各類人造衛(wèi)星自動旋轉教具的設計及使用

王舒琴

摘 要：高中物理必修理2中，有許多知識點都必須通過演示各種教學儀器才能表達清楚，特別是像人造衛(wèi)星、近地衛(wèi)星、同步衛(wèi)星和極地衛(wèi)星之間的相對運動關系，一般教師在上課時很難口頭上表達清楚，而且學生也很難想象出這空間關系。通過此演示教具能快速理解掌握此難點問題。同時還講解此教具的具體使用方法。適用于初高中學物理及大專院校物理，教學儀器廠、玩具廠、五金廠均能生產。

關鍵詞：人造衛(wèi)星 自動旋轉教具 設計 使用

一、背景技術

高中物理必修理2中萬有引力與航天的衛(wèi)星問題讓好多學生感到困惑，原因之一是衛(wèi)星種類多，有近地衛(wèi)星、極地衛(wèi)星、同步衛(wèi)星，既要掌握各衛(wèi)星的運動規(guī)律并且還要和地面上物體進行比較，尤其是近地衛(wèi)星與地球表面物體運動規(guī)律的差異更是學生理解上的難點。原因之二是教師對衛(wèi)星規(guī)律的講解停留在理論上，沒有現成的教具幫助學生理解，學生只能通過理論推理了解衛(wèi)星運動規(guī)律，學生不易撐握，且容易遺忘。[1]

二、教學原理

所有的衛(wèi)星都圍繞著地球旋轉，只是各類衛(wèi)星的旋轉半徑和旋轉速度不一樣。地球上的人或事物隨著地球自轉也同時轉動，近地衛(wèi)星離地球最近，可是旋轉的速度最快；同步衛(wèi)星離地球的距離是最近，它旋轉的角速度和地球的角速度一致，兩者間的相對位置為固定的；極地衛(wèi)星離地球的距離最遠，它的角速度可以快也可以慢。

三、設計目標

為克服上述缺陷，旨在提供一種能讓學生在理論基礎上對衛(wèi)星運動有直觀的認識，便于學生理解，使學生留下深刻印象，產生長久記憶衛(wèi)星運動軌跡演示教具及其使用方法。[2]

設計制作出一臺適合各類衛(wèi)星運動時的教學教具，能讓學生一目了然地知道衛(wèi)星軌道半徑越大線速度越小，近地衛(wèi)星的線速度比地球表面物體的線速度要大得多，同步衛(wèi)星軌道面必須與赤道共面，同步衛(wèi)星的角速度與地球自轉角速度相同。使學生很直觀、有效地辨認出赤道上物體、近地衛(wèi)星和同步衛(wèi)星線速度大小關系，順利地解釋同步衛(wèi)星軌道面、角速度的特征。[3]

四、設計技術方案

同步衛(wèi)星的運動方向和地球自轉的方向一致，同步衛(wèi)星在赤道上空相對地球靜止，它繞地球的運動與自轉同步，設計時就可以把同步衛(wèi)星和地球自轉時用同一馬達來帶動控制。[4]

地球儀采用普通的地球儀，為了讓學生能夠清楚的看到相對人或事物，在地球儀赤道表面固定上一個塑料模型人，這樣就可以把人作為我們自己的定位點，來觀察其他衛(wèi)星相對于人的運動情況。地球儀采用標準購買的地球儀，衛(wèi)星采用塑料泡沫根據衛(wèi)星的形狀自己手工制作，可以根據衛(wèi)星的實際樣子，也可以根據自己的想象定制，衛(wèi)星是固定在衛(wèi)星運動軌道上的，軌道做圓周運動時，衛(wèi)星也就跟著做圓周運動了。

同步衛(wèi)星距離地球表面的距離約為地球半徑的5倍，同步衛(wèi)星的運行軌跡半徑就是地球半徑的6倍，這之間盡量要按此尺寸來設計。

近地衛(wèi)星距離地球表面很近，可是轉速卻比地球自轉速度快，需要把近地衛(wèi)星用單獨一個馬達來帶動控制。

極地衛(wèi)星需要在同步衛(wèi)星的外圍，需要更大的運動軌跡，而且運動軌跡必須以地球的兩極為軸心旋轉。設計時需要考慮用獨立的馬達來控制。

極地衛(wèi)星也可以放在一起，而且可以根據實際需要來方便拆卸，要用的時候裝上，不要用的時候拿掉，設計時就需要考慮如何方便拆裝。

為了能夠看清各個衛(wèi)星的運動軌跡，把衛(wèi)星的模型固定在各個衛(wèi)星運行軌跡的鋼圈上，通過鋼圈做圓周運動來帶動衛(wèi)星模型的運動。運動軌跡的鋼圈又用三根鋼條連接。

3.齒輪和3個馬達用齒帶連接，3個齒輪又和3個模型連接，而3個齒輪之間用2根軸來過穿連接，所有的軸用一個垂直的支架來固定。

把地球儀、近地衛(wèi)星、同步衛(wèi)星的軸心都在同一軸心上，通過一個固定的支持柱固定，內部穿入轉動軸，轉動軸上固定齒輪，從而來帶動衛(wèi)星來旋轉，而且3個圓心都是地球儀的中心，

增加極地衛(wèi)星的運動軌跡，用一個更大的圓環(huán)，圓弧的底部連接一塊小鐵塊，小鐵塊與底板之間用螺絲連接，整個圓環(huán)可以做垂直方向的圓周運動，只是不能360的旋轉，只能正反方向各轉120°左右，不能自己旋轉，安裝在軌跡上的極地衛(wèi)星只能靠手工去撥動，軌跡的圓周方向也只能靠手工去擺動。

五、使用方法

步驟一：準備，通過控制器分別調節(jié)地球電機、近地衛(wèi)星電機、同步衛(wèi)星電機和極地衛(wèi)星電機的轉速，使近地衛(wèi)星環(huán)的轉速大于地球儀的轉速，同步衛(wèi)星環(huán)的轉速與地球儀的轉速一樣，極地衛(wèi)星環(huán)的轉速小于地球儀的轉速，同時，把同步衛(wèi)星模型調整到人模的正上方，把近地衛(wèi)星模型與極地衛(wèi)星模型調整到同步衛(wèi)星模型的位置；

步驟二：演示，同時啟動地球電機、近地衛(wèi)星電機、同步衛(wèi)星電機和極地衛(wèi)星電機，或用手工的方法把極地衛(wèi)星模型沿極地衛(wèi)星環(huán)以低于同步衛(wèi)星模型的線速度同向移動。

演示此教具，通過不同轉速的電機來帶動近地、同步、極地衛(wèi)星環(huán)，使固定在其上的近地、同步、極地衛(wèi)星模型繞地球儀轉動，直觀的演示了各種人造衛(wèi)星繞地球運行時的速度，使學生更易于理解與記憶。

結語

通過本發(fā)明的各類人造衛(wèi)星自動旋轉演示教具以及使用方法，讓學生在理論基礎上對衛(wèi)星運動有直觀的認識，便于學生理解，使學生留下深刻印象，產生長久記憶。演示教具在與地球儀赤道共面的情況下設制了一顆近地衛(wèi)星模型、一顆同步衛(wèi)星模型和一顆極地衛(wèi)星模型，能動態(tài)演示地球的自轉和衛(wèi)星的運動?？梢员容^的規(guī)律有衛(wèi)星半徑越大，線速度越??；地球表面物體和近地衛(wèi)星的規(guī)律；地球表面物體和同步衛(wèi)星的規(guī)律。

參考文獻

[1]顧勁揚，勵建安：同步衛(wèi)星、近地衛(wèi)星和赤道上物體問題分析.《新高考：高一物理》2014（2）

[2]趙素英：赤道上物體、近地衛(wèi)星、同步衛(wèi)星的區(qū)別.《數理化學習》， 2009（6）

[3]王書祥：衛(wèi)星運動的幾個常見問題.《考試周刊》， 2010（43）：174-175

[4]王杰民：天體軌道演示儀.專利CN8720854491987-05-25endprint