各类人造卫星自动旋转教具的设计及使用

王舒琴

摘 要：高中物理必修理2中，有许多知识点都必须通过演示各种教学仪器才能表达清楚，特别是像人造卫星、近地卫星、同步卫星和极地卫星之间的相对运动关系，一般教师在上课时很难口头上表达清楚，而且学生也很难想象出这空间关系。通过此演示教具能快速理解掌握此难点问题。同时还讲解此教具的具体使用方法。适用于初高中学物理及大专院校物理，教学仪器厂、玩具厂、五金厂均能生产。

关键词：人造卫星 自动旋转教具 设计 使用

一、背景技术

高中物理必修理2中万有引力与航天的卫星问题让好多学生感到困惑，原因之一是卫星种类多，有近地卫星、极地卫星、同步卫星，既要掌握各卫星的运动规律并且还要和地面上物体进行比较，尤其是近地卫星与地球表面物体运动规律的差异更是学生理解上的难点。原因之二是教师对卫星规律的讲解停留在理论上，没有现成的教具帮助学生理解，学生只能通过理论推理了解卫星运动规律，学生不易撑握，且容易遗忘。[1]

二、教学原理

所有的卫星都围绕着地球旋转，只是各类卫星的旋转半径和旋转速度不一样。地球上的人或事物随着地球自转也同时转动，近地卫星离地球最近，可是旋转的速度最快；同步卫星离地球的距离是最近，它旋转的角速度和地球的角速度一致，两者间的相对位置为固定的；极地卫星离地球的距离最远，它的角速度可以快也可以慢。

三、設计目标

为克服上述缺陷，旨在提供一种能让学生在理论基础上对卫星运动有直观的认识，便于学生理解，使学生留下深刻印象，产生长久记忆卫星运动轨迹演示教具及其使用方法。[2]

设计制作出一台适合各类卫星运动时的教学教具，能让学生一目了然地知道卫星轨道半径越大线速度越小，近地卫星的线速度比地球表面物体的线速度要大得多，同步卫星轨道面必须与赤道共面，同步卫星的角速度与地球自转角速度相同。使学生很直观、有效地辨认出赤道上物体、近地卫星和同步卫星线速度大小关系，顺利地解释同步卫星轨道面、角速度的特征。[3]

四、设计技术方案

同步卫星的运动方向和地球自转的方向一致，同步卫星在赤道上空相对地球静止，它绕地球的运动与自转同步，设计时就可以把同步卫星和地球自转时用同一马达来带动控制。[4]

地球仪采用普通的地球仪，为了让学生能够清楚的看到相对人或事物，在地球仪赤道表面固定上一个塑料模型人，这样就可以把人作为我们自己的定位点，来观察其他卫星相对于人的运动情况。地球仪采用标准购买的地球仪，卫星采用塑料泡沫根据卫星的形状自己手工制作，可以根据卫星的实际样子，也可以根据自己的想象定制，卫星是固定在卫星运动轨道上的，轨道做圆周运动时，卫星也就跟着做圆周运动了。

同步卫星距离地球表面的距离约为地球半径的5倍，同步卫星的运行轨迹半径就是地球半径的6倍，这之间尽量要按此尺寸来设计。

近地卫星距离地球表面很近，可是转速却比地球自转速度快，需要把近地卫星用单独一个马达来带动控制。

极地卫星需要在同步卫星的外围，需要更大的运动轨迹，而且运动轨迹必须以地球的两极为轴心旋转。设计时需要考虑用独立的马达来控制。

极地卫星也可以放在一起，而且可以根据实际需要来方便拆卸，要用的时候装上，不要用的时候拿掉，设计时就需要考虑如何方便拆装。

为了能够看清各个卫星的运动轨迹，把卫星的模型固定在各个卫星运行轨迹的钢圈上，通过钢圈做圆周运动来带动卫星模型的运动。运动轨迹的钢圈又用三根钢条连接。

3.齿轮和3个马达用齿带连接，3个齿轮又和3个模型连接，而3个齿轮之间用2根轴来过穿连接，所有的轴用一个垂直的支架来固定。

把地球仪、近地卫星、同步卫星的轴心都在同一轴心上，通过一个固定的支持柱固定，内部穿入转动轴，转动轴上固定齿轮，从而来带动卫星来旋转，而且3个圆心都是地球仪的中心，

增加极地卫星的运动轨迹，用一个更大的圆环，圆弧的底部连接一块小铁块，小铁块与底板之间用螺丝连接，整个圆环可以做垂直方向的圆周运动，只是不能360的旋转，只能正反方向各转120°左右，不能自己旋转，安装在轨迹上的极地卫星只能靠手工去拨动，轨迹的圆周方向也只能靠手工去摆动。

五、使用方法

步骤一：准备，通过控制器分别调节地球电机、近地卫星电机、同步卫星电机和极地卫星电机的转速，使近地卫星环的转速大于地球仪的转速，同步卫星环的转速与地球仪的转速一样，极地卫星环的转速小于地球仪的转速，同时，把同步卫星模型调整到人模的正上方，把近地卫星模型与极地卫星模型调整到同步卫星模型的位置；

步骤二：演示，同时启动地球电机、近地卫星电机、同步卫星电机和极地卫星电机，或用手工的方法把极地卫星模型沿极地卫星环以低于同步卫星模型的线速度同向移动。

演示此教具，通过不同转速的电机来带动近地、同步、极地卫星环，使固定在其上的近地、同步、极地卫星模型绕地球仪转动，直观的演示了各种人造卫星绕地球运行时的速度，使学生更易于理解与记忆。

结语

通过本发明的各类人造卫星自动旋转演示教具以及使用方法，让学生在理论基础上对卫星运动有直观的认识，便于学生理解，使学生留下深刻印象，产生长久记忆。演示教具在与地球仪赤道共面的情况下设制了一颗近地卫星模型、一颗同步卫星模型和一颗极地卫星模型，能动态演示地球的自转和卫星的运动。可以比较的规律有卫星半径越大，线速度越小；地球表面物体和近地卫星的规律；地球表面物体和同步卫星的规律。

参考文献

[1]顾劲扬，励建安：同步卫星、近地卫星和赤道上物体问题分析.《新高考：高一物理》2014（2）

[2]赵素英：赤道上物体、近地卫星、同步卫星的区别.《数理化学习》， 2009（6）

[3]王书祥：卫星运动的几个常见问题.《考试周刊》， 2010（43）：174-175

[4]王杰民：天体轨道演示仪.专利CN8720854491987-05-25endprint