“進(jìn)無止境”的宇宙航行

韓志祥

摘? ?要：物理教學(xué)中的“情感、態(tài)度與價值觀”教育一直處于薄弱環(huán)節(jié)，核心素養(yǎng)的提出為之開辟了一條新的道路。文章采取知識教學(xué)和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任教育雙線并舉、相互輔助的策略，在探索宇宙航行的物理過程中讓學(xué)生領(lǐng)悟到“進(jìn)無止境”的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。

關(guān)鍵詞：進(jìn)無止境;萬有引力;宇宙航行

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2019）12-0053-5

1? ? “情感、態(tài)度與價值觀”實施的困局

上一輪課程改革提出的三維目標(biāo)影響深遠(yuǎn)，使人們的教學(xué)觀念發(fā)生了改變，從僅關(guān)注“知識與技能”層面，拓寬到了“過程與方法”“情感、態(tài)度與價值觀”，面變寬了，但三者之間的內(nèi)在聯(lián)系不強(qiáng)，特別是“情感、態(tài)度與價值觀”目標(biāo)很難自然融入到前兩者之內(nèi)，課堂中普遍出現(xiàn)要么忽視、要么一帶而過的現(xiàn)象，導(dǎo)致“情感、態(tài)度與價值觀”目標(biāo)很難達(dá)成。

2? ? 核心素養(yǎng)的破冰

每一個學(xué)生都是知情意行的統(tǒng)一體，物理核心素養(yǎng)中明確提出了“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”素養(yǎng)[1]，它是指在認(rèn)識科學(xué)本質(zhì)，理解科學(xué)·技術(shù)·社會·環(huán)境關(guān)系的基礎(chǔ)上，逐漸形成的對科學(xué)和技術(shù)應(yīng)有的正確態(tài)度和責(zé)任感。其采取的策略是將科學(xué)態(tài)度與責(zé)任教育融入到對科學(xué)觀念的探究過程中，知情意并行，相互輔助。

3? ? “進(jìn)無止境”的宇宙航行

人教版高中物理必修二第六章第5節(jié)的“宇宙航行”[2]是人類對未知世界不懈探索的典型案例，有振奮人心的成功，也有慘痛的失敗，但人類一直在進(jìn)步。其中涉及到的物理原理是什么？內(nèi)在的動力又是什么？圍繞這兩大問題，本節(jié)課設(shè)計的主要思路為兩條線：知識線是探究宇宙航行過程中的物理學(xué)原理，科學(xué)態(tài)度與責(zé)任線則為人類對科學(xué)本質(zhì)永無止境的探索精神及動力。

3.1? ? 回顧圓周運(yùn)動的動力學(xué)條件

如圖1所示，物體開始處于半徑為R的圓軌道上。

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圖1? 物體處于半徑為R的圓軌道上

1.在軌運(yùn)行

當(dāng)徑向合力等于向心力時，就能確保在軌道上穩(wěn)定運(yùn)行。

2.向心運(yùn)動

當(dāng)徑向合力大于向心力時，R變小，做向心運(yùn)動。

3.離心運(yùn)動

當(dāng)徑向合力小于向心力時，R變大，做離心運(yùn)動。

總結(jié)：徑向合力大小與向心力大小的關(guān)系決定著物體的運(yùn)動軌道。

【設(shè)計意圖：搭建支架，幫助學(xué)生理解后續(xù)的分析方法?！?/p>

3.2? ? 牛頓的遐想

1.離開地面

牛頓當(dāng)時在思考月地檢驗的時候，一直沒有能夠找到與月球一樣繞地球轉(zhuǎn)動的物體，他在建立萬有引力定律后，便開始思考能否制造出一個像月亮一樣繞地球轉(zhuǎn)動的物體（人造衛(wèi)星）。

（1）重演牛頓的高山遐想

如圖2（a）所示，教師站在椅子上，手里拿著紅粉筆，依次以越來越大的水平初速度拋出，學(xué)生甲在黑板上依次畫出粉筆在圖2（a）以及圖2（b）中的運(yùn)動軌跡。

（2）論證離開地面的可能性

教師：粉筆做什么運(yùn)動？

【設(shè)計意圖：引導(dǎo)學(xué)生的思路回到利用圓周運(yùn)動規(guī)律分析問題的道路上?！?/p>

學(xué)生分析：如果初速度較小，粉筆的運(yùn)動可以看成平拋，但如果速度越來越大，粉筆受到的地心引力方向不斷變化，所以，不能按照平拋運(yùn)動的規(guī)律處理，應(yīng)該按照圓周運(yùn)動的動力學(xué)條件分析。

如圖2（c）所示，讓學(xué)生乙畫出拋出點處的地球引力和向心力之間的矢量對比圖。

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（a）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （b）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （c）

圖2? 重演牛頓高山遐想

從圖中可以看出：

開始時，粉筆的拋出速度較小，引力大于向心力，所以做向心運(yùn)動。后來拋出的速度越來越大，落地點離拋出點越來越遠(yuǎn)，當(dāng)速度增加到使向心力等于引力，粉筆就會在軌穩(wěn)定運(yùn)行。

（3）第一宇宙速度

這是人類想要離開地面，邁入太空的關(guān)鍵第一步，是物體保持在近地軌道上穩(wěn)定運(yùn)行必須具備的最小發(fā)射速度，也叫第一宇宙速度。利用公式：

G■=m■，可得v=■=7.9 km/s。

從上面的推理可以看出，離地面越近速度越快，這個物體的環(huán)繞速度顯然比月球要快，是所有環(huán)繞衛(wèi)星中速度最大的。所以，第一宇宙速度也叫最大環(huán)繞速度。

2.掙脫地球

（1）繼續(xù)重演高山遐想

如圖3所示，教師以更大的初速度繼續(xù)扔粉筆，學(xué)生甲繼續(xù)畫軌跡，學(xué)生乙繼續(xù)標(biāo)兩力的大小關(guān)系。

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圖3? 掙脫地球的演示

（2）論證掙脫地球的可能性

教師：根據(jù)學(xué)生甲畫出的橢圓軌道可知，如果只有地球引力作用，當(dāng)物體離地球越來越遠(yuǎn)，地球?qū)ζ涫`也越來越小，只在地球引力作用下，該物體一定會回來，可現(xiàn)實又是怎樣？

學(xué)生：考慮受到太陽的吸引，物體離地球過遠(yuǎn)就容易被太陽所俘獲，從而掙脫地球的束縛，繞太陽轉(zhuǎn)動。

（3）第二宇宙速度

掙脫地球束縛的最小發(fā)射速度叫第二宇宙速度。

3.掙脫太陽

同理可得：如果發(fā)射速度足夠大，物體由于離太陽過遠(yuǎn)就容易被太陽系外的天體所俘獲，從而掙脫太陽的束縛，繞太陽系外的天體轉(zhuǎn)動。掙脫太陽束縛的最小發(fā)射速度叫第三宇宙速度。

4.牛頓繼續(xù)遐想著……

3.3? ?遐想變現(xiàn)實

牛頓的遐想經(jīng)過人類兩百多年的不懈努力，逐步變成了現(xiàn)實。

1.近地衛(wèi)星

播放視頻：圖4為我國嫦娥三號發(fā)射的第一階段的各個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

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圖4? 嫦娥三號發(fā)射的關(guān)鍵環(huán)節(jié)

在觀看每一級火箭的分離過程中，介紹齊奧爾科夫斯基的三級火箭理論，幫助學(xué)生理解第一宇宙速度的達(dá)成需要高效的運(yùn)載工具，特別提醒學(xué)生關(guān)注視頻中的數(shù)據(jù)和現(xiàn)象：開始時，火箭燃料的燃燒速率為1.5 t/s，經(jīng)過1187 s的飛行，最終嫦娥三號的高度為189.216 km，速率為7.870 km/s，嫦娥三號進(jìn)入近地停泊軌道后仍然需要改變姿態(tài)。

【設(shè)計意圖：讓學(xué)生充分體會到牛頓遐想中的讓物體在近地軌道上穩(wěn)定運(yùn)行并不是那么輕松，而是經(jīng)歷了上述艱難的歷程后才能達(dá)到的。】

2.同步衛(wèi)星

（1）同步衛(wèi)星的需求分析

①生活經(jīng)驗：我們身邊有很多信號塔，它能夠接收與發(fā)射手機(jī)信號，為了使得信號穩(wěn)定，塔臺一般都是固定的。考慮地球自轉(zhuǎn)，塔臺和接收裝備的運(yùn)動有何共同點？

②模擬實驗：如圖5所示，利用地球儀模擬塔臺跟著地球一起做繞地軸上某點的勻速圓周運(yùn)動，從而發(fā)現(xiàn)它們具有共同的角速度及周期。

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圖5? 利用地球儀模擬塔臺

③聚焦問題：要想信號覆蓋范圍更廣，必須將塔臺建得越來越高。但建設(shè)太高的塔臺既不經(jīng)濟(jì)，也不實際。既然近地衛(wèi)星已經(jīng)發(fā)射成功，能否發(fā)射一顆與塔臺一樣效果的衛(wèi)星呢？

【設(shè)計意圖：創(chuàng)設(shè)情境，幫助學(xué)生抓住“同步”的物理含義，理解對同步衛(wèi)星的需求?！?/p>

（2）探究同步衛(wèi)星的特點

①可否發(fā)射一顆近地衛(wèi)星實現(xiàn)通訊塔臺的功能？

學(xué)生：不可以，近地衛(wèi)星繞行很快，無法實現(xiàn)與地球自轉(zhuǎn)的同步。

②衛(wèi)星的“同步”是指什么？

讓衛(wèi)星與塔臺具有相同的特征，即與地球自轉(zhuǎn)具有相同的角速度及周期，始終相對地面靜止。

③同步衛(wèi)星能在我們城市上空像塔臺那樣實現(xiàn)同步嗎？

如圖6所示，因為衛(wèi)星所受引力指向地心，而B點處的向心力指向地軸，將萬有引力分解，確實可以滿足向心力的需求。但是，另一個分力卻指向了赤道平面，這樣的軌道是不穩(wěn)定的，會往赤道平面?zhèn)纫啤?/p>

④到了赤道平面后就一定能實現(xiàn)同步嗎？

根據(jù)同步衛(wèi)星的周期必須是24 h，利用萬有引力提供向心力求解：

G■=m■=m■

r=■=■=4.244×104 km，H=r-R≈3.6×104 km

它的線速度大小也是定值：v=3.1 km/s。

【設(shè)計意圖：以問題為線索，幫助學(xué)生逐步完善同步衛(wèi)星的設(shè)計方案?！?/p>

⑤同步衛(wèi)星的特點

因為要與地球自轉(zhuǎn)同步，且周期T=24 h，所以，它必須發(fā)射到赤道上空固定軌道高度處。

（3）探尋同步衛(wèi)星的發(fā)射過程

同步衛(wèi)星的高度達(dá)到了約三萬六千公里，發(fā)射一顆離地高度不到兩百公里的近地衛(wèi)星就消耗了火箭的絕大多數(shù)燃料，顯然，直接將其送入同步軌道既不經(jīng)濟(jì)，也不實際。如何才能將同步衛(wèi)星送入那么高的軌道呢？

同步衛(wèi)星發(fā)射的整個過程如圖7所示。

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圖7? 同步衛(wèi)星發(fā)射

①近地停泊軌道

此過程與發(fā)射近地衛(wèi)星一樣。

②近地點點火加速

調(diào)整好姿態(tài)后，衛(wèi)星在A點處點火加速，然后關(guān)閉發(fā)動機(jī)，由于加速后的向心力超過了衛(wèi)星所在處的萬有引力，于是便做離心運(yùn)動，軌道變成了橢圓狀，即進(jìn)入了轉(zhuǎn)移軌道。如果只考慮地球引力，衛(wèi)星還會回來，一直在轉(zhuǎn)移軌道上做橢圓運(yùn)動，此過程中衛(wèi)星不需要消耗燃料。

③遠(yuǎn)地點點火加速

保持橢圓軌道穩(wěn)定運(yùn)行一段時間后，衛(wèi)星到達(dá)遠(yuǎn)地點B時，發(fā)動機(jī)再次點火加速，使得速度增大到同步衛(wèi)星軌道速度3.1 km/s，由于此時引力等于向心力，衛(wèi)星最終進(jìn)入同步軌道。

3.發(fā)射衛(wèi)星過程中的曲折

在人類利用萬有引力定律嘗試探索宇宙的過程中，也發(fā)生了一些令人痛心的災(zāi)難。

如圖8所示，播放圖片和視頻，并呈現(xiàn)表1。

教師：人類就此停下腳步了嗎？

資料呈現(xiàn)：

在阿波羅1號的試驗飛船火災(zāi)中遇難的格里森，生前曾說過一段感人的話：“要是我們死亡，大家要把它當(dāng)作一件尋常的普通事情，我們從事的是一種冒險的事業(yè)。萬一發(fā)生意外，不要耽擱計劃的進(jìn)展。征服太空是值得冒險的。”

4.探月歷程

播放視頻：共同見證美國阿波羅11號登月以及中國嫦娥三號登月的歷史時刻。

（1）阿波羅11號登月

如圖9所示，阿姆斯特朗登上月球，留下腳印，并說：“Thats one small step for man， one giant leap for mankind.”

（2）嫦娥三號登月

如圖10所示，2013年嫦娥三號登月，玉兔號在月球表面留下了中國印記。

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圖9? 月球上的腳印? ? ? ? ? 圖10? 嫦娥三號登月

5.火星探測

播放視頻：“勇氣號”“好奇號”登陸火星的過程。

（1）“勇氣號”登陸火星

如圖11所示，“勇氣號”探測器首先通過減速降低軌道，進(jìn)入火星大氣層后，探測器著陸依次采取了降落傘減速、反沖發(fā)動機(jī)減速以及充氣氣囊緩沖的方式。

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圖11? “勇氣號”登陸火星

不平凡的歷程：

2003年6月10日，發(fā)射升空。

2004年1月3日，著陸火星表面。

2011年3月22日，NASA最后一次聯(lián)絡(luò)上“勇氣號”。

（2）“好奇號”登陸火星

在吸取了“勇氣號”探測器著陸過程中的教訓(xùn)后，如圖12所示，“好奇號”探測器登陸過程中除采用降落傘外，人們升級了火星著陸技術(shù)，采取“升降機(jī)”的方式讓探測器平穩(wěn)著陸。

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圖12? “好奇號”登陸火星

不平凡的歷程：

2011年11月26日，發(fā)射升空。

2012年8月6日，著陸火星表面。

2012年8月22日，一臺風(fēng)況顯示傳感器損壞。

2013年3月1日，兩臺機(jī)載計算機(jī)故障，進(jìn)入名為“安全模式”的最小活動狀態(tài)。

2013年9月26日，發(fā)現(xiàn)火星表面土壤按重量算約2%是水分。

2015年6月18日，在火星隕石樣本中發(fā)現(xiàn)大量甲烷，證明了火星上有微生物存在。

（3）中國的火星探測計劃

2016年1月11日，中國正式批復(fù)首次火星探測任務(wù)，中國火星探測任務(wù)正式立項，并將在2020年左右發(fā)射一顆火星探測衛(wèi)星。

6.人類宇宙航行的最新消息

NASA預(yù)計在2020年左右發(fā)射一艘潛水飛船著陸木衛(wèi)二，利用核動力破冰裝置打穿數(shù)公里厚的冰層。

……

人類在宇宙航行的過程中“進(jìn)無止境”。

3.4? ? 揭開人類探索宇宙的動力

教師：人類之所以如此樂此不疲地探索宇宙的奧秘，原因是什么？

學(xué)生：源于好奇心，它驅(qū)動著人類不斷發(fā)現(xiàn)真理。

教師：宇宙航行過程中經(jīng)常會遭遇挫折，人類最需要什么？

學(xué)生：勇氣。

【設(shè)計意圖：美國火星探測器的名字非常耐人尋味：“勇氣號”與“好奇號”，這是最好的教育素材，能夠觸發(fā)學(xué)生的情感，并達(dá)到集中迸發(fā)?！?/p>

4? ? 小? 結(jié)

在科學(xué)探究的過程中，將知識教學(xué)和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任教育相結(jié)合，不僅培養(yǎng)了物理觀念，訓(xùn)練了科學(xué)思維，更幫助學(xué)生樹立起科學(xué)態(tài)度與責(zé)任意識，從而提升物理核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書物理2必修[M].北京：人民教育出版社，2010：44-45.

（欄目編輯? ? 羅琬華）