宇宙航行教學(xué)中的問題設(shè)置

魏平軍

(石家莊市第一中學(xué) 河北 石家莊 050011)

1 問題設(shè)置前的準(zhǔn)備

1．1 教材分析

本節(jié)內(nèi)容為萬有引力定律的應(yīng)用，可分為兩個(gè)部分：宇宙速度和夢(mèng)想成真．

宇宙速度部分涉及的規(guī)律有萬有引力定律及圓周運(yùn)動(dòng)相關(guān)規(guī)律．課堂中重點(diǎn)內(nèi)容是需推導(dǎo)出第一宇宙速度表達(dá)式，同時(shí)了解第二、第三宇宙速度，理解各宇宙速度的物理含義．教學(xué)中可補(bǔ)充衛(wèi)星環(huán)繞速度等相關(guān)量的計(jì)算(含同步衛(wèi)星)及衛(wèi)星變軌問題．本部分可涉及的物理方法有邏輯推理法和類比法．

夢(mèng)想成真部分是進(jìn)行情感教育很好的素材．通過展示人類在宇宙航行領(lǐng)域中的偉大成就，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的熱情．可涉及的物理方法有科學(xué)想象，另外也可培養(yǎng)學(xué)生查找和整合信息的能力．

因?qū)φn本內(nèi)容進(jìn)行了補(bǔ)充及課堂上需展示小組成果，所以計(jì)劃兩課時(shí)完成．

1.2 尋找素材

本部分為萬有引力定律的具體應(yīng)用，所以問題在設(shè)置時(shí)最好能具有實(shí)際背景．可能用到的背景知識(shí)：《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中牛頓的設(shè)想、和平號(hào)空間站、火星探測(cè)、人類登月、我國神州系列飛船的發(fā)射等．在問題設(shè)置前能找到的素材越多越好，所以在平常的教學(xué)中要注重素材的積累．大量的實(shí)際素材在編制有實(shí)際背景的物理題目時(shí)也很有用．

2 問題設(shè)置

問題1：資料(1)在1687年出版的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中，牛頓設(shè)想，把物體從高山上水平拋出，速度一次比一次大，落地點(diǎn)也就一次比一次遠(yuǎn)．如果速度足夠大，物體就不再落回地面，它將繞地球運(yùn)動(dòng)，成為人造地球衛(wèi)星．

請(qǐng)利用所學(xué)知識(shí)求解這個(gè)速度．

問題2：如果想在火星表面發(fā)射一顆衛(wèi)星，你認(rèn)為至少需要多大的速度呢？需要知道哪些數(shù)據(jù)就可以計(jì)算出來．

設(shè)計(jì)說明：在學(xué)生理解了地球第一宇宙速度后，通過類比的方法可以得到火星第一宇宙速度．同時(shí)也拓寬了對(duì)宇宙速度的理解，不僅地球有宇宙速度其他星球也有．

問題3：如果物體在地球表面的速度大于7.9 km/s，物體會(huì)做怎樣的運(yùn)動(dòng)？

設(shè)計(jì)說明：此問題雖然結(jié)果是唯一的，但是學(xué)生出現(xiàn)的思維判定可能是多樣的，以此引入第二宇宙速度和第三宇宙速度也顯得順理成章，同時(shí)離心運(yùn)動(dòng)的復(fù)習(xí)也為后邊解決變軌問題奠定基礎(chǔ)．

問題4：資料(2)我國火星探測(cè)將分“繞、落、回”三步走．由中俄聯(lián)合的探測(cè)火星活動(dòng)計(jì)劃將于今年年底前實(shí)施，屆時(shí)我國首個(gè)火星探測(cè)器“螢火一號(hào)”將會(huì)發(fā)射升空，實(shí)現(xiàn)第一步“繞”．

思考與討論：

(1)探測(cè)器在什么條件下才能掙脫地球的束縛前往火星？

(2)如果探測(cè)器要返回，在什么條件下探測(cè)器可以掙脫火星的束縛？

設(shè)計(jì)說明：此問題的設(shè)置思路同問題2類似，主要是為了鞏固對(duì)第二宇宙速度的理解．同時(shí)通過資料的展示讓學(xué)生了解到我國對(duì)于火星探測(cè)工作處于什么樣的一個(gè)階段．

問題5：資料(3)1984年4月我國成功地發(fā)射了一顆地球同步通訊衛(wèi)星，標(biāo)志著我國航天事業(yè)一個(gè)新的起點(diǎn)．

同步衛(wèi)星總是相對(duì)于地面靜止．請(qǐng)同學(xué)們思考討論同步衛(wèi)星的軌道應(yīng)該是什么樣的呢？

設(shè)計(jì)說明：最初想設(shè)置為“請(qǐng)討論同步衛(wèi)星具有哪些特點(diǎn)”． 但是這樣問題顯得太大，學(xué)生在討論時(shí)不易形成共識(shí)，所以將問題分解．

雖然最終的軌道平面是唯一的，但思維過程具有較大的開放性，學(xué)生所得結(jié)果有多種可能．學(xué)生在探討過程中會(huì)逐步加深對(duì)衛(wèi)星軌道平面必過地心及同步衛(wèi)星軌道平面必在赤道面內(nèi)這個(gè)知識(shí)點(diǎn)的理解．

問題6：如圖1所示，在發(fā)射地球同步衛(wèi)星時(shí)，先將衛(wèi)星發(fā)射到近地圓軌道1，然后經(jīng)點(diǎn)火使其沿橢圓軌道2運(yùn)行，最后再次點(diǎn)火，將衛(wèi)星送入同步圓軌道3．軌道1與2相切于Q點(diǎn)，軌道2與3相切于P點(diǎn).

在圖中，當(dāng)衛(wèi)星分別在1，2，3軌道上正常運(yùn)行時(shí)，請(qǐng)判斷

(1)衛(wèi)星在軌道1與軌道3上的速率大小關(guān)系；

(2)衛(wèi)星在軌道1上經(jīng)過Q點(diǎn)時(shí)的速率與它在軌道2上經(jīng)過Q點(diǎn)時(shí)的速率大小關(guān)系；

(3)衛(wèi)星在軌道2上經(jīng)過P點(diǎn)時(shí)的速率與它在軌道3上經(jīng)過P點(diǎn)時(shí)的速率大小關(guān)系．

圖1 發(fā)射地球同步衛(wèi)星的變軌

設(shè)計(jì)說明：變軌問題是本部分的難點(diǎn)，如果直接討論如何變軌難度太大，所以將問題分解為若干個(gè)小問題，當(dāng)小問題解決后，難點(diǎn)也就突破了．問題3的設(shè)置為解決本問題提供了思路．

問題7：人類在宇宙航行方面取得了哪些成就呢，請(qǐng)小組展示(分人類探月、火星探測(cè)、神舟系列簡介)．

設(shè)計(jì)說明：此問題是提前布置的，課上直接讓小組代表展示．要求組內(nèi)成員搜集資料，之后組內(nèi)整合，課堂上代表展示．目的一是為了讓學(xué)生了解在萬有引力定律的基礎(chǔ)上現(xiàn)代宇宙航行取得了哪些成就，培養(yǎng)民族自豪感，激發(fā)學(xué)習(xí)物理的興趣；二是為了鍛煉學(xué)生搜集資料整合資料的能力．