关注高新技术 让物理教学紧跟时代步伐——谈神州六号与中学物理教学

探究解析 “神州” 六号要“慢” 得多 , 从物 理学角度讲是指加速度较小 。对飞船和火箭 :
F推 -mg = ma , a =2 .52m/ s2 这个加速度比发射卫星 、导弹要小得多 , 这 主要是为航天员的安全和舒适着想 , 在发射阶段 宇航员处于超重状态 , 血液视重增大 , 心脏无法 像平常一样输送血液 , 导致血压降低 , 头部血压 降低 , 下肢血压升高 , 使大量血液淤积在下肢静 脉中 , 严重影响静脉血的回流 , 使心脏输出血量 不足 , 造成头部供血不足 , 轻则引起视觉障碍 , 重 则可能导致意识丧失 , 所以飞船在发射升空过程 中宇航员采用平躺姿势 。如果火箭加速度过大 , 航天员会感觉不舒适 , 甚至有生命危险 。当然随 高度的升高 , 加速度会增大 , 电视中说是 4 个 g 左右 , 航天员训练时是 8 个 g 到 12 个 g 。 问题情景 2 运载火箭发射“神州” 六号飞 船时火箭 起初笔 直上升 , 12 秒 后 , 逐渐倾 斜转 弯 , 开始向东南方向飞去 。朝东南方向发射 , 为什 么? 探究解析 要保证飞船发射成功 , 发射速 度至少要达到第一宇宙速度 7 .9km/ s , 我国地 处北半球 , 这样能充分利用地球自西向东旋转的 部分速度 , 从而可以节约发射燃料 。 问题情景 3 假如不考虑地球表面附近空 气阻力的影响 , 只考虑地球自转的影响 , 那么以 第一宇宙速度 7 .9km/ s 发射两颗质量相同的近 地人造地球卫星 , 发射点都在即将建成的海南文
卫星等航天器的发射任务 , 中国的“长征” 系列 火箭以及将来的新大推力火箭 , 推力将可以提升 10 %。我国酒泉 、西昌 、太原三个内陆发射基地受 到铁路运输条件的限制 , 火箭直径不能 超过 3 . 35 米 。发射基地建在沿海 , 就可用海运这种不受 体积限制的方式 , 地处低纬度的海南还可增强火
v 1 、加速度 a1 和在 2 轨道上的 A 点 v 2 、a2 大小关 系是怎样的 ?在 2 轨道上的 B 点的线速度 v 3 、加 速度 a3 和在 3 轨道上的B 点v 4 、a4 大小关系是怎 样的 ?在 2 轨道上的 A 点和 B 点两处 , 速度和加 速度大小关系是怎样的 ?
探究解析 在轨道 1 上的 A 点万有引力等
飞船不再需要整流罩的保护了 ;第 583s , 船箭成 功分离 , 神舟六号飞船以每秒 7 .5km/ s 的速度 , 在我国黄海上空 200km 高处进入预定轨道 , 运 行在轨道倾角 42 .4 度 , 近地点高度 200 .65km , 远地点高度约 344 .725km 的椭圆轨道 , 飞船飞 行到第 5 圈实施变轨 , 进入 343km 的圆轨道绕地
Vol .26 No .309 (S) 2 .2008 .1 0 .
物 理 教 学 探 讨 Jou rnal of Phy sics Teaching
第 26 卷总第 309 期 2008 年第 2 期(上半月)
问题情景 5 如上图 1 ,1 为离地高度为 200km 的圆轨道 , 在 1 轨道上的 A 点的线速度
2004 年 , 以“嫦娥工程” 命名的我国月球探 测活动全面启动 ;2005 年 10 月 12 日 , 我国成功 发射了“神州” 六号载人航天宇宙飞船 , 费俊龙 、 聂海胜两位宇航员搭乘飞船在太空中环绕地球 运行 77 圈后 , 于 10 月 17 号凌晨返回地面 ;2007 年 1 月 11 日中国反卫星导弹成功试验 ;2007 年 4 月 14 日我 国成功将一颗北 斗导航卫 星送入太 空 ;2007 年 9 月 22 日 , 经国务院 、中央军委批准 , 我国将在海南省文昌市建设新航天发射场 ;2007 年 9 月 29 日中国自主设计研制的新一代航天远 洋测量船 ———“远望五号” 在上海江南造船厂正 式交付中国卫星海上测控部使用 ;中国的“神舟” 七号飞船将在 2008 年发射 , 并且要实现搭载三 名航天员 , 而且航天员要出舱活动 ;中国首颗月 球探测卫星“嫦娥一号” 将于 10 月下旬在西昌卫 星发射中心用“长征三号” 甲火箭发射升空 …… 新中国航天的巨大成就 , 完全可以与任何一个世 界强国媲美 , 辉煌的成就让国人自豪 , 作为中学 物理教师的我们既承担着教书育人的责任 , 也肩 负着科普工作的重担 , 关注高新技术 , 让物理教 学紧跟时代步伐 , 我们责无旁贷 。“神舟六号” 成 功发射和回收 , 使得航天物理知识在高考命题以 及青少年科普知识和爱国主义教育中成为一个 亮点和热点 。用中学物理知 识探究分析“ 神州” 六号的发射 、回收 、变轨 、在轨运行等问题 , 让“神 州” 六号与中学物理教学结合 , 无疑会使物理教 学更具有时代气息 。 1 飞船(卫星)发射中的物理问题
近地点距地心为 r1 , 远地点距地心为 r2 的椭圆轨 道 。2005 年 10 月 12 日 15 时 54 分 45 秒 , 神舟六
号飞船推进舱轨控发动机点火 , 飞船开始变轨 , 飞船在远地点时 , 将质量为 Δm 的燃气以一定的 速度向后喷出后 , 飞船改作半径为 r2 的圆周运 动 , 已知地球表面处加速度为 g , 飞船在近地点 速度为 v1 , 飞船总质量为 m , 取距地球无穷远处 为引力势能零点 , 质量为 m 的物体的引力势能为
G
Mm
R
2 OA
= ma 1
=ma2 ,
故 a1 = a2
同样道理 , 容易判断 a3 =a4 ;v3 < v4
在 2 轨道上的 A 点和 B 点两处 , 由牛顿第二
定律可知 :a2 >a3 ;从 A 点向B 点运动 , 由能量守 恒定律可知 v2 >v3 。
问题情景 6 “神舟” 六号飞船升空后 , 进入
=
1 2 1 2
mv
2 4
mv
2 3
=
8365 7435
2 2
=1 .27
动能之差为 :ΔE k =Ek1 -Ek2 =0 .27Ek , 发
射消耗的燃料与卫星获得的动能成正比 , 故自东
向西发射比自西向东发射多消耗燃料 27 %。 海南新发射场建成后 , 主要承担地球同步轨
道卫星 、大质量卫星 、大吨位空间站和深空探测
箭有效发射能力 , 广袤的南海也可成为火箭残骸 安全的坠落区 。 2 飞船(卫星)运行中的物理问题
问题情 景 4 “长征二号”F 运载 火箭带着 “神州” 六号飞船 , 升空后第 120s , 火箭实施第一 个分离动作 , 抛掉了逃逸塔 ;第 136s , 火箭助推器 分离 ;第 159s , 火箭一 、二级分离 ;第 200s , 整流 罩上的两瓣罩体落入空中 , 露出“襁褓” 里的飞 船 , 此时 , 第二级火箭已经飞出了稠密的大气层 ,
李方华
重庆 巴县中学 , 重庆市 巴县 401320
摘 要:本文结合“神州” 六号发射的情景 , 探讨了与其相关的几个中学物理问题的解答 , 提示广大老师 要在物理 教 学中多关 注高新技术 , 紧跟时代步伐 。
关键 词 :神州 ;飞船 ;物理教学 ;问题 中图 分类号 :G633 .7 文献标识码 :A 文章编号 :1003 -6148(2008)2(S)-0008 -5
Ep
=-G
Mm r
(其中 M 为地球质量 ,
r 为物体距
地心的距离 , G 为万有引力常量)。求飞船在远地 点时 , 应将 Δm 的气体以相对于地球多大的速度 v 0 向后喷出才能进入半径为 r2 的圆轨道(已知 地球半径为 R , 地面重力加速度为 g)
问题情景 1 发射“ 神州” 六号飞船用“长 征” 二号 F 运载火箭 , 火箭起飞重量 479 吨 , 飞船 重量为 8 .079 吨 , 起飞时 , 8 台发动机同时点火 ,
总推力 600 吨 。在电视上我们发现与发射卫星和 导弹相比 , “神州” 六号要“慢” 得多 , 为什么 ?费 俊龙 、聂海胜两位宇航员在飞船发射升空中 , 在 船舱的躺椅中平躺 , 为什么 ?
= 465m/ s
自西向东发射 , 卫星达到速度 v 1 , 相对发射
塔的速度为 :v3 =v 1 -v2 =7 .435km/ s
自东向西发射 , 卫星达到速度 v 1 , 相对发射
塔的速度为 :v4 =v 1 +v2 =8 .365km/ s
由动能定理 :火箭燃料给卫星提供的能量之
比为
:E′k Ek
飞船在椭圆轨道上的两个特殊位置 A 、B(A 为近地点 , B 为远地点)所受万有引力的方向虽 然与飞船线速度的方向垂直 , 但都不满足万有引 力等于该点所需向心力的条件 , 由开普勒第二定 律可知 , 飞船在 A 点速度较大 , 地球对飞船的万 有引力小于飞船做半径为 ROA 的圆周运动所需 向心力 , 做离心运动 , 飞船在 B 点速度较小 , 地球 对飞船的万有引力大于飞船做半径为 ROB 的圆 周运动所需向心力 , 做向心运动 ;飞船在椭圆轨 道上的其它位置(如 C 点)所受万有引力的方向 既不与线速度垂直 , 也不满足万有引力等于该点 所需向心力的条件 , 将万有引力分解为沿速度方 向上的切向分力和垂直于速度方向的法向分力 , 切向分力使飞船加速或减速 , 法向分力使飞船速 度方向改变 。
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昌 , 一颗自西向东发射 , 一颗自东向西发射 , 问向 哪个方向发射节省燃料 ?朝另一个方向发射的卫
于飞船在该点做圆周运动所需向心力 , “ 供需平
衡” :
G
Mm
R
2 OA
=mv
2 1
R OA
①
在轨道 2 上的 A 点万有引力小于飞船在该点做圆周运动所需向心力Fra bibliotek,“供需失衡” :
G
Mm
R
2 OA
<mv
2 2
R OA
②
故 v1 <v2
无论是在轨道 1 还是在轨道 2 上的 A 点 , 都
是万有引力产生加速度 , 由牛顿第二定律 :
星要比朝该方向发射多消耗燃料百分之几 ?(地
球半径 R =6 .4 ×106m)
探究解析 第一宇宙速度 v1 =7 .9km/ s是
卫星相对地心的速度 , 是近地圆轨道上的卫星环
绕速度 。海南文昌非常靠近赤道 , 地球自转时 , 赤
道上发射塔相对地心自西向东速度的大小为 :
v2
=
2 πR T
=2
×3 .14 ×6 .4 ×106 24 ×3600
飞船在远地点 B 开动轨控发动机 , 向飞船运 动反方向喷气 , 使飞船加速 , 当满足万有引力等 于飞船做半径为 ROB 的圆周运动所需向心力时 , 飞船的运行轨道由椭圆轨道 2 变为半径为 ROB 的圆轨道 3 运动 。飞船变为圆轨道后 , 在第一 、第 三 、第五天的运行轨迹基本是重复的 , 按设计方 案 , 在这种情况下 , 便 于飞船返回主 着陆场 。同 时 , 圆轨道的自主应急返回方案相对于椭圆轨道 来说 , 要更加便于设计 。
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第 26 卷总第 309 期 2008 年第 2 期(上半月)
关注高新技术 让物理教学紧跟时代步伐
——— 谈“神州” 六号与中学物理教学
球飞行 , 运行的方向基本上和地球同向 。为什么 飞船要沿椭圆轨道运动 ?为什么要变轨 ?
探究解析 在 200km 高处船箭分离 , 由于 飞船这时仍保持着较高飞行速度 , 因此 , 它并不 是在 200km 高度做 圆轨道运行 , 而是沿椭圆轨 道运动 。如图 1 所示 :飞船在椭圆轨道上运动时 , 由开普勒第一定律可知 , 地球位于飞船椭圆轨道 的一个焦点上 , O 为地心 。为了保证航天员的安 全 , 在从第 3 圈起开始由地面向飞船注入“自主 应急返回控制参数” , 以便一旦发生紧急故障 , 航 天员可以通过键盘操作中止正常飞行程序 , 按预 先设计好的自主应急返回程序 , 实施自主应急返 回飞行程序 , 使飞船在预定的应急着陆区(国内 、 外共 10 个)之一着陆 。