神舟八號與高中物理

【摘 要】天宮一號的成功發射引起了國內和國際社會的高度關注，本文從中學物理視角分析天宮一號在發射、運行及與神舟天宮一號對接過程中涉及到的中學物理的諸多問題，供高中物理教學參考。

【關鍵詞】人造衛星；變軌運動；神舟八號；宇宙速度

一、衛星的發射

在高中物理教材選修3-5《動量守恒定律》一章我們學習了反沖運動，其實火箭的發射就用到了反沖運動。物體向某一方向高速噴射出大量的液體、氣體或彈射出一個小物體，從而使物體本身獲得一反向速度的現象，叫反沖運動。在火箭發射過程中，由于內力遠大于外力，所以動量守恒。發射前的總動量為零，發射后的總動量為（M-m）v-mv1（以火箭的速度方向為正方向，M為火箭開始飛行時的質量，m為液體燃料質量）則（M-m）v-mv1=0 v=■v1

由上結論分析得到：燃料燃盡時火箭獲得的最終速度由噴氣速度v及質量比■所決定。由此可見，m越大，最終速度v越大。神舟八號使用長征二號F遙八火箭，是長征二號F型運載火箭的改進型。為什么要用多級火箭呢？目前最好的單級火箭，最大速度也只能達到5～6千米/秒，遠遠達不到第一宇宙速度的目標。由上結果可知，要提高最終速度，一是提高火箭發動機的噴氣速度，二是提高火箭的質量比，即“火箭列車”的思路。為此，科學家想到了把火箭串聯或并聯起來，火箭在發射過程中，質量一級一級地減少，速度一級一級地增大，最后使裝在最前一級火箭上的衛星或飛船達到7.9 千米/ 秒以上的速度，而進入太空。

二、衛星的變軌

長征二號F遙八火箭點火發射后，飛行約584秒，船箭分離，飛船進入近地點約200公里、遠地點約330公里的初始軌道，經過第一次變軌控制，神舟八號飛船進入近地點高度261公里、遠地點高度318公里的預定軌道飛行。北京航天飛行控制中心先后實施5次變軌控制，將神舟八號從距離天宮一號約1萬公里外的初始軌道，準確導引到天宮一號后下方52公里指定位置，使其與天宮一號處在相同軌道面的交會對接點上。飛船在遠地點點火變軌，抬升近地點，軌道由橢圓軌道變成圓軌道。那么衛星在變軌過程中是怎么實現的呢？速率發生了什么變化？把神舟八號的運動近似看成勻速圓周運動時候，其向心力由萬有引力提供，即：F向=F引

m■=G·■

若F向=F引，則衛星作勻速圓周運動，若速度瞬間增加，出現所需要向心力大于引力，就會作離心運動，引起圓周運動到橢圓運動的變化，在橢圓軌道的遠地點讓發動機瞬間點火給衛星加速，使衛星又變為大軌道的圓周運動。變軌運動時，軌道半徑發生變化，又會引起速率v、周期T的變化。

三、衛星的對接

神舟八號在地面測控系統引導下，經過5次變軌，到達距離天宮一號后下方約52公里處，此后，切換到自主控制方式，依靠微波雷達、激光雷達、CCD光學成像敏感器導航，逐步靠近目標飛行器。神舟八號為什么在距離天宮一號后下方去靠近天宮一號呢？

把神舟八號的穩定運行運動近似看成勻速圓周運動，衛星繞地球運轉的向心力由衛星所受地球的萬有引力來提供。

m■=G·■

由此得衛星作穩定的圓周運動時候的速度

v=■

顯然，離地球越遠的高軌道衛星，其穩定運行的速率就越小。衛星做圓周運動的線速度與軌道半徑是一一對應的，所以確定的圓軌道上運行的衛星其動能和引（重）力勢能是確定的，不同圓軌道上運行的衛星的機械能是不同的，軌道半徑增大，引力勢能增大，動能減小，但引力勢能增加比動能減小得多，因此機械能隨半徑增大而增大，所以衛星運轉半徑越大，發射所需能量越大，發射就越困難。因此判斷衛星軌道的變化情況不能單純以速度為依據，而應同時考慮能量情況。所以，在某一軌道上做圓周飛行的神舟八號，要想追上另一高軌道上圓周運行的航天器（如天宮一號），就需在低軌道加速，再向高軌道飛行，飛行過程中因加速增加的動能再逐漸轉化成引力勢能，使速度最終減小到對應高軌道上所需數值。

四、飛船的返回

11月16日，神舟八號飛船與天宮一號目標飛行器成功分離。神舟八號飛船于17日19點32分30秒平穩著陸，順利回歸到祖國懷抱。

下面我們從運動學角度來分析一下神舟八號返回過程中的一些數據。神舟八號飛船在返回時先要進行姿態調整，飛船的返回艙與留軌艙分離，返回艙以近8km/s的速度進入大氣層，當返回艙距地面30km時，返回艙上的回收發動機啟動，相繼完成拉出天線、拋掉底蓋等動作。在飛船返回艙距地面20km以下的高度后，速度減為200m/s而勻速下降，當返回艙距地面高度為10km時，打開降落傘，直到速度達到8.0m/s后勻速下落。為實現軟著陸，當返回艙離地面1.2m時反沖發動機點火，若使返回艙落地的速度減為零，返回艙此時的質量為2.7×103kg。我們是可以計算出反沖發動機的平均反推力的大小的。

由牛頓第二定律得： F-mg=ma 由運動學公式得：

v2=2as 聯立可得F=9.9×104N

科學的發展賦予了物理學時代特征，當今世界各種新技術、新能源等的發展，都是以物理學為基礎。今天的物理學是自然科學、技術科學體系的重要基礎，隨著當今科學技術的發展，面對新的教育形勢，對中學教育提出了新的要求，在物理教學中滲透現代技術知識，即物理教育內容現代化成了時代的要求。如何在物理教學中，利用現代科技鞏固學生的知識培養學生的科技意識呢？我覺得應該充分把學習和生活實際聯系起來，適時地把現代技術的發展滲透到教學中去；同時加強實驗教學，鍛煉學生的動手能力；還可以開展物理課外活動培養學生的學習興趣，發展學生的實踐能力和創造能力。

【參考文獻】

[1]張大昌等.普通高中課程標準實驗教科書物理必修2 人民教育出版社.44～46

[2]李來政等.現代基礎物理教育學.華中師范大學出版社 253～268

[3]陳宏勝.衛星運動中應該注意的幾個問題.中學物理2008（5）19～21

（作者單位：重慶市第一中學校高2014級物理組）