嫦娥工程與物理課程資源

摘要：本文結(jié)合高中新課程理念，由嫦娥工程挖掘出問題情景，并加以探究分析，豐富了物理課程資源。

關(guān)鍵詞：嫦娥工程；情景；探究；課程資源

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148(2011)4(S)-0009-3

2007年10月24日18時05分，在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，長征三號甲運載火箭噴著烈焰，把“嫦娥一號”衛(wèi)星穩(wěn)穩(wěn)托起；2010年10月1日18時59分57秒，我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用“長征三號丙”運載火箭，將“嫦娥二號”衛(wèi)星成功送入太空；2010年1月17日、6月2日、8月1日、11月1日、12月18日中國先后將北斗導航衛(wèi)星成功送入太空預(yù)定軌道；11月5日2時37分，成功將中國第二顆“風云三號”氣象衛(wèi)星送入太空。包括“嫦娥二號”月球探測衛(wèi)星、5顆北斗導航衛(wèi)星等在內(nèi)，中國2010年全年共進行15次航天發(fā)射，全部獲得成功。嫦娥二號發(fā)射的成功，引起全世界廣泛關(guān)注，輝煌的成就讓國人自豪。作為中學物理教師的我們既承擔著教書育人的責任，也肩負著科普工作的重擔。新課程物理教學要求我們注重課程資源開發(fā)，創(chuàng)設(shè)物理情景，激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)學生的探索創(chuàng)新能力，嫦娥工程無疑是很好的課程資源。

問題情景1 從電視直播看，嫦娥衛(wèi)星發(fā)射時比“神州”7號“快”得多，為什么？

探究分析 情景中說的快慢是指的加速度大小，“神州”7號主要是為三名航天員的安全和舒適著想，在發(fā)射階段宇航員處于超重狀態(tài)，血液視重增大，心臟無法像平常一樣輸送血液，導致血壓降低，頭部血壓降低，下肢血壓升高，使大量血液淤積在下肢靜脈中，嚴重影響靜脈血的回流，使心臟輸出血量不足，造成頭部供血不足，輕則引起視覺障礙，重則可能導致意識喪失，所以飛船在發(fā)射升空過程中宇航員采用平躺姿勢，如果火箭加速度過大，航天員會感覺不舒適，甚至有生命危險。

問題情景2 “5、4、3、2、1，點火”，來自重慶的“01”號指揮鄢利清的“金手指”摁下了發(fā)射摁鈕…。這次嫦娥二號發(fā)射是采用人工點火方式，為什么選擇這種點火方式？和計算機點火有什么不同？

探究分析 火箭點火方式目前有兩種，一種是時體點火（計算機點火），把時間設(shè)在一個點上，到時候就自動點火，另一種是手動點火。在“長征二號丙”火箭上就采用時體點火的方式。這一次火箭為什么不采用時體點火呢？這是與火箭復雜度有關(guān)系的，“長二丙”火箭都是常規(guī)囤積燃料，在發(fā)射前40min的時候就沒有太多工作，主要就是等著發(fā)射，如果其它工作很順利，采用時體點火就不會出現(xiàn)什么問題。但是“長征三號丙”火箭不一樣，它的第三級注入液氫是要采用低溫推動的方法，一旦開始第三級加注就一定要持續(xù)到發(fā)射前4分半鐘的時候。液氫加注要在-252.7℃以下的環(huán)境下加注，雖然做過很多保溫措施，但是畢竟和外界環(huán)境還是存在交換，那么在加注的時候就會有一些結(jié)冰，這個冰一定要處理，直播時我們看見火箭周圍冒白煙，就是脫冰使空氣中的水蒸氣液化成小水珠，冰的厚度不一樣，脫冰的時間也不能完全嚴格的限定，有可能早一秒或者晚一秒，這個時候如果工作沒有做完實施自動點火，可能帶來比較嚴重的后果。況且手動點火精度是非常高的，零點幾秒的時間，一個人的反應(yīng)時間。

問題情景3 把月球探測衛(wèi)星從地面發(fā)射到月球常用的方式有哪些？“嫦娥二號”采用的是哪種方式？

探究分析 把月球探測衛(wèi)星從地面發(fā)射到月球有多種方式，常用的有4種類型：

第1種是用運載火箭先將月球探測衛(wèi)星送入近地球的圓軌道上，星箭分離后，靠月球探測衛(wèi)星自行加速到入口速度10.9km/s，進入地月轉(zhuǎn)移軌道到達月球；第2種是用運載火箭將月球探測衛(wèi)星送入環(huán)地球飛行的大橢圓軌道，星箭分離后，通過月球探測衛(wèi)星在橢圓軌道的近地點處加速到入口速度10.9km/s，進入地月轉(zhuǎn)移軌道，最終到達月球；第3種是用運載火箭把月球探測衛(wèi)星加速到10.9km/s，直接送入地月轉(zhuǎn)移軌道，星箭分離后，衛(wèi)星飛向月球；第4種是用運載火箭直接將月球探測衛(wèi)星送入地月引力平衡點處，星箭分離后，衛(wèi)星在地月引力平衡點處加速進入月球軌道。

使用第1種方式，實現(xiàn)奔月需要的時間最長，使用第3種方式需要的時間最短。決定軌道選擇的關(guān)鍵因素是火箭的推力、衛(wèi)星的重量、衛(wèi)星發(fā)動機的推力和衛(wèi)星攜帶推進劑的總量。嫦娥一號衛(wèi)星選擇了第2種軌道飛行方式，即由運載火箭將嫦娥一號首先送入環(huán)繞地球的大橢圓軌道，然后由嫦娥一號在該軌道的近地點處不斷加速，進入地月轉(zhuǎn)移軌道，到達月球后減速成為月球衛(wèi)星。而“嫦娥二號”采用的是第3種方式，在發(fā)射1533s進行星箭分離后，衛(wèi)星直接進入近地點高度200公里、遠地點高度約38萬公里的地月轉(zhuǎn)移軌道直接奔月，到達地月轉(zhuǎn)移軌道的速度達到10.9km/s，與“嫦娥一號”相比，節(jié)省7天飛行時間，降低測控成本，節(jié)省衛(wèi)星燃料，為衛(wèi)星探測和試驗留出更多時間，且入軌精度更高。

問題情景4 地月轉(zhuǎn)移軌道的長軸約為月球軌道長軸 (即直徑) 的一半，請估算嫦娥二號衛(wèi)星奔月的時間？

探究分析 根據(jù)開普勒定律，地月轉(zhuǎn)移軌道的周期應(yīng)為月球公轉(zhuǎn)周期 (約為 27.3 天)的1/8， 即231h。由于“嫦娥二號”只需在這個軌道上運行半周 (即從近地點飛到遠地點)， 因此它的飛行時間約為軌道周期的一半，即約115h，與媒體報道的112h非常接近。

問題情景5 圖1中1、2、3三條曲線為嫦娥二號衛(wèi)星三次近月制動后的軌道示意圖，3為離月高度為100km的極月圓軌道，在1軌道上的A點、B點和C點三處，速度和加速度大小關(guān)系是怎樣的？在2軌道上的A點的線速度v1、加速度a1和在3軌道上的A點的線速度v2、加速度a2大小關(guān)系是怎樣的？

探究分析 衛(wèi)星在1軌道上運動時發(fā)動機是關(guān)閉的，只受到萬有引力，在A點、B點和C點三處，由牛頓第二定律可知：aA＞aC＞aB；從A點向B點運動，由能量守恒定律可知vA＞vC＞vB。

在軌道2上的A點萬有引力小于衛(wèi)星在該點做圓周運動所需向心力，

GMmROA2＜mv12ROA①

在軌道3上的A點萬有引力等于飛船在該點做圓周運動所需向心力，

GMmROA2=mv22ROA②

故v1＞v2。

無論是在軌道2還是在軌道3上的A點，都是由萬有引力產(chǎn)生加速度，由牛頓第二定律：

GMmROA2=ma1=ma2，故a1=a2。

“嫦娥二號”衛(wèi)星要進入100km×15km繞月橢圓軌道，拍攝“嫦娥三號”月球虹灣預(yù)選著陸區(qū)圖像，必須在3軌道上月球背面通過開動發(fā)動機，使衛(wèi)星減速才能達到目的。

問題情景6 如圖2所示為我國“嫦娥一號”衛(wèi)星從發(fā)射到進入月球工作軌道的過程示意圖。在發(fā)射過程中，經(jīng)過一系列的加速和變軌，衛(wèi)星沿繞地球“48h軌道”在抵達近地點P時，主發(fā)動機啟動，“嫦娥一號”衛(wèi)星的速度在很短時間內(nèi)由v1提高到v2，進入地月轉(zhuǎn)移軌道，開始了從地球向月球的飛越。“嫦娥一號”衛(wèi)星在地月轉(zhuǎn)移軌道上經(jīng)過114h飛行到達近月點Q時，需要及時制動，使其成為月球衛(wèi)星。之后，又在繞月球軌道上的近月點Q經(jīng)過兩次制動，最終進入繞月球的圓形工作軌道Ⅰ。已知“嫦娥一號衛(wèi)星”質(zhì)量為m0，在繞月球的圓形工作軌道Ⅰ上運動的高度為h，月球的半徑r月，月球的質(zhì)量為m月，萬有引力恒量為G。

（1）求“嫦娥一號衛(wèi)星”在繞月球圓形工作軌道運動時的周期。

（2）理論證明，質(zhì)量為m的物體由距月球無限遠處無初速釋放，它在月球引力的作用下運動至距月球中心為r處的過程中，月球引力對物體所做的功可表示為W=Gm月m/r。為使“嫦娥一

號”衛(wèi)星在近月點Q進行第一次制動后能成為月球的衛(wèi)星，且與月球表面的距離不小于圓形工作軌道的高度，其第一次制動后的速度大小應(yīng)滿足什么條件？

探究分析 （1）根據(jù)萬有引力定律和向心力公式，有Gm月m0(r月+h)2=m04π2T2(r月+h)

解得：T=2π(r月+h)r月+hGm月。

（2）設(shè)“嫦娥一號衛(wèi)星”在到達近月點Q（距月球的距離為h）時進行第一次制動后的最低速度為v1，則：Gm月m0(r月+h)2=m0v12r月+h，

解得：v1=Gm月r月+h。

設(shè)“嫦娥一號”衛(wèi)星剛好脫離月球引力的束縛飛離月球，在通過Q點時的速度為v2，根據(jù)機械能守恒定律

12m0v22-Gm月m0r月+h=0

解得：v2=2Gm月r月+h

嫦娥一號衛(wèi)星能成為月球的衛(wèi)星，其第一次通過Q點時的速度v應(yīng)滿足：

Gm月r月+h＜v＜2Gm月r月+h

問題情景7 2013年“嫦娥三號” 探月衛(wèi)星將在海南文昌航天發(fā)射場發(fā)射升空，在月球虹灣區(qū)域順利著陸，進行落月探測90天。設(shè)想“嫦娥三號”是一種類似四輪小車的月球探測器，它能夠在自動導航系統(tǒng)的控制下行走，且每隔10s向地球發(fā)射一次信號。探測器上裝有兩個相同的減速器（其中一個備用），這種減速器可提供的最大加速度為5m/s2。若探測器的自動導航系統(tǒng)出現(xiàn)故障，從而使探測器只能勻速前進而不能自動避開障礙物，此時飛控中心必須對探測器進行人工遙控操作。假設(shè)月球離地球大約3.0×105km。下表為飛控中心的顯示屏的數(shù)據(jù)：

已知控制中心的信號發(fā)射與接收設(shè)備工作速度極快，航天工作者每次分析數(shù)據(jù)并輸入命令最少需要3s。問：

（1）經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，你認為減速器是否執(zhí)行了減速命令？

（2）假設(shè)你是控制中心的工作人員，應(yīng)采取怎樣的措施？加速度需滿足什么條件？

探究分析

（1）9點10分20秒至9點10分30秒，探測器的位移為Δx=52-32=20m，探測器的速度為v0=ΔxΔt=2010=2m/s。

9點10分30秒至9點10分40秒探測器的位移與9點10分20秒至9點10分30秒的位移相等，故未執(zhí)行減速命令。

（2）應(yīng)啟動減速器制動。從地面發(fā)射信號到傳到月球上經(jīng)歷時間t=3+3×1083×108=4s，地面收到信號時刻9點10分40秒，顯示探測器位置離障礙物12m，實為9點10分39秒時的狀態(tài)（信號傳到地面需要1s），故待探測器開始減速時距離障礙物的距離為：

Δs=12-v0t=2m，故加速度應(yīng)滿足的條件是a≥v022Δs=1m/s2。

月球是離地球最近的天然衛(wèi)星，月球上不僅礦產(chǎn)資源和能源豐富，而且月球也是人類征服太陽系、開展深空探測的前哨陣地和轉(zhuǎn)運站。通過探月工程及其它航天事業(yè)拉動高技術(shù)的發(fā)展，比如遙測技術(shù)、材料技術(shù)、計算機技術(shù)、機器人技術(shù)等等，這些技術(shù)以后還能轉(zhuǎn)于民用，可以產(chǎn)生更大的效益。2020年前，我國月球探測工程以無人探測為主，分三個階段“繞”、“落”、“回”，是一項系統(tǒng)的復雜工程，青少年對天文和航天感興趣，作為處在新課改前沿的物理教師，積極開發(fā)課程資源，給學生提供更大的選擇性，嫦娥工程、北斗系統(tǒng)工程……無疑是實現(xiàn)中學物理的知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度價值觀三維目標非常好的課程資源。我們除了從中學物理知識角度分析解釋相應(yīng)的一些情景問題、激發(fā)學生學習物理的興趣外，還能激發(fā)青少年探索未來、探索大自然的欲望，對青少年的探索思維進行培養(yǎng)。通過廣泛的宣傳和科普，鞏固并強化學生的探索興趣，最終把興趣轉(zhuǎn)變?yōu)閷嶋H行動，還是對學生進行愛國主義教育、合作精神、嚴謹治學、樹立遠大理想教育的良好課程資源。

(欄目編輯趙保鋼)