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高中物理与航空航天

时间:2022-05-10 16:20:11 浏览次数:

工作的进一步发展奠定了基础,开启了我国航天技术的新篇章。至今,我国在航天领域已经取得了举世瞩目的成就,现在,已开始着手宇宙空间站的建设。作为中学生,我们应该清楚的认识到:高中物理是航空航天的基础,只有夯实基础知识,将来才能使自己更好的投身于国家的建设。

一、高中物理知识与航空航天的联系

随着我国航天事业的飞速发展,航空航天相关的热点话题在近年来高考试题中也越来越明显。这也体现了物理知识在科技发展、生活应用等方面的实践要求。进入准高三,我在梳理高中物理知识时,发现物理知识与航空航天有着非常紧密的联系,高中物理中的力学、运动学、热学、电磁学、光学、能量动量守恒等知识均与航空航天密切相关。如飞机、返回舱外形的设计与动力学有关,宇航服设计与热学有关,卫星发射更是涉及到万有引力、作用力与反作用力原理、能量动量守恒等诸多物理知识点。

二、物理知识在航空航天中的应用

1.万有引力定律在航天中的应用

万有引力定律与航空航天的联系非常紧密,经常会与圆周运动定律、重力加速度、牛顿运动定律等知识综合考查。

例题:“神州”五号载人飞船发射成功,飞船绕地球14圈后安全返回,把飞船绕地球运行看作是在同一轨道上的匀速圆周运动,已知地球半径为R,地球表面重力加速度为g,飞船绕地球运行周期为T,飞船离地面的平均高度为h,可以分析出“神州”五号载人飞船有关的物理量的表达式如下:

地球表面物体m的重力等于万有引力:mg=■,飞船运行的角速度:ω=■,万有引力提供飞船做圆周运动的向心力:G■=man=m(■)2 r,飞船轨道半径:r=■,飞船运行的线速度:V=■, 飞船运行的向心加速度:an=■■,飞船离地面高度h=■-R。

2.卫星发射中的物理知识

高中物理知识中,第一宇宙速度为7.9km/s,卫星发射速度不得低于此速度。我还从一些资料上了解了轨道倾角:航天器绕地球运行的轨道平面与地球赤道平面之间的夹角。按轨道倾角可将卫星运行轨道分为四类:顺行轨道、逆行轨道、赤道轨道和极地轨道。

我国“神舟”号试验飞船是采用顺行轨道发射的,顺行轨道倾角小于90°,此轨道上的绝大多数卫星离地面较近,高度仅为数百公里,又称为近地轨道。我国位于北半球,要把卫星送入此轨道,运载火箭要朝东南方向发射,这样能够充分利用地球自转的部分速度,从而可以节约发射能量。

赤道轨道的倾角0°,轨道就在行星的赤道平面上,并且与行星运行的方向一致。地球上主要的通信卫星和广播电视转播卫星选取0°倾角,轨道高度约为35860千米,此时卫星运行角速度与地球自转角速度相同,卫星定位于赤道某点上空,便于通信信号的定位传送和获取。

根据“牛顿第三定律”,两个物体之间的作用力和反作用力,总是同时在同一条直线上,大小相等,方向相反。火箭在发射前总动量为零,当点火燃烧后,高温高压的气体从火箭尾部的喷管往后喷出,火箭得到了一个反作用力,使火箭获得向上的巨大推力,克服自身的重力,向太空冲去。把火箭与喷出的气体看成一个整体,这个整体的动量是守恒的。当气体膨胀时产生压力,这个压力使得火箭和气体同时获得了一个方向相反的冲量,冲量就是动量的变化量,而总的动量就是火箭的动量加上气体的动量。气体动量往后,火箭动量则往前,实现动量平衡。

3.卫星变轨中的物理知识

绕地球做匀速圆周运动的人造卫星所需向心力由万有引力提供。轨道半径r确定后,与之对应的卫星线速度、周期、向心加速度也都是确定的。一旦卫星发生变轨,即轨道半径r发生变化,上述物理量都将随之变化。卫星先从小圆轨道变到椭圆轨道再到大圆轨道。这中间两次都需要加速。第一次,卫星从小圆轨道必须点火加速,使F向>F引(即m■> G■),让卫星做离心运动,远离地球,此时地球为一个焦点,进入椭圆轨道,随着离地球越来越远,动能不断转化为势能。第二次,在椭圆轨道的最远点,也就是大圆轨道上,这时卫星速度最小,此时的动能也最小。若想在此点上做大圆运动,此时需要再次点火加速,才能从当前的椭圆轨道进入大圆轨道。否则,引力作用又回到椭圆轨道。但是第二次加速后的大圆轨道上卫星的速度,要比小圆轨道上的速度小很多。

三、体会与收获

开发宇宙,是人类长期以来的梦想,随着我国航天事业的不断发展,已经在生物技术、环境探测、太空育種、自然灾害预报等多个领域取得了巨大突破。回顾中国航空航天发展史,在赞叹之余,我也深刻得体会到,物理知识是航空航天的基础。作为中学生,祖国的航天需要我们,我们在夯实高中物理知识的同时,更应该开拓视野,拓展知识面,使自己成为对国家建设的有用人才。

作者简介:

桑启航(2001年5月-),男,河北邢台二中高中在校学生。

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