宇宙航行教学中的问题设置

魏平军

(石家庄市第一中学 河北 石家庄 050011)

1 问题设置前的准备

1．1 教材分析

本节内容为万有引力定律的应用，可分为两个部分：宇宙速度和梦想成真．

宇宙速度部分涉及的规律有万有引力定律及圆周运动相关规律．课堂中重点内容是需推导出第一宇宙速度表达式，同时了解第二、第三宇宙速度，理解各宇宙速度的物理含义．教学中可补充卫星环绕速度等相关量的计算(含同步卫星)及卫星变轨问题．本部分可涉及的物理方法有逻辑推理法和类比法．

梦想成真部分是进行情感教育很好的素材．通过展示人类在宇宙航行领域中的伟大成就，激发学生学习物理的热情．可涉及的物理方法有科学想象，另外也可培养学生查找和整合信息的能力．

因对课本内容进行了补充及课堂上需展示小组成果，所以计划两课时完成．

1.2 寻找素材

本部分为万有引力定律的具体应用，所以问题在设置时最好能具有实际背景．可能用到的背景知识：《自然哲学的数学原理》中牛顿的设想、和平号空间站、火星探测、人类登月、我国神州系列飞船的发射等．在问题设置前能找到的素材越多越好，所以在平常的教学中要注重素材的积累．大量的实际素材在编制有实际背景的物理题目时也很有用．

2 问题设置

问题1：资料(1)在1687年出版的《自然哲学的数学原理》中，牛顿设想，把物体从高山上水平抛出，速度一次比一次大，落地点也就一次比一次远．如果速度足够大，物体就不再落回地面，它将绕地球运动，成为人造地球卫星．

请利用所学知识求解这个速度．

问题2：如果想在火星表面发射一颗卫星，你认为至少需要多大的速度呢？需要知道哪些数据就可以计算出来．

设计说明：在学生理解了地球第一宇宙速度后，通过类比的方法可以得到火星第一宇宙速度．同时也拓宽了对宇宙速度的理解，不仅地球有宇宙速度其他星球也有．

问题3：如果物体在地球表面的速度大于7.9 km/s，物体会做怎样的运动？

设计说明：此问题虽然结果是唯一的，但是学生出现的思维判定可能是多样的，以此引入第二宇宙速度和第三宇宙速度也显得顺理成章，同时离心运动的复习也为后边解决变轨问题奠定基础．

问题4：资料(2)我国火星探测将分“绕、落、回”三步走．由中俄联合的探测火星活动计划将于今年年底前实施，届时我国首个火星探测器“萤火一号”将会发射升空，实现第一步“绕”．

思考与讨论：

(1)探测器在什么条件下才能挣脱地球的束缚前往火星？

(2)如果探测器要返回，在什么条件下探测器可以挣脱火星的束缚？

设计说明：此问题的设置思路同问题2类似，主要是为了巩固对第二宇宙速度的理解．同时通过资料的展示让学生了解到我国对于火星探测工作处于什么样的一个阶段．

问题5：资料(3)1984年4月我国成功地发射了一颗地球同步通讯卫星，标志着我国航天事业一个新的起点．

同步卫星总是相对于地面静止．请同学们思考讨论同步卫星的轨道应该是什么样的呢？

设计说明：最初想设置为“请讨论同步卫星具有哪些特点”． 但是这样问题显得太大，学生在讨论时不易形成共识，所以将问题分解．

虽然最终的轨道平面是唯一的，但思维过程具有较大的开放性，学生所得结果有多种可能．学生在探讨过程中会逐步加深对卫星轨道平面必过地心及同步卫星轨道平面必在赤道面内这个知识点的理解．

问题6：如图1所示，在发射地球同步卫星时，先将卫星发射到近地圆轨道1，然后经点火使其沿椭圆轨道2运行，最后再次点火，将卫星送入同步圆轨道3．轨道1与2相切于Q点，轨道2与3相切于P点.

在图中，当卫星分别在1，2，3轨道上正常运行时，请判断

(1)卫星在轨道1与轨道3上的速率大小关系；

(2)卫星在轨道1上经过Q点时的速率与它在轨道2上经过Q点时的速率大小关系；

(3)卫星在轨道2上经过P点时的速率与它在轨道3上经过P点时的速率大小关系．

图1 发射地球同步卫星的变轨

设计说明：变轨问题是本部分的难点，如果直接讨论如何变轨难度太大，所以将问题分解为若干个小问题，当小问题解决后，难点也就突破了．问题3的设置为解决本问题提供了思路．

问题7：人类在宇宙航行方面取得了哪些成就呢，请小组展示(分人类探月、火星探测、神舟系列简介)．

设计说明：此问题是提前布置的，课上直接让小组代表展示．要求组内成员搜集资料，之后组内整合，课堂上代表展示．目的一是为了让学生了解在万有引力定律的基础上现代宇宙航行取得了哪些成就，培养民族自豪感，激发学习物理的兴趣；二是为了锻炼学生搜集资料整合资料的能力．