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【摘 要】天宫一号的成功发射引起了国内和国际社会的高度关注，本文从中学物理视角分析天宫一号在发射、运行及与神舟天宫一号对接过程中涉及到的中学物理的诸多问题，供高中物理教学参考。
【关键词】人造卫星；变轨运动；神舟八号；宇宙速度
一、卫星的发射
在高中物理教材选修3-5《动量守恒定律》一章我们学习了反冲运动，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（M-m）v-mv1（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为液体燃料质量）则（M-m）v-mv1=0 v=■v1
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v及质量比■所决定。由此可见，m越大，最终速度v越大。神舟八号使用长征二号F遥八火箭，是长征二号F型运载火箭的改进型。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5～6千米/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，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
长征二号F遥八火箭点火发射后，飞行约584秒，船箭分离，飞船进入近地点约200公里、远地点约330公里的初始轨道，经过第一次变轨控制，神舟八号飞船进入近地点高度261公里、远地点高度318公里的预定轨道飞行。北京航天飞行控制中心先后实施5次变轨控制，将神舟八号从距离天宫一号约1万公里外的初始轨道，准确导引到天宫一号后下方52公里指定位置，使其与天宫一号处在相同轨道面的交会对接点上。飞船在远地点点火变轨，抬升近地点，轨道由椭圆轨道变成圆轨道。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？把神舟八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：F向=F引
m■=G·■
若F向=F引，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v、周期T的变化。
三、卫星的对接
神舟八号在地面测控系统引导下，经过5次变轨，到达距离天宫一号后下方约52公里处，此后，切换到自主控制方式，依靠微波雷达、激光雷达、CCD光学成像敏感器导航，逐步靠近目标飞行器。神舟八号为什么在距离天宫一号后下方去靠近天宫一号呢？
把神舟八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。
m■=G·■
由此得卫星作稳定的圆周运动时候的速度
v=■
显然，离地球越远的高轨道卫星，其稳定运行的速率就越小。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。因此判断卫星轨道的变化情况不能单纯以速度为依据，而应同时考虑能量情况。所以，在某一轨道上做圆周飞行的神舟八号，要想追上另一高轨道上圆周运行的航天器（如天宫一号），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。
四、飞船的返回
11月16日，神舟八号飞船与天宫一号目标飞行器成功分离。神舟八号飞船于17日19点32分30秒平稳着陆，顺利回归到祖国怀抱。
下面我们从运动学角度来分析一下神舟八号返回过程中的一些数据。神舟八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： F-mg=ma 由运动学公式得：
v2=2as 联立可得F=9.9×104N
科学的发展赋予了物理学时代特征,当今世界各种新技术、新能源等的发展,都是以物理学为基础。今天的物理学是自然科学、技术科学体系的重要基础,随着当今科学技术的发展,面对新的教育形势,对中学教育提出了新的要求,在物理教学中渗透现代技术知识,即物理教育内容现代化成了时代的要求。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，发展学生的实践能力和创造能力。
【参考文献】
[1]张大昌等.普通高中课程标准实验教科书物理必修2 人民教育出版社.44～46
[2]李来政等.现代基础物理教育学.华中师范大学出版社 253～268
[3]陈宏胜.卫星运动中应该注意的几个问题.中学物理2008（5）19～21
（作者单位：重庆市第一中学校高2014级物理组）
【关键词】人造卫星；变轨运动；神舟八号；宇宙速度
一、卫星的发射
在高中物理教材选修3-5《动量守恒定律》一章我们学习了反冲运动，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（M-m）v-mv1（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为液体燃料质量）则（M-m）v-mv1=0 v=■v1
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v及质量比■所决定。由此可见，m越大，最终速度v越大。神舟八号使用长征二号F遥八火箭，是长征二号F型运载火箭的改进型。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5～6千米/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，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
长征二号F遥八火箭点火发射后，飞行约584秒，船箭分离，飞船进入近地点约200公里、远地点约330公里的初始轨道，经过第一次变轨控制，神舟八号飞船进入近地点高度261公里、远地点高度318公里的预定轨道飞行。北京航天飞行控制中心先后实施5次变轨控制，将神舟八号从距离天宫一号约1万公里外的初始轨道，准确导引到天宫一号后下方52公里指定位置，使其与天宫一号处在相同轨道面的交会对接点上。飞船在远地点点火变轨，抬升近地点，轨道由椭圆轨道变成圆轨道。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？把神舟八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：F向=F引
m■=G·■
若F向=F引，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v、周期T的变化。
三、卫星的对接
神舟八号在地面测控系统引导下，经过5次变轨，到达距离天宫一号后下方约52公里处，此后，切换到自主控制方式，依靠微波雷达、激光雷达、CCD光学成像敏感器导航，逐步靠近目标飞行器。神舟八号为什么在距离天宫一号后下方去靠近天宫一号呢？
把神舟八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。
m■=G·■
由此得卫星作稳定的圆周运动时候的速度
v=■
显然，离地球越远的高轨道卫星，其稳定运行的速率就越小。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。因此判断卫星轨道的变化情况不能单纯以速度为依据，而应同时考虑能量情况。所以，在某一轨道上做圆周飞行的神舟八号，要想追上另一高轨道上圆周运行的航天器（如天宫一号），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。
四、飞船的返回
11月16日，神舟八号飞船与天宫一号目标飞行器成功分离。神舟八号飞船于17日19点32分30秒平稳着陆，顺利回归到祖国怀抱。
下面我们从运动学角度来分析一下神舟八号返回过程中的一些数据。神舟八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： F-mg=ma 由运动学公式得：
v2=2as 联立可得F=9.9×104N
科学的发展赋予了物理学时代特征,当今世界各种新技术、新能源等的发展,都是以物理学为基础。今天的物理学是自然科学、技术科学体系的重要基础,随着当今科学技术的发展,面对新的教育形势,对中学教育提出了新的要求,在物理教学中渗透现代技术知识,即物理教育内容现代化成了时代的要求。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，发展学生的实践能力和创造能力。
【参考文献】
[1]张大昌等.普通高中课程标准实验教科书物理必修2 人民教育出版社.44～46
[2]李来政等.现代基础物理教育学.华中师范大学出版社 253～268
[3]陈宏胜.卫星运动中应该注意的几个问题.中学物理2008（5）19～21
（作者单位：重庆市第一中学校高2014级物理组）