神州十二号飞船发射中的高中物理

白 欣 王笑君

(华南师范大学物理与电信工程学院 广东 广州 510006)

2017年版的新高中物理课程标准中的课程基本理念指出，要注重课程的时代性，关注科技进步，反映当代科学技术发展的重要成果[1].其中，航天事业的发展是物理中常见的例子，在教材中被多次提及，高考试题中也经常出现结合航天领域新成就为背景的考题，例如2021年高考广东省物理试题的第2道选择题，这都说明了将最新科技成果介绍融入课堂的必要性.

本文以2021年6月17日发射神州十二号的过程为例，拓展更多的物理知识点，探讨将知识点融入教学的途径.

1 火箭发射中常见的高中物理问题

飞船火箭对中学物理教学并不陌生，谈及此，高中教师和学生总是能想到几个典型的物理原理.其一，反冲运动，2019年人教版的教材直接将“反冲运动 火箭”作为课标题[2]，将二者结合在了一起，火箭升空确实是反冲运动的一个重要应用，飞船在真空环境中飞行，没有空气对它施加作用力，靠的是反冲作用加速前进，并且飞船获得的速度取决于喷气速度和质量比，由此还引入了3级火箭的知识[3].其二，完全失重现象，因为飞船内物体所受的万有引力提供了向心力，所以对支持物的压力为零，处于完全失重状态，漂浮在空中，这个物理现象很直观[4].其三，行星运动定律，这是在高考题中考查火箭知识经常出现的知识点，也有很多的相关考题研究[5]，其中包含三大宇宙速度的含义、运行周期的计算、变轨问题等等.

在这3个知识点上已有很多教学设计研究.但飞船火箭发射的过程中，并不是只有反冲、完全失重现象、行星运动规律才切合高中生的学习内容，还有很多物理知识需要教师进行挖掘，以适应其他课题的内容需求.

2 火箭发射中物理知识的拓展

神州十二号载人飞船是依靠长征二号F遥十二火箭的运载进入太空的.本研究基于CCTV关于此次发射任务的直播视频，针对飞船火箭发射前、发射过程中、飞船对接时3个环节，分析挖掘其中的高中物理知识点，并以2019年粤教版教材为例，给出每个现象在教材中与之对应的知识点.

2.1 飞船火箭发射前

火箭乃国之重器，发射前大量的准备工作都以科学为原则经历了严格的思考，其中就包括了一部分的高中物理知识，往往在中学物理教学研究中被忽视.

2.1.1 发射时间与参考系

视频素材：神州十二号载人飞船瞄准北京时间2021年6月17日9：22：27发射(图1)，飞船发射后，将与太空中的天和核心舱进行对接.

物理原理：发射时间确定的依据并不是观看火箭发射的效果好不好，而是为了完成对接的任务.对于地心来说，核心舱在绕地心做圆轨道运动，火箭也在地球表面上空随着地球自转做圆周运动，并且核心舱和火箭相对于地心运动的角速度是不一样的，若以地心为参考系，火箭和飞船都在运动，他们的速度不一样，位置也不一样；若以火箭为参考系，飞船是运动的，它们之间的相对位置在发生变化，容易得出最短的、耗能最少的对接路程，火箭发射的时间恰好就是通过最优的飞行路程刚好与核心舱对接上的发射时间，是有考究的.

图1 神州十二号发射时间确定

教材对应知识点：必修第一册第一章第1节[6]，内容为参考系.参考系的选择是任意的，但存在最适合分析的参考系，在类似于火箭和核心舱对接的这类追及问题中，以其中一个物体为参考系就能使问题简化.

2.1.2 水槽模拟训练与失重

视频素材：当飞船进入太空，开始做圆周运动时，宇航员身边的物体开始漂浮，宇航员的身体也会不受控制地飘在空中，为了锻炼宇航员在这种情况下的能力，在地面训练宇航员时，采用一种水槽模拟失重的方法，宇航员会潜入一个10 m深的水槽中，体验与在太空中相似,如图2所示.

图2 航天员的水槽模拟训练

物理原理：在太空中的失重是由于飞船绕地球做圆周运动时，飞船中的人所受的万有引力提供了自身所需的向心力，因此,人会感受不到重力的存在，此时他所受的支持力为零，处于完全失重的状态.而在地面如何去模拟这种环境，是容易忽视的一个物理问题.要使宇航员感受不到自身的重力，就需要找到除了地面支持力外的另一个力与重力平衡，在水槽模拟失重训练中，宇航员所受的浮力大小和重力大小相等，宇航员处于悬浮的状态，达到模拟失重的目的.

教材对应的知识点：必修第一册第四章第6节中的失重现象条件和失重产生的解释、完全失重现象[6]，理解失重的概念后对人进行受力分析，就可以简单地得出水槽训练其中的物理原理.

2.1.3 飞行速度与合速度

视频素材：在神州十二号发射前，有专门的气象专家对天气进行实时监测，能精确预估一小时内的风向及风速.

图3 控制大厅大屏上显示实时的天气状况

物理原理：无风的情况下，火箭在初始阶段向上发射时受到反冲力，上升的火箭有一个向上的反冲速度，如图4(a).但有风的情况下竖直向上发射，风速和反冲速度为两个分速度，合速度的方向不再向上，进而引起火箭偏离轨道，如图4(b).因此，要保证火箭竖直上升并维持一定的速度，就需要细微的调整反冲速度大小和方向，如图4(c)，这与高中物理中的小船过河问题情境不同但物理模型一致，实则是高中物理中速度的合成与分解的问题.

图4 风速对反冲速度的影响

教材对应的知识点：必修第二册第一章第2节，运动的合成与分解[7]，与第8页小船过河例题相似，火箭发射中的风速和反冲速度，分别对应着小船过河问题中的水流速度与划船速度.

2.2 发射过程中

飞船火箭发射的过程，是最引人瞩目的一个过程，也是充满物理味道的过程，有丰富的资源能够引入高中物理课堂.

2.2.1 火箭转弯与曲线运动

视频素材：在神舟十二号发射指令发出后，它奔向高空，爬升了一段高度后可以明显得看到，火箭飞行的轨迹并不是直的，而是走了一段小圆弧，像是在转弯，如图5所示.

图5 火箭的转弯

物理原理：火箭并不是一直都垂直地射入太空，为了节省燃料，需转弯从切线方向进入圆轨道.这就要求火箭做曲线运动，曲线运动要求合力和速度不在同一条直线上，忽略空气阻力的情况下，火箭受到重力和反冲力，刚开始这两个力在同一竖直方向上.要想让火箭做曲线运动，只需要改变喷气方向，获得不在竖直方向上的反冲力，如图6所示.反冲力产生加速度使火箭偏向合力的一边而发生转弯，开始做曲线运动进入轨道.

图6 火箭做曲线运动的条件分析

教材对应的知识点：必修第二册第一章第1节，物体做曲线运动的条件，火箭需做曲线运动，就要满足合力和速度方向不一致[7].

2.2.2 宇航员身体负载与超重

视频素材：在录像中很容易就能发现，人在太空中是可以漂浮起来的，这是由于人此时是完全失重状态，而在火箭上升过程中，如图7所示，宇航员保持一种半躺卧的体位，双腿弯曲，并用束缚带将自己束缚在座椅上，是因为他们的身体需要承受数倍于普通人体重的负载[8]，此时返回舱内的物品也不像在完全失重状态那样漂浮起来.

图7 处于超重状态的神州十二号宇航员

物理原理：定性分析火箭升空到开始绕地球做圆周运动的中间阶段，火箭是在做加速上升运动的，加速度方向向上，由牛顿第二定律可知，宇航员所受合力方向也是向上的，对宇航员进行受力分析可以知道，座椅对他的支持力必须大于自身的重力，才能保持宇航员所受合力向上，因此支持力大于重力，处在一个超重的状态，身体承受着超重的负载.定量分析这一过程中，随着燃料的逐渐消耗，火箭的总质量变小，火箭从地面到高空，大气密度下降，向下的空气阻力减小，在向上的反冲力不变的情况下，向上的合力会增大，而总质量又减小，根据牛顿第二定律F合=ma，可以知道加速度a会不断增大，对于宇航员来说F支-G=m人a，加速度不断增加，意味着支持力也会不断增加，身体上的负载逐渐增大.第二级火箭分离后飞船火箭开始进入圆轨道，负载会迅速减小，所以宇航员的身体负载在第二级火箭分离前是不断增大，直到第二级火箭分离瞬间达到最大值，火箭上升过程中加速度可能会达到4到5倍重力加速度的大小.

教材对应的知识点：必修第一册第四章第3节，牛顿第二定律，定性分析可得物体所受合力变大，质量减小，加速度会变大[6].

2.2.3 升空惊险与共振

视频素材：除了身体超重负载的危险，在我国的第一艘载人航天飞船神州五号升空时，宇航员杨利伟在火箭上升段经历了一次26 s的惊险，在这26 s内，他眼前一片漆黑，感觉五脏六腑都要被振碎了，并且这个痛苦的感觉越来越强烈，后来才逐渐缓解[9].

物理原理：飞船火箭在上升的过程中，发生了振动，当振动的频率和人体的固有频率十分接近时，人和飞船会产生共振，人体会在外界获取最大的能量，从而达到振幅最大，会造成身体强烈的不适感，为了避免这种共振，应当要改变制造火箭和飞船使用的材料和结构，以改变火箭振动的频率.神舟七号载人火箭在改进后，就没有再出现过这类问题了.

教材对应的知识点：选择性必修第一册第二章第5节，共振，当外界振动的频率和物体的固有频率接近时，产生共振[10].

2.3 飞船对接时

进行对接是飞船升入太空后的一项重要操作，神州十二号需要与天和核心舱对接，对接的过程是一个特殊的追及过程，对接瞬间也需要考虑两个飞行器间冲击力的问题，深含物理原理.

2.3.1 追赶与变轨问题

视频素材：在对接过程中，神州十二号需要先追上空间站，再与之对接，运行轨迹如图8所示，下方的飞行器为神州十二号，上方为天和核心舱.

图8 神州十二号与核心舱对接路径

物理原理：与地面上的追及问题不同，地面上的追及需要后者加速，而飞船和空间站都在做圆周运动，它们受到的万有引力提供圆周运动的向心力，可得

若飞船和空间站在同一个圆周上运动，也就是二者同轨，飞船加速追赶会使其所受的万有引力不足以提供向心力，而离心到轨道半径更大的圆周上去，所以飞船不能与空间站同轨后，才开始追赶对接.只有其他两种方式：从低轨先到高轨再到目标轨道(a方式)或从低轨到目标轨道(b方式)，如图9所示.

图9 对接变轨

变轨后再逐渐地调整姿态和速度，缓慢地靠近空间站进行对接，前者需要先离心到高轨，再在高轨上减速，线速度减小同时运行半径也减小，近心运动到目标圆轨道，后者需要先在低轨上加速，由于此时线速度增加，运行半径r也需增加，飞船做离心运动到空间站所在的圆轨道.显然，神州十二号的对接方式为b方式，这是因为b方式飞行器从低轨到高轨的过程是需要消耗燃料加速的，从高轨到目标轨道也是需要消耗燃料刹车减速的，a方式耗能比b方式大很多，因此采用从低轨到目标轨道的形式进行对接.

教材对应的知识点：必修第二册第三章第4节，宇宙速度与航天中的变轨问题[7].

2.3.2 对接与碰撞

视频素材：神州十二号与核心舱对接前，他们在以较小的相对速度相互靠近，这个相对速度不能过大，一是不利于对接的准确度控制，二是会对宇航员带来伤害，在两个飞行器靠近到一定距离后，会通过特定结构锁紧，最后形成一个刚性的整体.

物理原理：不同于以往发射任务，质量为8 t的神舟十二号对接的是35 t的核心舱，质量相差比以往悬殊，也面临了新的挑战.对接过程实则是一个碰撞过程，两飞行器不受外力作用，从独立的两个飞行体，到结合成一个飞行体，这个过程动量守恒，设神州十二号飞船质量为m1，核心舱质量为m2，对接前的速度分别为v1和v2，对接后的速度为v，则可得

m1v1+m2v2=(m1+m2)v

对于神州十二号飞船来说，动量的变化量为

ΔP=m1(v-v1)

联立这两个式子可得

教材对应的知识点：选择性必修第一册第一章第2节动量定理和第4节动量守恒定律的应用，相同时间内动量变化量越大，冲击力越大[10].

3 结束语

综合上述分析，可以发现，能在物理课堂上融入与火箭发射有关的物理知识，不只有反冲运动、失重和万有引力定律，还有速度的合成与分解、物体做曲线运动的条件、超重、共振等等，这些都可以通过视频素材的形式作为例子引入课堂，通过这些拓展，可将火箭发射过程与更多的物理教学内容结合，也能够为试题的编写提供新的素材.

另一方面，神州火箭的发射还能与物理课中的思政教育相接合，引导学生欣赏中国宇航员不畏艰险的精神品质，鼓励学生为祖国航天事业的未来发展而努力学习，增强民族自信心和使命感，同时还要坚持体育锻炼，增强体质，练好本领，毕业后以优异的成绩和强健的体魄投身到祖国现代化建设的伟大事业中.