十六春秋繞落回 深度研究提素養(yǎng)

金嵩洲 陳新

摘 要：以“嫦娥五號(hào)”為素材，以“射、繞、落、接、回”等過程為主線，依據(jù)情景、設(shè)置問題、編制習(xí)題，學(xué)生在情景解讀、習(xí)題解析、問題解決過程中，關(guān)鍵能力與核心素養(yǎng)得以提升.

關(guān)鍵詞：嫦娥五號(hào);問題設(shè)置;關(guān)鍵能力

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1008-4134（2021）09-0064-02

作者簡(jiǎn)介：金嵩洲（1980-），男，浙江上虞人，本科，中學(xué)高級(jí)教師，研究方向：中學(xué)物理教學(xué);

陳新（1968-），男，浙江上虞人，碩士，中學(xué)高級(jí)教師，研究方向：課堂教學(xué)、命題，青年教師培優(yōu).

1 力拔山河奔蒼穹

地面發(fā)射：長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭全長(zhǎng)約60m，起飛最大質(zhì)量約870噸，起飛最大推力約1.06×107N.

根據(jù)上述素材，我們可以設(shè)置時(shí)間、位移、單位制類簡(jiǎn)單概念題， 也可以從動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)角度設(shè)置問題，還可以設(shè)置超重、失重類問題等.

例題1 承擔(dān)嫦娥五號(hào)探測(cè)器發(fā)射任務(wù)的長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭，是我國(guó)新一代大推力火箭，箭體全長(zhǎng)約60m.在點(diǎn)火瞬間，發(fā)動(dòng)機(jī)提供1.0×107N的推力，成功將探測(cè)器送入預(yù)定軌道.假設(shè)火箭在豎直升空的起始階段加速度可視為恒定，圖1為試驗(yàn)發(fā)射后第5s末的照片.地表重力加速度取g=10m/s2.不考慮點(diǎn)火瞬間質(zhì)量的變化，則點(diǎn)火瞬間箭體總質(zhì)量約為

A.8.0×104kg B.8.0×105kg

C.8.0×106kg D.4.0×106kg

解讀：本題教與學(xué)可從以下幾方面展開：（1）讀圖、估算能力.從圖示、照片中獲取信息，將箭體全長(zhǎng)60m這一信息與圖中刻度結(jié)合，估算位移.（2）運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)處理問題的能力.加速度的計(jì)算.（3）受力分析和牛頓第二定律綜合運(yùn)用的能力.箭體總質(zhì)量的計(jì)算……思維一波三折，能力要求高.

2 成竹在胸繞月飛

剎車捕獲：2020年11月28日，嫦娥五號(hào)探測(cè)器在月球上空進(jìn)行兩次制動(dòng)，進(jìn)入預(yù)定軌道.第一次剎車，先被月球引力捕獲，在一個(gè)周期約為8小時(shí)的環(huán)月橢圓軌道I上運(yùn)動(dòng);第二次成功近月制動(dòng)后進(jìn)入高度約為h=200km的環(huán)月圓軌道，探測(cè)器環(huán)月飛行周期約為T=126.93min.已知月球半徑為R月=1.738×106m.

根據(jù)上述素材，我們可以求中心天體質(zhì)量、平均密度;設(shè)置變軌類問題;可以定性比較橢圓軌道和圓軌道的運(yùn)行速度等參量;可以對(duì)環(huán)月圓軌道運(yùn)動(dòng)參量進(jìn)行定量求解等.

例題2 （2021-1浙江選考）嫦娥五號(hào)探測(cè)器是我國(guó)首個(gè)實(shí)施月面采樣返回的航天器，由軌道器、返回器、著陸器和上升器等多個(gè)部分組成.為等待月面采集的樣品，軌道器與返回器的組合體環(huán)月做圓周運(yùn)動(dòng).已知引力常量G=6.67×10-11N·m2/kg2，地球質(zhì)量m1=6.0×1024kg，月球質(zhì)量m2=7.3×1022kg，月地距離r1=3.8×105km，月球半徑r2=1.7×103km.當(dāng)軌道器與返回器的組合體在月球表面上方約200km處做環(huán)月勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，其環(huán)繞速度約為

A.16m/s B.1.1×102m/s

C.1.6×103m/s D.1.4×104m/s

解讀：本題教與學(xué)可從以下幾方面展開：

（1）對(duì)象建模能力.研究誰繞誰轉(zhuǎn).（2）數(shù)據(jù)分析遴選能力.本題給出多余數(shù)據(jù)，有干擾，學(xué)生需正確選取有效信息.（3）運(yùn)用規(guī)律解決問題能力.萬有引力定律與圓周運(yùn)動(dòng)模型結(jié)合，分析計(jì)算……

3 地月變換顯差異

月面工作：嫦娥五號(hào)探測(cè)器在月面的主要工作是采樣挖土，這也是我國(guó)首次月面自動(dòng)采樣.可以依托“月面”“地面”工作環(huán)境，設(shè)置月面起降運(yùn)動(dòng)類、月面機(jī)車啟動(dòng)類、太陽能電池吸能放能類問題等.

例題3 在離地球表面和離月球表面高5m處，由靜止各釋放一片小樹葉，小樹葉落到地球表面和月球表面的時(shí)間分別為

A.0.5s 2.56s B.1s 2.56s

C.2.56s 1s D.4s 2.56s

解讀：本題教與學(xué)可從以下幾方面展開：

（1）外部環(huán)境變化的洞察能力.月球表面和地球表面重力加速度不同，月球表面幾乎沒有大氣.（2）模型成立的條件分析.研究自由落體運(yùn)動(dòng)是不是無條件成立的？（3）具體物體抽象建模能力.在地面附近，樹葉的下落能不能忽略空氣阻力，能不能看成是自由落體運(yùn)動(dòng);月球表面附近又如何？換作石頭類重物又如何……

4 萬里穿針“會(huì)與接”

交會(huì)對(duì)接：軌道器與返回器的組合體逐步靠近上升器，以抓抱方式捕獲上升器，完成交會(huì)對(duì)接.形象地說就是“一大追一小，一抓連一抱”，難度相當(dāng)于在萬里之外穿針引線.

根據(jù)上述素材，可以設(shè)置對(duì)接信號(hào)傳輸類概念辨析問題;設(shè)置動(dòng)量守恒類問題;甚至可以定性分析對(duì)接位置的窗口期問題等.

例題4 （多選）嫦娥五號(hào)探測(cè)器月球表面土壤采樣完成后，攜帶土壤樣品的總質(zhì)量為m1的上升器在月面升空，開啟返程之旅.在預(yù)定交會(huì)對(duì)接區(qū)域，質(zhì)量為m2的軌道器與返回器的組合體（簡(jiǎn)稱“軌返體”）以速度v2追上并迅速捕獲速度為v1的上升器，成功完成交會(huì)對(duì)接，并以共同速度v共飛行幾秒鐘.假設(shè)整個(gè)交會(huì)對(duì)接過程可看作在一直線上完成.則

A.共同速度大小為v共=m1v1+m2v2m1+m2

B.整個(gè)交會(huì)對(duì)接過程系統(tǒng)機(jī)械能守恒

C.整個(gè)交會(huì)對(duì)接過程系統(tǒng)機(jī)械能損失約為12m2v22-12m1v21

D.交會(huì)對(duì)接過程，軌返體對(duì)上升器的沖量約為m1v共-m1v1

解讀：本題教與學(xué)可從以下幾方面展開：

（1）過程建模能力.對(duì)接過程本質(zhì)是完全非彈性碰撞模型.（2）綜合利用動(dòng)量、能量解決問題的能力.（3）動(dòng)力學(xué)知識(shí)求質(zhì)量.若已知軌返體對(duì)上升器的沖量及上升器的速度變化，如何求上升器質(zhì)量……

5 歸心似箭“打水漂”

返回地球：返回器第一次進(jìn)入大氣層一定“深度”后，調(diào)整姿態(tài)，再次升高，其速度進(jìn)一步降低至第一宇宙速度以下，返回器再次下落，返回地球.

根據(jù)上述素材，可以設(shè)置做功與能量問題;設(shè)置下落過程的受力問題;設(shè)置下落過程極限加速度與宇航員安全問題等.

例題5 （多選）“太空水漂”，術(shù)語稱“半彈道跳躍式返回”，即在返回器第一次進(jìn)入大氣層一定“深度”后，調(diào)整姿態(tài)，使其再次升高，其速度會(huì)進(jìn)一步降低，然后再次返回地球（如圖3）.2020年嫦娥五號(hào)返回器在距地面高度約120km處，以接近第二宇宙速度（約11.2km/s）高速進(jìn)入地球大氣層外層A點(diǎn)，實(shí)施初次氣動(dòng)減速.下降至預(yù)定高度E點(diǎn)附近（圖中E點(diǎn)為AB段的最低點(diǎn)），返回器調(diào)整姿態(tài)，向上躍出大氣層，到達(dá)最高點(diǎn)F后又開始下降，之后再次進(jìn)入大氣層外層，到達(dá)圖中C點(diǎn)時(shí)速度約為7.9km/s，實(shí)施第二次氣動(dòng)減速.在降至距地面約10km高度時(shí)，打開降落傘完成最后階段減速并保持姿態(tài)穩(wěn)定，最終平穩(wěn)著陸在內(nèi)蒙古四子王旗預(yù)設(shè)區(qū)域，圖中D點(diǎn).其中A、B、C在同一高度上，高度120km之外空氣阻力可忽略不計(jì).返回器質(zhì)量設(shè)為300kg.則

A.從A點(diǎn)到C點(diǎn)過程中返回器克服大氣層阻力做功約為9.45×109J

B.B點(diǎn)到C點(diǎn)過程中，返回器機(jī)械能守恒

C.返回器在F點(diǎn)的瞬時(shí)加速度為零

D.返回器從C點(diǎn)到D點(diǎn)運(yùn)動(dòng)過程始終處于失重狀態(tài)

解讀：本題教與學(xué)可從以下幾方面展開：

（1）過程分析能力.做功始末位置的選取及分析計(jì)算.（2）特定位置、狀態(tài)的分析.如F點(diǎn)的力、能、速度、加速度等.（3）規(guī)律是否成立的條件判斷能力.如哪些位置返回器仍滿足機(jī)械能守恒定律……

（收稿日期：2021-02-14）