2025年高一物理上學(xué)期“航天科技中的物理”初探一、嫦娥六號(hào)月背采樣：萬(wàn)有引力與天體運(yùn)動(dòng)的完美實(shí)踐嫦娥六號(hào)探測(cè)器在月球背面南極—艾特肯盆地的采樣任務(wù)，是人類首次在月球背面實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜航天操作，其成功依賴于對(duì)萬(wàn)有引力定律和天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的精準(zhǔn)應(yīng)用。月球作為地球唯一的天然衛(wèi)星，始終以同一面朝向地球，這種“潮汐鎖定”現(xiàn)象源于地球?qū)υ虑虻娜f(wàn)有引力差異——地球?qū)υ虑蚪孛娴囊Υ笥谶h(yuǎn)地面，形成潮汐力并逐漸減緩月球自轉(zhuǎn)，最終使月球自轉(zhuǎn)周期與公轉(zhuǎn)周期同步（約27.3天）。這一特性使得月球背面無(wú)法直接與地球通信，嫦娥六號(hào)需通過(guò)“鵲橋二號(hào)”中繼衛(wèi)星構(gòu)建通信鏈路，其軌道設(shè)計(jì)遵循開(kāi)普勒行星運(yùn)動(dòng)定律，中繼衛(wèi)星位于地月拉格朗日L2點(diǎn)，此處地球與月球的引力合力恰好提供衛(wèi)星繞地月系統(tǒng)質(zhì)心旋轉(zhuǎn)的向心力，實(shí)現(xiàn)對(duì)月背的持續(xù)觀測(cè)。在月面采樣階段，嫦娥六號(hào)采用“表取+鉆取”雙模式。表取機(jī)械臂的工作原理可簡(jiǎn)化為杠桿平衡問(wèn)題：機(jī)械臂末端采樣鏟的抓取動(dòng)作通過(guò)液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)采樣鏟接觸月壤時(shí)，需克服月球重力（約為地球的1/6）產(chǎn)生的摩擦力。根據(jù)摩擦力公式f=μN(yùn)，月壤的摩擦系數(shù)μ約為0.6，若采樣鏟施加的正壓力N為10N，則所需驅(qū)動(dòng)力需大于6N。鉆取系統(tǒng)則涉及能量轉(zhuǎn)化與動(dòng)量守恒：鉆桿電機(jī)輸出的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，通過(guò)螺旋鉆齒切削月壤，同時(shí)根據(jù)動(dòng)量定理Ft=Δmv，鉆桿對(duì)月壤的沖擊力F需滿足在極短時(shí)間t內(nèi)使月壤顆粒獲得足夠動(dòng)量以脫離月面。采樣完成后，上升器攜帶樣品從月背起飛，其3000牛發(fā)動(dòng)機(jī)的推力需克服月球重力并提供向上加速度，根據(jù)牛頓第二定律F-mg'=ma，可計(jì)算出上升器的初始加速度a=(F/m)-g'，其中m為上升器總質(zhì)量，g'為月球重力加速度（1.63m/s2）。二、可重復(fù)使用火箭：動(dòng)量守恒與能量效率的技術(shù)突破2025年長(zhǎng)征十二號(hào)可重復(fù)使用火箭的首飛成功，標(biāo)志著我國(guó)在降低航天成本領(lǐng)域邁出關(guān)鍵一步。傳統(tǒng)一次性火箭發(fā)射成本高達(dá)每公斤2萬(wàn)美元，而可重復(fù)使用火箭通過(guò)回收箭體結(jié)構(gòu)（尤其是成本占比60%的一級(jí)火箭），可使單次發(fā)射成本降低70%以上。其核心物理原理涉及動(dòng)量守恒定律的應(yīng)用：火箭發(fā)射過(guò)程中，燃料燃燒產(chǎn)生的高溫氣體以高速噴出，根據(jù)動(dòng)量守恒定律m?v?=m?v?（m?為火箭質(zhì)量變化量，v?為噴氣速度，m?為火箭剩余質(zhì)量，v?為火箭獲得的速度增量），長(zhǎng)征十二號(hào)采用液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，噴氣速度可達(dá)3.5km/s，通過(guò)多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)推力矢量控制?；鸺厥针A段的技術(shù)挑戰(zhàn)集中在垂直著陸過(guò)程。當(dāng)一級(jí)火箭完成助推任務(wù)后，需經(jīng)歷“離軌—減速—懸?！憽彼碾A段。離軌階段通過(guò)反推發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火產(chǎn)生反向動(dòng)量，將火箭軌道傾角調(diào)整至返回航向；減速階段利用大氣阻力與發(fā)動(dòng)機(jī)推力雙重制動(dòng)，此時(shí)箭體受到的空氣阻力f=?ρv2SCd（ρ為大氣密度，v為箭體速度，S為迎風(fēng)面積，Cd為阻力系數(shù)），需通過(guò)持續(xù)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)推力平衡阻力與重力。在10公里高度的懸停階段，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力需精確等于箭體重力，即F=mg，此時(shí)加速度a=0，通過(guò)激光雷達(dá)實(shí)時(shí)測(cè)量距地面高度，結(jié)合PID控制算法調(diào)整推力，實(shí)現(xiàn)米級(jí)精度著陸。朱雀三號(hào)火箭的實(shí)踐表明，其液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)可在10%~100%推力范圍內(nèi)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，這一技術(shù)突破基于伯努利方程：通過(guò)改變噴管喉部截面積，調(diào)節(jié)燃?xì)饬魉賤，進(jìn)而改變推力F=?v（?為燃料質(zhì)量流量）?？芍貜?fù)使用火箭的熱防護(hù)系統(tǒng)則涉及能量傳遞與材料物理。箭體返回大氣層時(shí)，與空氣分子劇烈摩擦產(chǎn)生的熱量Q=fs（f為摩擦力，s為摩擦距離），可使箭體表面溫度升至1800℃。長(zhǎng)征十二號(hào)采用的蜂窩陶瓷防熱瓦，通過(guò)多孔結(jié)構(gòu)儲(chǔ)存熱量，利用材料的高熔點(diǎn)（>2000℃）與低導(dǎo)熱系數(shù)（<0.1W/(m·K)）實(shí)現(xiàn)隔熱，其工作原理類似于保溫瓶的真空層，通過(guò)減少熱傳導(dǎo)與熱對(duì)流降低內(nèi)部結(jié)構(gòu)溫度。三、空間站物理實(shí)驗(yàn)：微重力環(huán)境下的科學(xué)探索中國(guó)空間站2025年開(kāi)展的冷原子物理實(shí)驗(yàn)，為高一物理中的量子力學(xué)入門提供了生動(dòng)案例。實(shí)驗(yàn)柜通過(guò)激光冷卻技術(shù)將銣原子溫度降至10??K（接近絕對(duì)零度），此時(shí)原子動(dòng)能Ek=?mv2≈kT（k為玻爾茲曼常數(shù)），原子速度降至約0.1m/s，滿足玻色-愛(ài)因斯坦凝聚（BEC）的形成條件。在微重力環(huán)境下，BEC的穩(wěn)定時(shí)間從地面的幾十秒延長(zhǎng)至6分鐘，這是因?yàn)榈孛鎸?shí)驗(yàn)中重力引起的原子沉降時(shí)間t=h/v（h為原子云高度，v為沉降速度），而空間站微重力環(huán)境（<10??g）使沉降速度趨近于零，原子云可長(zhǎng)時(shí)間懸浮。BEC的宏觀量子特性表現(xiàn)為所有原子處于同一量子態(tài)，其干涉圖樣可通過(guò)吸收成像技術(shù)觀測(cè)，驗(yàn)證了德布羅意物質(zhì)波理論（λ=h/p，λ為物質(zhì)波長(zhǎng)，p為原子動(dòng)量）?？臻g站流體物理實(shí)驗(yàn)則揭示了重力對(duì)對(duì)流現(xiàn)象的影響。在地面，熱對(duì)流是由于溫度差異導(dǎo)致流體密度變化（ρ?<Tρ?時(shí)，ρ?>ρ?，密度大的流體下沉），而微重力環(huán)境下浮力對(duì)流消失，僅存在表面張力驅(qū)動(dòng)的馬拉高尼對(duì)流。實(shí)驗(yàn)中觀察到的液橋現(xiàn)象（兩固體圓盤間的懸浮液柱），其形狀由表面張力γ與重力平衡決定：當(dāng)液橋直徑d<√(2γ/(ρg))時(shí)，表面張力可克服重力維持液柱穩(wěn)定。這一原理已應(yīng)用于太空晶體生長(zhǎng)，2025年空間站制備的碲化鎘晶體，其缺陷密度僅為地面制備樣品的1/10，這是因?yàn)槲⒅亓Νh(huán)境消除了重力引起的晶體生長(zhǎng)界面擾動(dòng)，根據(jù)斯特藩-玻爾茲曼定律，晶體生長(zhǎng)速率與溫度梯度成正比，而均勻的溫度場(chǎng)可獲得更規(guī)則的晶格結(jié)構(gòu)。在生命科學(xué)領(lǐng)域，空間站開(kāi)展的渦蟲(chóng)再生實(shí)驗(yàn)涉及細(xì)胞力學(xué)與能量代謝。渦蟲(chóng)在微重力環(huán)境下的再生速度比地面快30%，其機(jī)制與細(xì)胞骨架張力變化相關(guān)：微重力降低了細(xì)胞外基質(zhì)對(duì)細(xì)胞的機(jī)械應(yīng)力，激活YAP/TAZ信號(hào)通路，促進(jìn)干細(xì)胞增殖。同時(shí)，太空環(huán)境中的高能粒子輻射會(huì)導(dǎo)致DNA損傷，渦蟲(chóng)通過(guò)提升SOD（超氧化物歧化酶）活性清除自由基，其抗氧化機(jī)制的能量消耗可通過(guò)公式P=W/t計(jì)算（W為修復(fù)DNA所需能量，t為修復(fù)時(shí)間）。這一研究為人類長(zhǎng)期太空駐留的輻射防護(hù)提供了數(shù)據(jù)支持，也驗(yàn)證了能量守恒定律在生命活動(dòng)中的普適性——生物體的每一項(xiàng)生理活動(dòng)（如細(xì)胞分裂、物質(zhì)運(yùn)輸）都伴隨著能量的轉(zhuǎn)化與消耗。航天科技的發(fā)展始終與基礎(chǔ)物理緊密相連，從嫦娥六號(hào)的天體力學(xué)應(yīng)用到可重復(fù)火箭的動(dòng)