航天知识与高中物理

2018-04-18陈铭

数字通信世界 2018年1期

陈铭

（华中师范大学第一附属中学，武汉 430223）

作为世界上为数不多的航天大国，我国在航天领域所取得的成就举世瞩目，从建国初期的一穷二白，到两弹一星，直至今天，神舟飞船的陆续发射，将我国带入了太空探索的新时代。作为一名高中生，除意识到我国在航天领域伟大突破的同时，还应当学会发现其中涉及到的物理知识。

1 高中生对航天知识的学习路径

由于高中生物理知识的学习以基础理论知识为主，对于相关理论知识的应用却并未过多的涉及，因此，高中生在航天知识的学习方面也就存在一定的缺失，增加航天知识学习路径对高中生物理知识体系的全面发展有着至关重要的作用。

1.1 在课堂教学中进行有意识的学习

高中物理课堂教学中，针对航天部分所涉及的知识点，高中生应给与特别关注，并结合以往所学的物理知识，对部分航天现象进行解释。在自身物理知识体系范围内无法解释的，可求助网络或教师进行解惑。例如，高中物理中所提到的地球同步轨道卫星，该卫星与地球保持相对静止，这与其他卫星之间存在明显的区别，在分析该卫星特点的过程中，不仅涉及到万有引力定律，还包括力的分解等多方面的内容。

1.2 完善已有物理知识体系

航天知识与高中物理间有着较多的联系，在对以往高考题目进行研究的基础上发现，万有引力、圆周运动等知识点在航天类型题目中的出现频率较高，解决此类问题需要借助更加全面的知识体系。例如，针对开普勒三大行星运动定律，不仅需要掌握不同定律的原理，还应当了解其应用场景，以及在不同题目中的体现形式。

2 高中物理知识在航天探索中的应用

2.1 人造卫星的运动

所谓人造卫星，是指人类发射的，能够围绕特定星球运动的航天器，这里以人造地球卫星为研究对象。在高中物理知识中，根据卫星运行轨道高度的不同，可以将其分为高轨道卫星、中轨道卫星和地轨道卫星。其中，较为特殊的人造地球卫星为地球同步轨道卫星，它有着和地球自转相同的角速度，与地球赤道同心，且高度轨道高度固定，与地球保持相对静止状态。至于为何所有的地球同步轨道卫星高度都惊人的一致，则可以利用万有引力定律加以解释：

式中，m为卫星质量；G为万有引力常数；T为地球自转周期；M为地球质量；H为卫星据地面的高度；R0为地球半径。

由此可以看出，地球同步轨道卫星的高度只与G，M，T，R0有关，因此，对于地球同步轨道卫星来说，这些数据都是固定不变的，这也就不难说明此类卫星的高度为何具有一致性了。

2.2 航天器变轨的物理知识

在神舟飞船发射过程中，为进入预定轨道，我们在直播中会看到飞行器需要进行多次变轨。以神舟十号载人飞船为例，该飞船在离开地面后沿着椭圆轨道进行运动，在到达远地点位置时，通过火箭助推进行加速，从而进入更高的预定轨道。之所以选择在远地点进行变轨，这是由多种因素所决定的，首先，远地点航天器所受万有引力作用较小，航天器能够更加轻松的逃逸当前轨道；其次，航天器所携带燃料有限，为更好的利用燃料，则需要选择在万有引力最小的轨道位置进行变轨；最后，初始椭圆轨道远地点距预定轨道的位置最为接近，航天器所需加速度较小，路径较短，有利于变轨后的控制。

图1 航天器运行轨道示意图

在航天领域中，航天器进入初始椭圆轨道仅仅是迈出了第一步，下一步的变轨则是所有过程中最为关键的一步，如果变轨失败，航天器将处于失控状态，或坠入大气层烧毁，或永远的漂浮在太空中。因此，研究人员需要对相关参数进行精准的计算，包括火箭发动机的燃料消耗情况、初始速度、航天器的姿态和航向等，以降低失误发生的概率。