高中物理與航空航天

【摘要】物理是中學的基礎學科，與航空航天有著密切的聯系，應用十分廣泛，本文就航天技術與高中物理知識的密切聯系進行了闡述。

【關鍵詞】航空航天 ?高中物理知識 ?萬有引力定律 ?動量守恒

【中圖分類號】G633.7 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2018）40-0173-01

2003年10月15日9時我國自行研制的第一艘載人飛船成功發射，按預定軌道進入太空，繞行地球14圈后，安全著陸于內蒙古主著陸場，為我國航天工作的進一步發展奠定了基礎，開啟了我國航天技術的新篇章。至今，我國在航天領域已經取得了舉世矚目的成就，現在，已開始著手宇宙空間站的建設。作為中學生，我們應該清楚的認識到：高中物理是航空航天的基礎，只有夯實基礎知識，將來才能使自己更好的投身于國家的建設。

一、高中物理知識與航空航天的聯系

隨著我國航天事業的飛速發展，航空航天相關的熱點話題在近年來高考試題中也越來越明顯。這也體現了物理知識在科技發展、生活應用等方面的實踐要求。進入準高三，我在梳理高中物理知識時，發現物理知識與航空航天有著非常緊密的聯系，高中物理中的力學、運動學、熱學、電磁學、光學、能量動量守恒等知識均與航空航天密切相關。如飛機、返回艙外形的設計與動力學有關，宇航服設計與熱學有關，衛星發射更是涉及到萬有引力、作用力與反作用力原理、能量動量守恒等諸多物理知識點。

二、物理知識在航空航天中的應用

1.萬有引力定律在航天中的應用

萬有引力定律與航空航天的聯系非常緊密，經常會與圓周運動定律、重力加速度、牛頓運動定律等知識綜合考查。

例題：“神州”五號載人飛船發射成功，飛船繞地球14圈后安全返回，把飛船繞地球運行看作是在同一軌道上的勻速圓周運動，已知地球半徑為R，地球表面重力加速度為g，飛船繞地球運行周期為T，飛船離地面的平均高度為h，可以分析出“神州”五號載人飛船有關的物理量的表達式如下：

地球表面物體m的重力等于萬有引力：mg=■，飛船運行的角速度：ω=■，萬有引力提供飛船做圓周運動的向心力：G■=man=m（■）2 r，飛船軌道半徑：r=■，飛船運行的線速度：V=■， 飛船運行的向心加速度：an=■■，飛船離地面高度h=■-R。

2.衛星發射中的物理知識

高中物理知識中，第一宇宙速度為7.9km/s，衛星發射速度不得低于此速度。我還從一些資料上了解了軌道傾角：航天器繞地球運行的軌道平面與地球赤道平面之間的夾角。按軌道傾角可將衛星運行軌道分為四類：順行軌道、逆行軌道、赤道軌道和極地軌道。

我國“神舟”號試驗飛船是采用順行軌道發射的，順行軌道傾角小于90°，此軌道上的絕大多數衛星離地面較近，高度僅為數百公里，又稱為近地軌道。我國位于北半球，要把衛星送入此軌道，運載火箭要朝東南方向發射，這樣能夠充分利用地球自轉的部分速度，從而可以節約發射能量。

赤道軌道的傾角0°，軌道就在行星的赤道平面上，并且與行星運行的方向一致。地球上主要的通信衛星和廣播電視轉播衛星選取0°傾角，軌道高度約為35860千米，此時衛星運行角速度與地球自轉角速度相同，衛星定位于赤道某點上空，便于通信信號的定位傳送和獲取。

根據“牛頓第三定律”，兩個物體之間的作用力和反作用力，總是同時在同一條直線上，大小相等，方向相反。火箭在發射前總動量為零，當點火燃燒后，高溫高壓的氣體從火箭尾部的噴管往后噴出，火箭得到了一個反作用力，使火箭獲得向上的巨大推力，克服自身的重力，向太空沖去。把火箭與噴出的氣體看成一個整體，這個整體的動量是守恒的。當氣體膨脹時產生壓力，這個壓力使得火箭和氣體同時獲得了一個方向相反的沖量，沖量就是動量的變化量，而總的動量就是火箭的動量加上氣體的動量。氣體動量往后，火箭動量則往前，實現動量平衡。

3.衛星變軌中的物理知識

繞地球做勻速圓周運動的人造衛星所需向心力由萬有引力提供。軌道半徑r確定后，與之對應的衛星線速度、周期、向心加速度也都是確定的。一旦衛星發生變軌，即軌道半徑r發生變化，上述物理量都將隨之變化。衛星先從小圓軌道變到橢圓軌道再到大圓軌道。這中間兩次都需要加速。第一次，衛星從小圓軌道必須點火加速，使F向>F引（即m■> G■），讓衛星做離心運動，遠離地球，此時地球為一個焦點，進入橢圓軌道，隨著離地球越來越遠，動能不斷轉化為勢能。第二次，在橢圓軌道的最遠點，也就是大圓軌道上，這時衛星速度最小，此時的動能也最小。若想在此點上做大圓運動，此時需要再次點火加速，才能從當前的橢圓軌道進入大圓軌道。否則，引力作用又回到橢圓軌道。但是第二次加速后的大圓軌道上衛星的速度，要比小圓軌道上的速度小很多。

三、體會與收獲

開發宇宙，是人類長期以來的夢想，隨著我國航天事業的不斷發展，已經在生物技術、環境探測、太空育種、自然災害預報等多個領域取得了巨大突破。回顧中國航空航天發展史，在贊嘆之余，我也深刻得體會到，物理知識是航空航天的基礎。作為中學生，祖國的航天需要我們，我們在夯實高中物理知識的同時，更應該開拓視野，拓展知識面，使自己成為對國家建設的有用人才。

作者簡介：

桑啟航（2001年5月-），男，河北邢臺二中高中在校學生。