神舟七号与高中物理
[日期:2008-11-27] 来源:  作者: [字体: ]

神舟七号与高中物理

唐波

(重庆市第一中学校高2010级物理组 重庆 400030

 

摘要     神舟七号飞船已于9252110分成功发射,进行载人航天飞行。这一次,乘神舟七号飞天的三名航天员所完成的,不仅仅是中华民族的又一次飞天之旅——在载人航天工程的首次出舱活动中,中国航天员第一次把中国人的足迹印在飞船舱外的茫茫太空之中。我们高中物理第六章——《万有引力定律》,就有一节是关于讲人造卫星和宇宙速度的,那怎样利用人造卫星的发射过程帮助大家学习卫星的运动呢?教材对卫星的发射和变轨过程往往是一带而过,本文将从卫星发射过程中与高中物理相关的知识作一些探讨。

 

关键字    人造卫星 变轨运动 神舟七号  宇宙速度

 

一、卫星的发射

9252109分许:火箭点火;2110分:神舟七号飞船升空。我们在高中物理第八章《动量》一章学习了反冲运动,其实火箭的发射就用到了反冲运动。物体向某一方向高速喷射出大量的液体、气体或弹射出一个小物体,从而使物体本身获得一反向速度的现象,叫反冲运动。

在火箭发射过程中,由于内力远大于外力,所以动量守恒。发射前的总动量为零,发射后的总动量为

(以火箭的速度方向为正方向,M为火箭开始飞行时的质量,m液体燃料质量)

 

 

由上结论分析得到:燃料燃尽时火箭获得的最终速度 由喷气速度 及质量比 所决定。由此可见,m越大,最终速度 越大。神舟七号使用长征2F火箭起飞重量为479吨:火箭加上飞船重量约44吨,其它的都是液体推进剂。因此,火箭的90%都是液体,比人体含水量还大。水通常占人体的60%70%

长征二号F运载火箭(CZ-2F)是在长征二号捆绑运载火箭的基础上,按照发射载人飞船的要求,以提高可靠性确保安全性为目标研制的运载火箭。火箭由四个液体助推器、芯一级火箭、芯二级火箭、整流罩和逃逸塔组成,是目前我国所有运载火箭中起飞质量最大、长度最长的火箭。为什么要用多级火箭呢?目前最好的单级火箭,最大速度也只能达到56千米/秒,远远达不到第一宇宙速度的目标。由上结果可知,要提高最终速度,一是提高火箭发动机的喷气速度,二是提高火箭的质量比(火箭起飞时的质量与火箭发动机熄火时质量的比值),即“火箭列车”的思路。为此,科学家想到了把火箭串联或并联起来,火箭在发射过程中,质量一级一级地减少,速度一级一级地增大,最后使装在最前一级火箭上的卫星或飞船达到7.9 千米/ 秒以上的速度,而进入太空。

 

二、卫星的变轨

926神舟七号飞船成功变轨。神七上升段飞行时间583.828秒,把飞船送入近地点200公里到远地点347公里的椭圆轨道,飞船在椭圆轨道飞行第15圈,由于大气阻力的影响,每圈轨道降低近1公里,飞船远地点高度从347公里降为343公里,第5圈,飞船远地点点火变轨,抬升近地点,轨道由椭圆轨道变成高度343公里圆轨道。在高度343公里圆轨道下飞船运行周期约为90分。那么卫星在变轨过程中是怎么实现的呢?速率发生了什么变化?把神舟七号的运动近似看成匀速圆周运动时候,其向心力由万有引力提供,即:

 

,则卫星作匀速圆周运动,若速度瞬间增加,出现所需要向心力大于引力,就会作离心运动,引起圆周运动到椭圆运动的变化,在椭圆轨道的远地点让发动机瞬间点火给卫星加速,使卫星又变为大轨道的圆周运动。变轨运动时,轨道半径发生变化,又会引起速率 、周期T的变化。

我们举一个例题来帮助我们理解飞船的变轨。

P

地球

Q

轨道1

轨道2

如图。飞船在椭圆轨道上运行,Q为近地点,P为远地点,当飞船运动

P点时点火,使飞船沿圆轨道运行,以下说法正确的是

A.飞船在Q点的万有引力大于该点所需的向心力

B.飞船在P点的万有引力大于该点所需的向心力

C.飞船在轨道1P的速度小于在轨道2P的速度

D.飞船在轨道1P的加速度大于在轨道2P的加速度

解析  飞船在轨道1上运行,在近地点Q处飞船速度较大,相对于以近地点到地球球心的距离为半径的轨道做离心运动,说明飞船在该点所受的万有引力小于在该点所需的向心力;在远地点P处飞船的速度较小,相对于以远地点到地球球心为半径的轨道飞船做向心运动,说明飞船在该点所受的万有引力大于在该点所需的向心力;当飞船在轨道1上运动到P点时,飞船向后喷气使飞船加速,万有引力提供飞船绕地球做圆周运动的向心力不足,飞船将沿椭圆轨道做离心运动,运行到轨道2上,反之亦然,当飞船在轨道2上的p点向前喷气使飞船减速,万有引力提供向心力有余,飞船将做向心运动回到轨道1上,所以飞船在轨道1P的速度小于在轨道2P的速度;飞船运行到P点,不论在轨道1还是在轨道2上,所受的万有引力大小相等,且方向均于线速度垂直,故飞船在两轨道上的点加速度等大。

答案 BC

三、卫星的稳定运行

把神舟七号的稳定运行运动近似看成匀速圆周运动,卫星绕地球运转的向心力由卫星所受地球的万有引力来提供。

由此得卫星作稳定的圆周运动时候的速度

显然,离地球越远的高轨道卫星,其稳定运行的速率越小。卫星做圆周运动的线速度与轨道半径是一一对应的,所以确定的圆轨道上运行的卫星其动能和引(重)力势能是确定的,不同圆轨道上运行的卫星的机械能是不同的,轨道半径增大,引力势能增大,动能减小,但引力势能增加比动能减小得多,因此机械能随半径增大而增大,所以卫星运转半径越大,发射所需能量越大,发射就越困难。因此,卫星转换轨道,一定是在外力作用下完成的。如高空运行的卫星受稀薄空气的影响,将损失一些机械能,如不及时补充和校正,将会从高轨道逐渐移向低轨道;如果要使轨道的半径增大,就得通过外力克服引力做功,使卫星机械能增加才能达到目的。所以,卫星运行的轨道半径改变了,其机械能一定改变。如果卫星速度减小了,将因动能减小引起机械能减小而落入对应的低轨道运行,绝不可能自行移到高轨道上去,因此判断卫星轨道的变化情况不能单纯以

为依据,而应同时考虑能量情况。例如,在某一轨道上做圆周飞行的航天飞机,要想追上另一高轨道上圆周运行的航天器(如空间站),就需在低轨道加速,再向高轨道飞行,飞行过程中因加速增加的动能再逐渐转化成引力势能,使速度最终减小到对应高轨道上所需数值。

    当卫星在地球表面飞行的时候,

这个速度称为第一宇宙速度。第一宇宙速度是发射一个物体,使其成为地球卫星的最小速度。若以第一宇宙速度发射一个物体,物体将在贴着地球表面的轨道上做匀速圆周运动。若发射速度大于第一宇宙速度,物体将在离地面远些的轨道上做圆周运动。

从电视媒体上我们得知,神舟七号每90分钟绕地球一圈。神舟七号飞船成功变轨后,由入轨时的椭圆轨道进入距地球表面约343公里的近圆轨道。我们也知道,地球的赤道半径6378km、极半径6357km、平均半径6371km,这里我们取平均半径6371公里,加上神舟七号343公里的飞行高度,可以得出神舟七号的飞行轨迹为一个十分近似圆形的轨道,其半径为6371+343=6714km,由圆周运动公式

算得神舟七号运行速度v=7.812km/s,是比第一宇宙速度小的一个速度,原因是前面的结论:离地球越远的高轨道卫星,其稳定运行的速率越小,离地球越近的低轨道卫星,其稳定运行的速率越小。第一宇宙速度绕地球圆周运动的卫星能达到的最大速度

四、飞船的返回

神州七号安全返回,于928日下午1737分返回舱成功着陆。

安全返回是载人航天的最后一个环节,它也不容易,对于神舟七号飞船来讲,返回时要闯过四道鬼门关

  一是调姿关,使飞船从运行姿态调整到返回姿态,其中包括让轨道舱与返回舱-推进舱分离。

  二是过载关,飞船高速进入大气层时会产生巨大的冲击过载,就像飞机撞山一般,所以必须使过载限制在人的耐受范围内。其方法是通过开动推进舱的火箭发动机产生制动来降低飞船的速度。

  三是火焰关,飞船返回时与大气层的剧烈摩擦会产生几千度的高温,因此必须有先进的防热措施,否则钢筋铁骨也要化成灰烬。返回舱在再入大气层时,要使其用特制防热材料做的舱底保持向前,从而保证它在与空气剧烈摩擦所产生的高温高压下,舱内温度正常。

四是着陆关,返回舱下降到稠密大气层后,回收,控制系统开始工作,打开降落伞,进一步减速;着地前,着陆缓冲装置开始工作,使返回舱以很低的速度(23 /秒以下)实现软着陆,保证航天员安全无恙。这最后一关极为重要,否则功亏一篑,前功尽弃。另外,要保证其落点精度,以便及时发现营救。

下面我们从运动学角度来分析一下神舟七号返回过程中的一些数据。神舟七号飞船在返回时先要进行姿态调整,飞船的返回舱与留轨舱分离,返回舱以近8km/s的速度进入大气层,当返回舱距地面30km时,返回舱上的回收发动机启动,相继完成拉出天线、抛掉底盖等动作。在飞船返回舱距地面20km以下的高度后,速度减为200m/s而匀速下降,当返回舱距地面高度为10km时,打开降落伞,直到速度达到8.0m/s后匀速下落。为实现软着陆,当返回舱离地面1.2m时反冲发动机点火,若使返回舱落地的速度减为零,返回舱此时的质量为2.7×103kg 。我们是可以计算出反冲发动机的平均反推力的大小的。

由牛顿第二定律得:

由运动学公式得:

联立可得

物理是一门历史悠久的自然学科。随着科技的发展,社会的进步,物理已渗入到人类生活的各个领域。在现代科技发展和科技教育中,增强学生的科技意识,提高学生对科学技术是第一生产力的认识,物理起着至关重要的作用。如何在物理教学中,利用现代科技巩固学生的知识培养学生的科技意识呢?我觉得应该充分把学习和生活实际联系起来,适时地把现代技术的发展渗透到教学中去;同时加强实验教学,锻炼学生的动手能力;还可以开展物理课外活动培养学生的学习兴趣,比如我们学校举行的无线电测向就是一个好的扩大学生的知识面,发展学生的实践能力和创造能力的科技活动。

 

参考文献

1         人民教育出版社物理室高中物理 人民教育出版社

2         李来政等现代基础物理教育学 华中师范大学出版社  253268

3         陈宏胜  卫星运动中应该注意的几个问题 中学物理2008 5 1921

4         吴国盛  科学的历程 北京大学出版社 513518

录入:周鹊虹 | 阅读:

学校地址:重庆市沙坪坝区沙南街2号 邮编:400030 电话:023-65303495  65307121(教育咨询)



设计维护:重庆一中现代教育技术中心 备案号:
渝ICP备11004281号

.


Powered by iwms 5.3

重庆一中微信公众号


重庆第一中学校友会