高铁中的高中物理知识

摘要：物理作为传统学科在高中学科体系中有着极为重要的地位，高中物理知识来源于生活，相关理论知识的研究最终又回归于生活。因此，在学习高中物理知识的过程中，应当与其在生活中的实际应用相结合。本文以高铁中的物理知识为研究内容，对高铁机械施工、运营过程中的物理知识进行举例分析，以加深人们对于高铁中的物理知识的认识。

关键词：高铁 高中 物理知识

近年来，我国高铁的发展速度取得了举世瞩目的成就，尤其是近几年来，新的高铁线路的大量开通，解决了人们长期面临的出行问题。作为一名高中生，通过研究高铁建设施工、运营过程中的相关内容，可以从中发现大量的高中物理知识，如隧道施工过程中的精度控制、高铁运营过程中的轨道裂隙检测、高铁轨道倾角设计等。

一、隧道施工过程中的精度控制

科学技术的进步改变了传统隧道施工方式，盾构机的使用大大加快了掘进速度，也使得施工精度明显提高。隧道施工过程中的精度控制，主要依靠的是盾构机中的惯性测量系统，该系统由陀螺仪、加速度计和高速计算机组成，在预置盾构机的起始位置以及将隧道掘进路线输入惯性测量系统计算机之后，惯性测量系统根据掘进过程中的位置、姿态参数变化，调整盾构机的前进方向，以确保隧道掘进线路与预置方案一致。

该系统各组成单元与高中物理学知识相关的，主要为陀螺仪单元和加速度计单元，其作用如下：

盾构机所使用的陀螺仪多为光学陀螺仪，通过三个在垂直方向上安装的光学陀螺仪，感知盾构机的姿态变化，在盾构机姿态变化的过程中，光学陀螺仪内部的两条光束所形成的相位差会进行矢量累积，进而表现在不同方向上的姿态变化情况。

加速度计的作用则是测量盾构机在不同姿态下的加速度变化情况，对盾构机在运转过程中的三个垂直方向上的加速度矢量进行叠加，在计算机内进行连续积分后可以得出其最终位置。其中，在计算加速度在三个位置上的垂直分量时，角度关系则由光学陀螺仪感知。由此可以看出，在惯性测量系统中，其中获取的參量信息主要为大小、方向，相关参数的分析则为矢量分析。

二、高铁运营过程中的高中物理知识

与其它类型交通运输方式不同，高铁是目前我国最快的地面交通运输工具，以最新投入运行的“复兴号”列车为例，其速度已经超过350km/h。如此高的运行速度，为保证高速铁路的安全运营，则需要构建严密的安全保障体系，其中就能够体现出高中所学的物理知识。

（一）轨道裂隙检测

目前，我国高速铁路已经普遍采用了无缝钢轨技术，但是，任何金属在长时间的使用下都会出现一定的损坏，尤其是在较为恶劣的情况下，钢轨出现裂隙的可能性将大大增加，如不及时发现钢轨裂隙，将导致高速行驶的列车出轨，造成严重的人员生命威胁和财产损失。

为解决这一问题，铁路管理部门会定期对轨道进行裂隙检测，其中就用到了高中电磁学的相关知识。在检测车底部的固定位置安装电磁信号发生器，在检测车快速行驶的过程中，其发出的电磁波在铁轨上会形成反射波，如果有裂隙存在，电磁信号接收器所收到的反射波将存在时间差，根据图谱绘制过程中时间差的存在周期，并结合电磁波的传播速度、电磁信号发生器与接收器的安装位置，就可以大致计算出轨道裂隙的大小，从而为轨道的进一步维护提供依据。

（二）高速列车限速的真正原因

众所周知，高速列车的外形设计是流线型的，尽管，这种流线型的设计能够有效降低风阻，但是，当车速到达一定数值时，会带来一定的安全隐患，具体如下图所示：

由图1我们可以看出，高速列车在行驶的过程中，车头前方的空气分别从车头顶部和车底部经过，流线型的设计会导致高速列车顶部空气的流动速度与底部的空气流动速度不同，进而导致高速列车头部受到明显向上的力F的作用。当高速列车的速度达到一定数值时，车头底部的车轮与铁轨的摩擦力会为零，这将带来巨大的安全隐患。因此，在高速列车的运行过程中，如果遇到正面风速较大的情况时，需要适当降低车速，以保证高速列车的相对速度保持在限值以下，避免发生危险。

（三）高铁站台上的安全黄线

在乘坐铁路运输交通工具时我们可以发现，高铁与普通列车的区别并不仅仅体现在外观、内饰、价格、速度等方面，高铁站台上的安全黄线也有着一定的区别。高铁站台上的安全黄线与站台边缘的距离要明显大于普通列车站台安全黄线与站台边缘的距离，其原因能够用高中物理知识进行解释。

对于高速运行的物体，其周围空气被压缩，靠近高速运行物体一侧的大气压强会明显降低，而外侧大气压强较高，在气压的作用下，将对周围物体产生一个垂直于高速物体运行方向上的推力。物体运行速度越快，所形成的气压差也就越大，为保证高速铁路站台人员的安全，则要求安全黄线距站台边缘的距离增加，同时对于过站的高铁，则要求减速行驶，避免其在高速通过时对站台乘客造成威胁。

三、结语

作为我国科学技术发展水平的代表，高速铁路不仅推动了我国传统交通运输体系的改革，而且验证了“科学技术是第一生产力”这一伟大思想。作为高中生的我们，应当善于发现高铁中所涉及到的物理知识，并能够利用自身所掌握的物理知识加以分析，理论与实践相结合，促进个人物理知识体系的不断完善。

参考文献：

[1]王春凯.盾构姿态控制研究[J].隧道建设，2016，（11）.

[2]小野重亮，沼仓明夫，尾高达男，等.高速轨道检查技术[J].中国铁路，2006，（09）.

[3]应立军，贾文强.新型轨道静态几何参数检测仪的研制及应用[J].计算机测量与控制，2007，（02）.

（作者简介：刘祺，哈尔滨市第三中学群力校区，高中学历。）