高鐵中的高中物理知識

摘要：物理作為傳統學科在高中學科體系中有著極為重要的地位，高中物理知識來源于生活，相關理論知識的研究最終又回歸于生活。因此，在學習高中物理知識的過程中，應當與其在生活中的實際應用相結合。本文以高鐵中的物理知識為研究內容，對高鐵機械施工、運營過程中的物理知識進行舉例分析，以加深人們對于高鐵中的物理知識的認識。

關鍵詞：高鐵 高中 物理知識

近年來，我國高鐵的發展速度取得了舉世矚目的成就，尤其是近幾年來，新的高鐵線路的大量開通，解決了人們長期面臨的出行問題。作為一名高中生，通過研究高鐵建設施工、運營過程中的相關內容，可以從中發現大量的高中物理知識，如隧道施工過程中的精度控制、高鐵運營過程中的軌道裂隙檢測、高鐵軌道傾角設計等。

一、隧道施工過程中的精度控制

科學技術的進步改變了傳統隧道施工方式，盾構機的使用大大加快了掘進速度，也使得施工精度明顯提高。隧道施工過程中的精度控制，主要依靠的是盾構機中的慣性測量系統，該系統由陀螺儀、加速度計和高速計算機組成，在預置盾構機的起始位置以及將隧道掘進路線輸入慣性測量系統計算機之后，慣性測量系統根據掘進過程中的位置、姿態參數變化，調整盾構機的前進方向，以確保隧道掘進線路與預置方案一致。

該系統各組成單元與高中物理學知識相關的，主要為陀螺儀單元和加速度計單元，其作用如下：

盾構機所使用的陀螺儀多為光學陀螺儀，通過三個在垂直方向上安裝的光學陀螺儀，感知盾構機的姿態變化，在盾構機姿態變化的過程中，光學陀螺儀內部的兩條光束所形成的相位差會進行矢量累積，進而表現在不同方向上的姿態變化情況。

加速度計的作用則是測量盾構機在不同姿態下的加速度變化情況，對盾構機在運轉過程中的三個垂直方向上的加速度矢量進行疊加，在計算機內進行連續積分后可以得出其最終位置。其中，在計算加速度在三個位置上的垂直分量時，角度關系則由光學陀螺儀感知。由此可以看出，在慣性測量系統中，其中獲取的參量信息主要為大小、方向，相關參數的分析則為矢量分析。

二、高鐵運營過程中的高中物理知識

與其它類型交通運輸方式不同，高鐵是目前我國最快的地面交通運輸工具，以最新投入運行的“復興號”列車為例，其速度已經超過350km/h。如此高的運行速度，為保證高速鐵路的安全運營，則需要構建嚴密的安全保障體系，其中就能夠體現出高中所學的物理知識。

（一）軌道裂隙檢測

目前，我國高速鐵路已經普遍采用了無縫鋼軌技術，但是，任何金屬在長時間的使用下都會出現一定的損壞，尤其是在較為惡劣的情況下，鋼軌出現裂隙的可能性將大大增加，如不及時發現鋼軌裂隙，將導致高速行駛的列車出軌，造成嚴重的人員生命威脅和財產損失。

為解決這一問題，鐵路管理部門會定期對軌道進行裂隙檢測，其中就用到了高中電磁學的相關知識。在檢測車底部的固定位置安裝電磁信號發生器，在檢測車快速行駛的過程中，其發出的電磁波在鐵軌上會形成反射波，如果有裂隙存在，電磁信號接收器所收到的反射波將存在時間差，根據圖譜繪制過程中時間差的存在周期，并結合電磁波的傳播速度、電磁信號發生器與接收器的安裝位置，就可以大致計算出軌道裂隙的大小，從而為軌道的進一步維護提供依據。

（二）高速列車限速的真正原因

眾所周知，高速列車的外形設計是流線型的，盡管，這種流線型的設計能夠有效降低風阻，但是，當車速到達一定數值時，會帶來一定的安全隱患，具體如下圖所示：

由圖1我們可以看出，高速列車在行駛的過程中，車頭前方的空氣分別從車頭頂部和車底部經過，流線型的設計會導致高速列車頂部空氣的流動速度與底部的空氣流動速度不同，進而導致高速列車頭部受到明顯向上的力F的作用。當高速列車的速度達到一定數值時，車頭底部的車輪與鐵軌的摩擦力會為零，這將帶來巨大的安全隱患。因此，在高速列車的運行過程中，如果遇到正面風速較大的情況時，需要適當降低車速，以保證高速列車的相對速度保持在限值以下，避免發生危險。

（三）高鐵站臺上的安全黃線

在乘坐鐵路運輸交通工具時我們可以發現，高鐵與普通列車的區別并不僅僅體現在外觀、內飾、價格、速度等方面，高鐵站臺上的安全黃線也有著一定的區別。高鐵站臺上的安全黃線與站臺邊緣的距離要明顯大于普通列車站臺安全黃線與站臺邊緣的距離，其原因能夠用高中物理知識進行解釋。

對于高速運行的物體，其周圍空氣被壓縮，靠近高速運行物體一側的大氣壓強會明顯降低，而外側大氣壓強較高，在氣壓的作用下，將對周圍物體產生一個垂直于高速物體運行方向上的推力。物體運行速度越快，所形成的氣壓差也就越大，為保證高速鐵路站臺人員的安全，則要求安全黃線距站臺邊緣的距離增加，同時對于過站的高鐵，則要求減速行駛，避免其在高速通過時對站臺乘客造成威脅。

三、結語

作為我國科學技術發展水平的代表，高速鐵路不僅推動了我國傳統交通運輸體系的改革，而且驗證了“科學技術是第一生產力”這一偉大思想。作為高中生的我們，應當善于發現高鐵中所涉及到的物理知識，并能夠利用自身所掌握的物理知識加以分析，理論與實踐相結合，促進個人物理知識體系的不斷完善。

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（作者簡介：劉祺，哈爾濱市第三中學群力校區，高中學歷。）