航天技術(shù)情境化命題特點例析

張吉生

(甘肅省張掖市高臺縣職業(yè)中專)

物理命題情境化是新課程、新課標(biāo)、新高考的要求.那么如何求解情境問題呢? 這就需要學(xué)生從物理情境中提煉物理模型,然后用相關(guān)規(guī)律解題.下面結(jié)合航天技術(shù)情境化命題簡單闡述.

1 “穿靴戴帽式”情境

“穿靴戴帽式”情境是指情境和試題相對獨立,或者內(nèi)在關(guān)聯(lián)的知識較少.解決此類問題,只需要抓住主要信息,摘掉情境求解.

例1我國航天局宣布國家已批準(zhǔn)通過了行星探測工程,計劃在未來的15年間展開并完成對小行星、火星、木星等行星的取樣返回研究.若從地球上直接發(fā)射一個探測器,探測器被小行星捕獲,需由高軌道適當(dāng)位置啟動發(fā)動機進入橢圓轉(zhuǎn)移軌道,再由橢圓軌道適當(dāng)位置變速進入環(huán)繞小行星表面運動的軌道,這個過程簡化示意圖如圖1所示,已知圓軌道Ⅰ、Ⅲ共面,橢圓軌道平面與軌道Ⅰ平面的夾角為α,則下列各項說法正確的是( ).

圖1

A.探測器從軌道Ⅰ上經(jīng)過P點比從軌道Ⅱ上經(jīng)過P點的加速度大

B.探測器從軌道Ⅰ進入軌道Ⅱ需要在P點向前噴氣

C.探測器在地球上發(fā)射速度大于11.2 k m?s－1

D.探測器在軌道Ⅱ上從P點運動到Q點的過程中機械能增大

探測器從軌道Ⅰ上經(jīng)過P點和從軌道Ⅱ上經(jīng)過P點所受的萬有引力相同,故加速度相同,選項A 錯誤;由于軌道Ⅱ平面與軌道Ⅰ平面有夾角,故不能只向前噴氣,選項B錯誤;發(fā)射的探測器是為了完成小行星的探測,故發(fā)射速度大于11.2 k m?s－1,選項C正確;探測器在軌道Ⅱ上從P點到Q點的過程中只有萬有引力做功,故機械能不變,選項D 錯誤.

本題考查了衛(wèi)星變軌,是一個常規(guī)模型結(jié)合了一個新情境,關(guān)鍵信息為橢圓軌道平面與軌道Ⅰ平面的夾角為α,因此要實現(xiàn)變軌,不能只向前噴氣,分析情境的細(xì)微變化是解決問題的關(guān)鍵.

2 時事型情境

時事型情境問題具有時效性.時事型問題要和物理問題緊密聯(lián)系,敏銳挖掘時事類問題的物理信息是解決該類問題的關(guān)鍵.解決此類問題,構(gòu)建正確的物理模型是難點.

例22023年3月7日凌晨,清華大學(xué)博士生張嘉奇等人在清華大學(xué)拍攝到了中國空間站凌月畫面,如圖2所示(凌月是指在地球上觀測月球時看到空間站在月球前面快速掠過),空間站凌月時間僅0.54 s.已知地球半徑為R,空間站運行周期為T1,月球繞地運行周期為T2,引力常量為G,地球表面重力加速度為g.假設(shè)空間站軌道和月球軌道共面,空間站和月球繞地球繞行方向相同,下列說法正確的是( ).

圖2

A.空間站運行速度大于張嘉奇隨地球自轉(zhuǎn)線速度

C.空間站中的航天員可以自由地漂浮,這表明他們不受地球引力

D.若已知空間站運行速度v,可估測出月球直徑D

圖3

本題的選項A、B、C 是常規(guī)的命題點,運用常規(guī)的物理模型和知識即可解決問題.本題的特別信息是空間站的凌月時間,從凌月時間可以求得月球的半徑是本題的創(chuàng)新點,建構(gòu)起空間站凌月模型是解決問題的難點.

3 學(xué)習(xí)型情境問題

學(xué)習(xí)型情境問題是最難的一類情境問題,素材中的知識在書本中和課堂上并未涉及,學(xué)生要從素材中學(xué)習(xí)新知識并學(xué)以致用,運用素材中的相關(guān)知識解決物理問題.解決該類問題的關(guān)鍵是要具備學(xué)習(xí)新知識的能力和應(yīng)用新知識解決問題的能力.

例3天文學(xué)家于2022年1月6日發(fā)現(xiàn)了小行星2022 AE1.對其跟蹤觀察并完善其軌跡發(fā)現(xiàn),小行星2022 AE1的直徑約為70 m,質(zhì)量m≈4×105t,運動軌跡為拋物線,它在2023 年7月4日與地球擦肩而過.把地球看作半徑為大R的勻質(zhì)球體,忽略地球的自轉(zhuǎn),地球表面的重力加速度大小為g,假設(shè)小行星2022 AE1距地心為8R時的速度大小為,速度方向與它和地心連線夾角為30°,如圖4所示.

圖4

A.小行星2022 AE1與地心的連線在單位時間內(nèi)掃過的面積為

B.小行星2022 AE1 距地球表面的最小距離為2R

小行星2022 AE1與地心的連線在單位時間內(nèi)掃過的面積為,選項A 錯誤;小行星與地球最近時,小行星在拋物線的頂點,此時加速度及速度均達到最大,結(jié)合機械能守恒定律有,解得,選項B錯誤,選項C正確;根據(jù),可得選項D 錯誤.

小行星的運動軌跡為拋物線,小行星2022 AE1與地心的連線在任意相等時間內(nèi)掃過的面積相等,引力勢能為等都要從試題中提取,得出小行星的速度方向沿地心時掃過的面積為0,因此小行星的速度方向要沿地心方向和垂直于地心方向分解是解決問題的關(guān)鍵.

在“無情境不成題”的時代,挖掘情境化命題的特點,可以使我們命制的試題更加鮮活;了解情境化命題特點可以使我們更快找到解題突破口,實現(xiàn)快速解題.命制情境化試題時,我們要多注意各種信息源,多觀察,多積累,以適應(yīng)新時代的命題要求.解決該類問題,要從物理情境中提取有用信息,舍棄無用信息,建立正確的物理模型,使用相應(yīng)的物理規(guī)律.

(完)