研究性學習課題實例
2008-12-31 00:00:00裴茹
物理教學探討 2008年9期
“嫦娥一號”代表我國高科技發展的水平，為此，我講了一節物理研究性學習課，課題為“嫦娥一號”中的物理學原理。其設計和實施過程如下：
1 課題目標
（1）學生自主探索“嫦娥一號”中的物理學原理。（2）在探索中培養學生解決實際問題的物理問題的能力，使他們掌握到物理研究的基本方法。
2 課題設計
奔月歷程→物理原理→實驗模擬→總結結論
（1）發射過程→牛頓第三定律、牛頓第二定律→水火箭→真空中靠反作用力提供動力。
（2）變軌過程→萬有引力定律、向心力公式、勻速圓周運動條件、離心運動條件和“近心”運動條件→“水流星”實驗、FLASH動畫模擬→發射速度達到7.9km/s以上，速度越大，橢圓軌道越扁。
（3）近月制動過程→牛頓第二定律、萬有引力定律、向心力公式、→計算速度值v0→v= v0 俘獲，v>v0 飛離，v< v0 撞月。
（4）科學勘探過程——查閱網絡學習。
以上每段過程的講解采用先實驗探究再挖掘物理原理最后總結結論的方法。
3 學生研究過程
課前，將學生分為四個小組，分別研究發射過程、變軌過程、近月制動過程和科學勘探過程，而且可交叉研究。
發射過程——第一小組講解
學生用水火箭演示，如圖1所示，用打氣筒充氣，使水向下噴出，同時可樂瓶向上飛起。
學生解釋，根據牛頓第三定律，火箭向下噴氣，可獲得向上的反作用力，即推力F，這個推力F大于火箭重力mg，使火箭上升。根據牛頓第二定律可知： F - mg = ma 。同理，在運行中向后噴氣可加速，向前噴氣可減速。
在火箭發射過程中，推力F做正功，而重力mg和阻力f做負功，可使火箭速度加速到v，只有v≧7.9km/s，才能使火箭上的衛星繞地球運行而不落地。
即： WF - WG - Wf=(1/2)mv2。
變軌過程——第二小組講解
學生首先做“水流星”實驗，如圖2所示，說明做圓周運動的物體需要向心力。然后說明：火箭首先將“嫦娥”送入近地軌道，若衛星作勻速圓周運動，則萬有引力提供向心力，GMm/r2 = mv12/r可認為 r = R ，v1 =(GM/R)1/2。
可見，“嫦娥一號”要想奔月，必須將近地圓軌道變為橢圓軌道，這樣才能接近月球，這就叫“變軌”。學生繼續做“水流星”實驗（用空桶，以免水灑出），——減小拉力，桶做離心運動。
學生利用FLASH動畫繼續說明：
若在A點加速，這時萬有引力沒有變化，但mv2/r增大，即萬有引力不足以提供向心力，F < mv2/r。 嫦娥一號將做離心運動，進入超同步軌道，進行四次變軌后，進入月球轉移軌道。
近月制動過程——第三組講解
學生解釋，要想由繞地球轉的衛星變為月球衛星，需要滿足月球對衛星的萬有引力恰好提供所需向心力，F月 = mv2/r月。主講人說，請同學們計算——嫦娥一號應將速度變為多少？
科學勘探過程——第四組講解
學生通過在網上查閱資料獲知：嫦娥一號主要用于獲取月球表面三維影像、分析月球表面有關物質元素的分布特點、探測月壤厚度、探測地月空間環境等。在嫦娥一號上搭載了8種24臺件科學探測儀器，重130kg，有效載荷包括CCD立體相機、成像光譜儀、太陽宇宙射線監測器和低能粒子探測器等科學探測儀器。
(欄目編輯黃懋恩)
注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。
