去火星

李佩寧

2013年，荷蘭非營利組織“火星一號”曾宣布一個計劃，將在全球海選數人前往火星，甚至在那里定居，一旦登陸火星，就無法重返地球。這一組織在兩周內收到大約7.8萬份移民火星的申請。應征者數量最多的是美國，17324人；其次是中國10241人；英國有3581人。如果說這個舊聞有些幻想色彩，那么從中國腳踏實地的航天計劃來看，火星探測計劃已經悄悄啟動。早在2011年發射的“螢火一號”會是該計劃的首顆火星探測器。2016年3月，航天專家葉培建透露，中國準備在2020年發射火星探測器，并于次年登陸火星。

在宏大的火星探索計劃中，載人宇宙飛船著陸是非常重要和艱巨的任務。試想，飛行器的運行速度高達每小時29000公里，在接近目標時，速度要放緩，還必須要保證人的安全。這樣的事要如何完成呢？對于學生而言，有必要關注這些問題解決的出發點和方向，因為也許有一天，將會由他們踏上火星的紅色土地。

一、課程重點

試著討論宇宙飛船著陸可能要面臨的方方面面的問題，就是本課程的核心內容。

【涉及領域】航空技術、物理學、社會學、數學

【建議年級】5年級以上

【建議時間】125分鐘

【建議材料】（每組）紙杯1個、毛根5根、手掌大小的硬紙板2塊、吸管4根、氣球1個、皮筋2個、毛絨球3個、白紙1張、膠帶足量、紗線足量（測量用）、剪刀、鉛筆

二、課程任務

介紹與宇宙飛船航行和著陸相關的先備知識，檢查學生對主要概念的理解。借助身邊的材料來制作簡單的宇宙飛船著陸的模型，借此來說明和探討在真正的宇宙飛船著陸火星的時候需要考慮的問題和解決途徑，并從中體會太空探索的困難和危險性。

三、課程步驟

1.導入（25分鐘）

【第一步】介紹火星。火星（Mars）是太陽系八大行星之一，是太陽系由內往外數的第四顆行星，屬于類地行星，直徑約為地球的一半，自轉軸傾角、自轉周期均與地球相近，公轉一周約為地球公轉時間的兩倍。火星的重力是地球的2/5，表面積只有地球的1/4，體積只有地球的15%，質量只有地球的11%。在西方稱為“戰神瑪爾斯”，中國則稱為“熒惑”。橘紅色外表是因為地表的赤鐵礦（氧化鐵）。火星基本上是沙漠行星，地表沙丘、礫石遍布。二氧化碳為主的大氣既稀薄又寒冷，沙塵懸浮其中，每年常有塵暴發生。火星兩極皆有水冰與干冰組成的極冠，會隨著季節消長。火星從地球上肉眼可見，比金星、月球和太陽暗，但在大部分時間里比木星亮。2015年9月2日，美國宇航局公布火星勘測軌道飛行器拍攝的火星地表，并用顏色編碼的形式展示出來；9月28日，美國航天局宣布，在火星表面發現液態水。

【第二步】引導學生關注宇宙飛船降落會遇到的困難，提示學生，引發探討和歸納，著陸主要會遇到諸如以下困難或更多：

（1）減速問題；

（2）防止旋轉問題（飛行姿態的調整）；

（3）耐摩擦高溫問題。

【第三步】教師列舉一些需要提前掌握的必要的概念，并簡單講解。以下是各個小組針對挑戰性的任務進行頭腦風暴時，要理解和應用的一些主要概念：

（1）空氣阻力：指空氣對運動物體的阻礙力，是運動物體受到空氣的彈力而產生的。火星上雖然空氣稀薄，但是空氣阻力仍不能忽略。

（2）力的平衡：在力學系統里，平衡是指物體受到幾個力的作用，仍保持靜止狀態，或勻速直線運動狀態，或繞軸勻速轉動的狀態，叫做物體處于平衡狀態，簡稱“平衡”。在宇宙飛船著陸時，由于涉及到著陸姿態，連同旋轉的狀態也必須考慮。

（3）重力：物體由于地球的吸引而受到的力叫重力。在火星上則主要考慮火星的吸引產生的指向火星核心方向的力，即火星重力，是地球重力的2/5。

（4）減震：減少和吸收震動，通常用于減震的裝置都是某種緩沖裝置，具有一定的彈性構造。

（5）減速運動：隨著時間速度不斷減小的運動。火星著陸需要的是宇宙飛船在觸及火星表面的剎那，與火星的相對速度越小越好。

【第四步】出示圖片，讓學生聯系剛才教授的概念，并指出重點。出示空氣阻力的圖片（如圖1）。重點在于空氣阻力與重力方向相反，使下落速度變緩。

出示力的平衡圖片（如圖2）。重點在于作用力成對出現，大小相等，方向相反。

出示重力的圖片（如圖3）。重點在于如果沒有重力，要理解所有的事物會漂浮起來，就像宇航員在宇宙飛船里的狀態一樣。

出示牛頓第一定律的圖片（如圖4）。牛頓第一定律是指任何物體都會保持勻速直線運動或靜止狀態，直到不平衡的外力迫使它改變運動狀態為止，例如在絕對光滑表面滾動的球。

出示減震器的圖片（如圖5）。減震器用來吸收機械中或其他結構中產生的震動或脈沖。試想蘋果從樹上掉落，大多數在落地時會撞傷，因為缺少緩沖。

2.宣布任務和評價量規，小組準備（10分鐘）

宣布任務。假設已經選好火星著陸點，任務是設計一個宇宙飛船，實現安全著陸。宇宙飛船模型用杯子替代，杯子內部的三個絨球玩具代表宇航員。要求觀察現有模型的著陸情況。然后，用工程設計的思路，使用有限的材料制作和改裝“宇宙飛船”，讓它能夠安全著陸，保證“宇航員”的安全。在測試過程中，嘗試用不同的方法改進著陸過程。要求如下：

（1）用有限的素材和膠帶設計、改進“宇宙飛船”，材料越少越好；

（2）不允許將“宇航員”密封于紙杯內；

（3）紗線只能用于測算高度。

3.任務的執行（40分鐘）

由于任務具有一定難度，教師應當監督學生完整地完成“工程設計循環”并適時提問，包括：

（1）頭腦風暴：設計和建造模型。可提問：

——當你起跳時，你會彎曲后背和膝蓋，用于承受部分能量，使下落更緩慢。這對你們有什么啟發？

——為了讓著陸緩慢，運用所給材料，你能設計哪種類型的減震器？

——如何才能保證飛船下落卻不翻倒？

（2）初步測試。可適時提問或提示：

——列出設計模型使用的材料，計算目前的總花費。想一想是否有不必要的花費？

——將紗線拉直，以便測算高度，宇宙飛船從指定高度下落，測試五次，然后在紙上記錄數據。你們的目標高度是多少？

——在較高地方釋放你們設計的“宇宙飛船”時，如何讓它盡量與地面垂直？

（3）評估與重新設計。教師視情況提問：

——哪些設計是有效的，哪些需要改善？

——是否出現了下落過程中翻倒？釋放宇宙飛船時是否水平？杯子內部重力分布是否均勻？是否要考慮宇宙飛船底部面積？

——“宇航員”（絨球玩具）是否飛出“宇宙飛船”（紙杯）？是否該增加柔軟的鋪墊物或者改變減震器的數量？是否該減少彈簧（毛根所做的彈簧）的彈力？如何辦到？

（4）最終測試。教師提問：

——你們小組最新的設計是否又用到了新材料？是否放棄了某些材料？

——你們的設計是否還能進行材料精簡？

（5）正式比賽。賽前要求各小組至少在最終測試時測試了五次并記錄數據，包括材料數量、高度和成功與否，并在展示環節進行說明。

4.總結與反思（20分鐘）

在總結階段，請學生反思以下問題：

（1）除了減震裝置，哪些組想到了使用降落傘？使用降落傘有什么難點？在真正登陸火星時，使用降落傘到底好不好？為什么？

（2）大家認為，哪些材料是必要的？為什么？

（3）哪個小組做的最好？為什么？

（4）拓展思考：真正登陸火星時，需要使用火箭減速和變向。分析需要幾個火箭，分別要安裝在哪里。

（責任編輯 郭向和）