道，我們在直播中會看到飛行器需要進行多次變軌。以 神舟 十號載人飛船為例，該飛船在離開地面后沿著橢圓軌道進行運動，在到達遠地點位置時，通過火箭助推進行加速，從而進入更高的預定軌道。之所以選擇在遠地點進行變軌，這是由多種因素所決定的，首先，遠地點航天器所受萬有引力作用較小，航天器能夠更加輕松的逃逸當前軌道；其次，航天器所攜帶燃料有限，為更好的利用燃料，則需要選擇在萬有引力最小的軌道位置進行變軌；最后，初始橢圓軌道遠地點距預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 航天器運行軌道示意圖

在航天領域中，航天器進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程中最為關鍵的一步，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，或永遠的漂浮在太空中。因此，研究人員需要對相關參數(shù)進行精準的計算，包括火箭發(fā)動機的燃料消耗情況、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)境的實現(xiàn)

在一些科幻電影中，我們經(jīng)常可以看到一些與周圍飛船的中活動艙是處于旋轉(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，這是利用了離心力的作用，在忽略動力來源的情況下，根據(jù)離心力公式可以看出，旋轉(zhuǎn)角速度（線速度）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，應當以微重力環(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

航天工作是一項復雜的系統(tǒng)性工程，其科學技術含量較高，作為一名高中生，目前所學的物理知識僅能夠?qū)ζ渲胁糠謨?nèi)容進行簡單的解答。然而，隨著我們對物理學習的不斷深入，能夠發(fā)現(xiàn)更多與航天有關的知識內(nèi)容，如宇宙空間輻射的防護、太空垃圾的回收等。所以，我們應當認真學習高中物理知識，為探索航天奧秘打下堅實的基礎。

[1] 許利明.用中學物理求解航天技術問題[J].物理教學，2010（10）.

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

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