宇宙航行教學中的問題設置

魏平軍

(石家莊市第一中學 河北 石家莊 050011)

1 問題設置前的準備

1．1 教材分析

本節內容為萬有引力定律的應用，可分為兩個部分：宇宙速度和夢想成真．

宇宙速度部分涉及的規律有萬有引力定律及圓周運動相關規律．課堂中重點內容是需推導出第一宇宙速度表達式，同時了解第二、第三宇宙速度，理解各宇宙速度的物理含義．教學中可補充衛星環繞速度等相關量的計算(含同步衛星)及衛星變軌問題．本部分可涉及的物理方法有邏輯推理法和類比法．

夢想成真部分是進行情感教育很好的素材．通過展示人類在宇宙航行領域中的偉大成就，激發學生學習物理的熱情．可涉及的物理方法有科學想象，另外也可培養學生查找和整合信息的能力．

因對課本內容進行了補充及課堂上需展示小組成果，所以計劃兩課時完成．

1.2 尋找素材

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

2 問題設置

問題1：資料(1)在1687年出版的《自然哲學的數學原理》中，牛頓設想，把物體從高山上水平拋出，速度一次比一次大，落地點也就一次比一次遠．如果速度足夠大，物體就不再落回地面，它將繞地球運動，成為人造地球衛星．

請利用所學知識求解這個速度．

問題2：如果想在火星表面發射一顆衛星，你認為至少需要多大的速度呢？需要知道哪些數據就可以計算出來．

設計說明：在學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．同時也拓寬了對宇宙速度的理解，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，物體會做怎樣的運動？

設計說明：此問題雖然結果是唯一的，但是學生出現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，同時離心運動的復習也為后邊解決變軌問題奠定基礎．

問題4：資料(2)我國火星探測將分“繞、落、回”三步走．由中俄聯合的探測火星活動計劃將于今年年底前實施，屆時我國首個火星探測器“螢火一號”將會發射升空，實現第一步“繞”．

思考與討論：

(1)探測器在什么條件下才能掙脫地球的束縛前往火星？

(2)如果探測器要返回，在什么條件下探測器可以掙脫火星的束縛？

設計說明：此問題的設置思路同問題2類似，主要是為了鞏固對第二宇宙速度的理解．同時通過資料的展示讓學生了解到我國對于火星探測工作處于什么樣的一個階段．

問題5：資料(3)1984年4月我國成功地發射了一顆地球同步通訊衛星，標志著我國航天事業一個新的起點．

同步衛星總是相對于地面靜止．請同學們思考討論同步衛星的軌道應該是什么樣的呢？

設計說明：最初想設置為“請討論同步衛星具有哪些特點”． 但是這樣問題顯得太大，學生在討論時不易形成共識，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，學生所得結果有多種可能．學生在探討過程中會逐步加深對衛星軌道平面必過地心及同步衛星軌道平面必在赤道面內這個知識點的理解．

問題6：如圖1所示，在發射地球同步衛星時，先將衛星發射到近地圓軌道1，然后經點火使其沿橢圓軌道2運行，最后再次點火，將衛星送入同步圓軌道3．軌道1與2相切于Q點，軌道2與3相切于P點.

在圖中，當衛星分別在1，2，3軌道上正常運行時，請判斷

(1)衛星在軌道1與軌道3上的速率大小關系；

(2)衛星在軌道1上經過Q點時的速率與它在軌道2上經過Q點時的速率大小關系；

(3)衛星在軌道2上經過P點時的速率與它在軌道3上經過P點時的速率大小關系．

圖1 發射地球同步衛星的變軌

設計說明：變軌問題是本部分的難點，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小問題，當小問題解決后，難點也就突破了．問題3的設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，請小組展示(分人類探月、火星探測、神舟系列簡介)．

設計說明：此問題是提前布置的，課上直接讓小組代表展示．要求組內成員搜集資料，之后組內整合，課堂上代表展示．目的一是為了讓學生了解在萬有引力定律的基礎上現代宇宙航行取得了哪些成就，培養民族自豪感，激發學習物理的興趣；二是為了鍛煉學生搜集資料整合資料的能力．