摘要：本文结合“神州”六号发射的情景，探讨了与其相关的几个中学物理问题的解答，提示广大老师要在物理教学中多关注高新技术，紧跟时代步伐。 关键词：神州；飞船；物理教学；问题
中图分类号：G633.7 文献标识码：A文章编号：1003-6148(2008)2(S)-0008-5
2004年，以“嫦娥工程”命名的我国月球探测活动全面启动；2005年10月12日，我国成功发射了“神州”六号载人航天宇宙飞船，费俊龙、聂海胜两位宇航员搭乘飞船在太空中环绕地球运行77圈后，于10月17号凌晨返回地面；2007年1月11日中国反卫星导弹成功试验；2007年4月14日我国成功将一颗北斗导航卫星送入太空； 2007年9月22日，经国务院、中央军委批准，我国将在海南省文昌市建设新航天发射场；2007年9月29日中国自主设计研制的新一代航天远洋测量船――“远望五号”在上海江南造船厂正式交付中国卫星海上测控部使用；中国的“神舟”七号飞船将在2008年发射，并且要实现搭载三名航天员，而且航天员要出舱活动；中国首颗月球探测卫星“嫦娥一号”将于10月下旬在西昌卫星发射中心用“长征三号”甲火箭发射升空……新中国航天的巨大成就，完全可以与任何一个世界强国媲美，辉煌的成就让国人自豪，作为中学物理教师的我们既承担着教书育人的责任，也肩负着科普工作的重担，关注高新技术，让物理教学紧跟时代步伐，我们责无旁贷。“神舟六号”成功发射和回收，使得航天物理知识在高考命题以及青少年科普知识和爱国主义教育中成为一个亮点和热点。用中学物理知识探究分析“神州”六号的发射、回收、变轨、在轨运行等问题，让“神州”六号与中学物理教学结合，无疑会使物理教学更具有时代气息。�
1 飞船（卫星）发射中的物理问题�
问题情景1 发射“神州”六号飞船用“长征”二号F运载火箭,火箭起飞重量479吨，飞船重量为8.079吨，起飞时，8台发动机同时点火，总推力600吨。在电视上我们发现与发射卫星和导弹相比，“神州”六号要“慢”得多，为什么？费俊龙、聂海胜两位宇航员在飞船发射升空中，在船舱的躺椅中平躺，为什么？�
探究解析 “神州”六号要“慢”得多，从物理学角度讲是指加速度较小。对飞船和火箭：�
这个加速度比发射卫星、导弹要小得多，这主要是为航天员的安全和舒适着想，在发射阶段宇航员处于超重状态，血液视重增大，心脏无法像平常一样输送血液，导致血压降低，头部血压降低，下肢血压升高，使大量血液淤积在下肢静脉中，严重影响静脉血的回流，使心脏输出血量不足，造成头部供血不足，轻则引起视觉障碍，重则可能导致意识丧失，所以飞船在发射升空过程中宇航员采用平躺姿势。如果火箭加速度过大，航天员会感觉不舒适，甚至有生命危险。当然随高度的升高，加速度会增大，电视中说是4个g左右，航天员训练时是8个�g到12个g�。�
问题情景2 运载火箭发射“神州”六号飞船时火箭起初笔直上升，12秒后，逐渐倾斜转弯，开始向东南方向飞去。朝东南方向发射，为什么？�
探究解析 要保证飞船发射成功，发射速度至少要达到第一宇宙速度7.9�km/s�, 我国地处北半球，这样能充分利用地球自西向东旋转的部分速度，从而可以节约发射燃料。�
问题情景3 假如不考虑地球表面附近空气阻力的影响，只考虑地球自转的影响，那么以第一宇宙速度7.9�km/s�发射两颗质量相同的近地人造地球卫星，发射点都在即将建成的海南文昌，一颗自西向东发射，一颗自东向西发射，问向哪个方向发射节省燃料？朝另一个方向发射的卫星要比朝该方向发射多消耗燃料百分之几？（地球半径R=6.4×10��6m�）�
探究解析 第一宇宙速度v�1=7.9�km/s�是卫星相对地心的速度,是近地圆轨道上的卫星环绕速度。海南文昌非常靠近赤道，地球自转时，赤道上发射塔相对地心自西向东速度的大小为：�
自西向东发射,卫星达到速度v�1，相对发射塔的速度为：v�3=v�1-v�2=7.435�km/s��
自东向西发射,卫星达到速度v�1，相对发射塔的速度为：v�4=v�1+v�2=8.365�km/s��
由动能定理：火箭燃料给卫星提供的能量之比为：E′�kE�k=12mv�2�412mv�2�3=8365�27435�2=1.27�
动能之差为：ΔE�k=E��k1-E��k2=0.27E�k,发射消耗的燃料与卫星获得的动能成正比，故自东向西发射比自西向东发射多消耗燃料27%。�
海南新发射场建成后，主要承担地球同步轨道卫星、大质量卫星、大吨位空间站和深空探测卫星等航天器的发射任务，中国的“长征”系列火箭以及将来的新大推力火箭，推力将可以提升10％。我国酒泉、西昌、太原三个内陆发射基地受到铁路运输条件的限制，火箭直径不能超过3.35米。发射基地建在沿海，就可用海运这种不受体积限制的方式，地处低纬度的海南还可增强火箭有效发射能力，广袤的南海也可成为火箭残骸安全的坠落区。�
2 飞船（卫星）运行中的物理问题�
问题情景4 “长征二号”F运载火箭带着“神州”六号飞船，升空后第120�s�，火箭实施第一个分离动作，抛掉了逃逸塔；第136�s�，火箭助推器分离；第159�s�，火箭一、二级分离；第200�s�，整流罩上的两瓣罩体落入空中，露出“襁褓”里的飞船，此时，第二级火箭已经飞出了稠密的大气层，飞船不再需要整流罩的保护了；第583�s�，船箭成功分离，神舟六号飞船以每秒7．5�km/s�的速度，在我国黄海上空200�km�高处进入预定轨道，运行在轨道倾角42. 4度，近地点高度200.65�km�，远地点高度约344.725�km�的椭圆轨道，飞船飞行到第5圈实施变轨，进入343�km�的圆轨道绕地球飞行，运行的方向基本上和地球同向。为什么飞船要沿椭圆轨道运动？为什么要变轨？�
探究解析 在200�km�高处船箭分离，由于飞船这时仍保持着较高飞行速度，因此，它并不是在200�km�高度做圆轨道运行，而是沿椭圆轨道运动。如图1所示：飞船在椭圆轨道上运动时，由开普勒第一定律可知，地球位于飞船椭圆轨道的一个焦点上，O为地心。为了保证航天员的安全，在从第３圈起开始由地面向飞船注入“自主应急返回控制参数”，以便一旦发生紧急故障，航天员可以通过键盘操作中止正常飞行程序，按预先设计好的自主应急返回程序，实施自主应急返回飞行程序，使飞船在预定的应急着陆区（国内、外共１０个）之一着陆。�
飞船在椭圆轨道上的两个特殊位置A、B(A为近地点，B为远地点)所受万有引力的方向虽然与飞船线速度的方向垂直，但都不满足万有引力等于该点所需向心力的条件，由开普勒第二定律可知，飞船在A点速度较大，地球对飞船的万有引力小于飞船做半径为R��OA的圆周运动所需向心力，做离心运动，飞船在B点速度较小，地球对飞船的万有引力大于飞船做半径为R��OB的圆周运动所需向心力，做向心运动；飞船在椭圆轨道上的其它位置（如C点）所受万有引力的方向既不与线速度垂直，也不满足万有引力等于该点所需向心力的条件，将万有引力分解为沿速度方向上的切向分力和垂直于速度方向的法向分力，切向分力使飞船加速或减速，法向分力使飞船速度方向改变。�
飞船在远地点B开动轨控发动机，向飞船运动反方向喷气，使飞船加速，当满足万有引力等于飞船做半径为R��OB的圆周运动所需向心力时，飞船的运行轨道由椭圆轨道2变为半径为R��OB的圆轨道3运动。飞船变为圆轨道后，在第一、第三、第五天的运行轨迹基本是重复的，按设计方案，在这种情况下，便于飞船返回主着陆场。同时，圆轨道的自主应急返回方案相对于椭圆轨道来说，要更加便于设计。�
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文 问题情景5 如上图1，1为离地高度为200�km�的圆轨道，在1轨道上的A点的线速度v�1、加速度a�1和在2轨道上的A点v�2、a�2大小关系是怎样的？在2轨道上的B点的线速度v�3、加速度a�3和在3轨道上的B点v�4、a�4大小关系是怎样的？在2轨道上的A点和B点两处，速度和加速度大小关系是怎样的？�
探究解析 在轨道1上的A点万有引力等于飞船在该点做圆周运动所需向心力，“供需平衡”：�
在轨道2上的A点万有引力小于飞船在该点做圆周运动所需向心力，“供需失衡”：�
故v�1＜v�2�
无论是在轨道1还是在轨道2上的A点，都是万有引力产生加速度，由牛顿第二定律：�
在2轨道上的A点和B点两处，由牛顿第二定律可知：a�2＞a�3；从A点向B点运动，由能量守恒定律可知v�2＞v�3。�
问题情景6 “神舟”六号飞船升空后，进入近地点距地心为r�1，远地点距地心为r�2的椭圆轨道。2005年10月12日15时54分45秒，神舟六号飞船推进舱轨控发动机点火，飞船开始变轨，飞船在远地点时，将质量为Δm的燃气以一定的速度向后喷出后，飞船改作半径为r�2的圆周运动，已知地球表面处加速度为g，飞船在近地点速度为v�1，飞船总质量为m，取距地球无穷远处为引力势能零点，质量为m的物体的引力势能为Ep=-G Mmr （其中M为地球质量， r为物体距地心的距离，G为万有引力常量）。求飞船在远地点时，应将Δm的气体以相对于地球多大的速度v�0向后喷出才能进入半径为r�2的圆轨道（已知地球半径为R，地面重力加速度为g）�
探究解析 飞船在椭圆轨道上运行，机械能守恒。设飞船在远地点的速度为v�2，�
问题情景7 10月14日清晨，“神舟”六号在第30圈进行变轨后的首次轨道维持，根据轨道精测参数进行微量调整，使飞船回到预定的正常轨道，为什么要进行轨道维持？�
探究解析 飞船在运动过程中，由于受到稀薄空气的摩擦阻力和地球引力的影响，轨道高度会逐渐缓慢降低，为确保飞船正常运行，必须进行轨道维持，“神六”首次轨道维持时，发动机共点火6.5�s�，飞船抬高了800�m�。如果不进行轨道维持，飞船的向心加速度逐渐增大，周期逐渐减小，线速度和角速度都逐渐增大，机械能逐渐减小。�
问题情景8 轨道舱也叫工作舱，它是航天员的“太空卧室”兼“工作间”，它还兼有航天员生活舱和留轨实验舱两种功能，所以也称留轨舱。轨道舱里面装有多种实验设备和实验仪器，可进行对地观测，其两侧装有可收放的大型太阳能电池帆翼、太阳敏感器和各种天线以及各种对接结构，用来把太阳能转换为飞船的能源，与地面进行通讯等。作为航天员的“太空卧室”，轨道舱的环境很舒适，舱内温度一般在17至25�℃�之间。“神州”六号在圆轨道上运动时，宇航员相对轨道舱“静止”站在舱内的“地板”上，下列说法正确的是（ ）�
�A.宇航员不受重力作用�
B.宇航员与“地板”之间无弹力�
C.宇航员所受重力与他在该位置所受的万有引力相等�
D.�若宇航员将手中的笔无初速释放，笔将落到“地板”上�
探究解析 宇航员随飞船在加速上升阶段处于超重状态，火箭与飞船分离，推力消失，飞船入轨后，就会开始出现失重状态，而绕地球做匀速圆周运动时处于完全失重状态，所以答案是�BC�。实际上，由于完全失重，人其实可以浮在空中睡觉，但考虑到人在地面养成的习惯，所以载人飞船（或空间站）通过睡袋人为地制造一种“床”的感觉，否则航天员睡觉时可能会产生坠入万丈深渊的错觉。�
问题情景9 附加段也叫过渡段，是为与另一艘飞船或空间站交会对接做准备用的。在载人飞行及交会对接前，它也可以安装各种仪器用于空间探测，神舟飞船轨道舱前端可能装有俄罗斯式的对接系统。假设“神州”六号要与国际空间站对接，下列措施可行的是（ ）�
�A．从较低轨道上开始加速�
B.从较高轨道上开始加速�
C．从空间站同一轨道上加速�
D.无论从什么轨道上，只要加速就行��
探究解析 飞船在某一轨道上加速时，所需向心力增大，原有的万有引力不足以提供现有的向心力而做离心运动，使轨道半径增大，因而只能从较低轨道上加速，所以选�A�。需要说明的是，上述情景只是一种假设，事实上“神州”六号轨道舱绕地球运行半年后，将会进入大气层经过升温、熔化，最后汽化而销毁。由于此次飞行没有交会对接任务，神舟六号取消了附加段。�
问题情景10 “神州”六号总质量为m，在离地h高处绕地球做匀速圆周运动，已知地球质量为M，地球半径为R，地球表面重力加速度为g,万有引力常量为G，求：�
（1）飞船在轨道上正常运行的速度是多大？�
（2）飞船在轨道上运行周期是多少？�
（3）质量为m�0的宇航员，他在飞船中的重力将变为多大？�
探究解析 �
（1）由GMm(R+h)�2＝mv�2R+h 和GMm′R�2＝m′g，�
求得v＝gR�2R+h �
（2）由T＝2π(R+h)v，�
求得T=2π(R+h)RR+hg（周期90�min�）�
（3）在飞船上的宇航员，万有引力等于重力，故GMm�0(R+h)�2＝m�0g，变形可得m�0g＝m�0gR�2(R+h)�2，事实上h比R小得多，所以宇航员的重力只是略有减小。�
3 飞船（卫星）回收中的物理问题�
飞船在轨道运行5天后返回地面，返回程序是：飞船飞行姿态第一次调整→轨道舱分离(留在太空继续飞行)→飞船飞行姿态第二次调整，呈倒飞状态→推进舱发动机点火，降低轨道高度，进入返回轨道→推进舱分离→返回舱姿态调整建立再入姿态→进入稠密大气层，穿越黑障区→回收着陆系统启动工作，弹出伞舱盖，连续完成拉出引导伞、减速伞和主伞动作→着陆。�
问题情景11 在2005年10月17日凌晨3时44分，“神州”六号飞船轨道舱与返回舱成功分离，并在3时45分，飞船的发动机成功点火，开始回航。在4时07分飞船轨道舱与返回舱成功分离，返回舱自行重返地球。“神州六”号的轨道舱和返回舱分离后，轨道舱将仍留在太空运转半年，其运行周期和速度与原来相比（ ）�
�A.周期变大，速度变大�
B.周期变大，速度变小�
C.周期变小，速度变大�
D.周期变小，速度变小��
探究解析 轨道舱和返回舱分离时满足动量守恒。设总质量为M，返回舱质量为m，则Mv＝（M－m）v�1－mv�2 ，由此可知v�1增大，原有的万有引力不足以提供向心力而使轨道舱做离心运动，其运行轨道半径比原来更大，所以运行速度变小，周期变大，应选�B�。�
问题情景12 “神州”六号的返回舱与轨道舱分离之后，便开始缓缓下坠进入大气层，下坠过程除重力做功外，克服其它力做功为W，若返回舱质量为m，开始进入大气层时距地面高度为h，地球半径为R，假设地球表面附近的重力加速度恒为g，求其下坠后到达地面时的速度v�2？�
探究解析 返回舱进入大气层时，其速度为v�1,有mg＝mv�2�1R+h①�
进入大气层下坠过程能量守恒，有�
12m v�1�2＋mg（R+h）＝12m v�2�2＋W②�
由①②得v�2=3g(R+h)-Wm�
问题情景13 “神舟”六号飞船自12日9时上天，历经5天5夜于17日凌晨安全返回主着陆场。飞船在返回过程中，当飞船返回舱下降到距地面大约10�km�高度时，返回舱上的静高压控制器通过测量大气压力判定高度，自动打开伞舱盖，首先带出引导伞，引导伞再拉出减速伞，此时返回舱的速度大约180�m/s�，第一次打开减速伞8s后返回舱速度减为80�m/s�左右，然后第二次打开主伞使飞船速度进一步减小，最终减小到10�m/s�。假设第一次打开减速伞后飞船作匀减速运动，试估算航天员费俊龙、聂海胜在第一次打开减速伞到第二次打开主伞的过程中所承受的载荷值（即所受支持力与自身重力之比值g=10�m/s�2�）。�
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文 探究解析 第一次打开减速伞后飞船作匀减速运动，飞船的加速度为:�
a=v�2-v�1t=80-1808=-12.5�m/s�2��
由牛顿第二定律：mg-F�N=ma�
故F�N/mg=(g-a)/g=2.25�
问题情景14 为了实现返回舱安全着陆，在飞船即将着陆的一瞬间，飞船距地面约1�m时，安装在返回舱底部的四台缓冲发动机同时点火工作，使返回舱的速度由10m/s降到2m/s�。假设返回舱质量为M，减速时间为t，试求返回舱在这段时间内所受的平均阻力？�
探究解析 对返回舱，由动量定理：�
（Mg-F）t=Mv�2-Mv�1�
则F=M(v�1-v�2)t+Mg=8Mt+Mg�
问题情景15 2008年我国航天员将实现太空行走，设想航天员连同装备的总质量M=100�kg�，在距离飞船45�m�处与飞船处于相对静止状态，航天员背着装有质量为m�0=0.5�kg�氧气的贮气筒，其上有一个可以使氧气以相对于宇航员以v=50�m/s�的速度喷出的喷嘴，航天员必须向着返回飞船相反的方向放出氧气，才能回到飞船，同时又必须保留一部分气体供途中呼吸用，航天员的耗氧率为Q=2.5×10-4�kg/s�，不考虑喷出气体对航天员及设备总质量的影响。求：�
（1）瞬时喷出多少氧气，航天员才能安全返回飞船？�
（2）航天员安全返回到飞船的最长和最短时间分别为多少？�
（3）为了使总耗氧量最低，应一次喷出多少氧气？返回时间又是多少？（飞船在一段很短的圆弧上的运动可视为匀速直线运动）�
探究解析（1）若m太小，宇航员获得的速度很小，虽然贮气筒中剩余的氧气多，但由于返航时间太长，将无法满足途中呼吸所用；若m太大宇航员获得的速度虽然大了，而筒中氧气太少，也无法满足途中呼吸所用。�
设瞬间喷氧气质量为m时，宇航员恰能安全返回，由动量守恒定律：�
m(v-v′)=(M-m)v′,即mv=Mv′①�
宇航员返回的时间为t=sv′②�
贮气筒中剩余氧气质量满足�
m�0-m≥Q t③�
由①②③得400m�2-200m+9≤0�
解得0.05�kg�≤m≤0.45�kg��
（2）根据①②式得t=Msmv④�
当m=0.05�kg�时，可求得宇航员安全返回到飞船的最长时间为t���max�=1800�s�；�
当m=0.45�kg�时，可求得宇航员安全返回到飞船的最短时间为t���min�=200�s�；�
（3）当总耗氧量最低时，设宇航员安全返回共耗氧气Δm，则Δm=m+Qt⑤�
“神州”六号是系统的复杂工程，我们除了从中学物理知识角度分析解释相应一些问题，激发学生学习物理的兴趣外，还应对学生进行爱国主义教育、合作精神、治学严谨、抗挫折教育、树立远大理想教育的好教材。作为教师，只要我们时刻观注高新技术，始终能够挖掘出配合教育教学的“新教材”，物理教学就会不再枯燥，就会跟上时代的步伐，物理教学就会时刻沐浴在阳光春天中。
(栏目编辑赵保钢)
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。 本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文