“进无止境”的宇宙航行

韩志祥

摘   要：物理教学中的“情感、态度与价值观”教育一直处于薄弱环节，核心素养的提出为之开辟了一条新的道路。文章采取知识教学和科学态度与责任教育双线并举、相互辅助的策略，在探索宇宙航行的物理过程中让学生领悟到“进无止境”的科学态度与责任。

关键词：进无止境;万有引力;宇宙航行

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2019）12-0053-5

1    “情感、态度与价值观”实施的困局

上一轮课程改革提出的三维目标影响深远，使人们的教学观念发生了改变，从仅关注“知识与技能”层面，拓宽到了“过程与方法”“情感、态度与价值观”，面变宽了，但三者之间的内在联系不强，特别是“情感、态度与价值观”目标很难自然融入到前两者之内，课堂中普遍出现要么忽视、要么一带而过的现象，导致“情感、态度与价值观”目标很难达成。

2    核心素养的破冰

每一个学生都是知情意行的统一体，物理核心素养中明确提出了“科学态度与责任”素养[1]，它是指在认识科学本质，理解科学·技术·社会·环境关系的基础上，逐渐形成的对科学和技术应有的正确态度和责任感。其采取的策略是将科学态度与责任教育融入到对科学观念的探究过程中，知情意并行，相互辅助。

3    “进无止境”的宇宙航行

人教版高中物理必修二第六章第5节的“宇宙航行”[2]是人类对未知世界不懈探索的典型案例，有振奋人心的成功，也有惨痛的失败，但人类一直在进步。其中涉及到的物理原理是什么？内在的动力又是什么？围绕这两大问题，本节课设计的主要思路为两条线：知识线是探究宇宙航行过程中的物理学原理，科学态度与责任线则为人类对科学本质永无止境的探索精神及动力。

3.1    回顾圆周运动的动力学条件

如图1所示，物体开始处于半径为R的圆轨道上。

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圖1  物体处于半径为R的圆轨道上

1.在轨运行

当径向合力等于向心力时，就能确保在轨道上稳定运行。

2.向心运动

当径向合力大于向心力时，R变小，做向心运动。

3.离心运动

当径向合力小于向心力时，R变大，做离心运动。

总结：径向合力大小与向心力大小的关系决定着物体的运动轨道。

【设计意图：搭建支架，帮助学生理解后续的分析方法。】

3.2    牛顿的遐想

1.离开地面

牛顿当时在思考月地检验的时候，一直没有能够找到与月球一样绕地球转动的物体，他在建立万有引力定律后，便开始思考能否制造出一个像月亮一样绕地球转动的物体（人造卫星）。

（1）重演牛顿的高山遐想

如图2（a）所示，教师站在椅子上，手里拿着红粉笔，依次以越来越大的水平初速度抛出，学生甲在黑板上依次画出粉笔在图2（a）以及图2（b）中的运动轨迹。

（2）论证离开地面的可能性

教师：粉笔做什么运动？

【设计意图：引导学生的思路回到利用圆周运动规律分析问题的道路上。】

学生分析：如果初速度较小，粉笔的运动可以看成平抛，但如果速度越来越大，粉笔受到的地心引力方向不断变化，所以，不能按照平抛运动的规律处理，应该按照圆周运动的动力学条件分析。

如图2（c）所示，让学生乙画出抛出点处的地球引力和向心力之间的矢量对比图。

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（a）                      （b）                    （c）

图2  重演牛顿高山遐想

从图中可以看出：

开始时，粉笔的抛出速度较小，引力大于向心力，所以做向心运动。后来抛出的速度越来越大，落地点离抛出点越来越远，当速度增加到使向心力等于引力，粉笔就会在轨稳定运行。

（3）第一宇宙速度

这是人类想要离开地面，迈入太空的关键第一步，是物体保持在近地轨道上稳定运行必须具备的最小发射速度，也叫第一宇宙速度。利用公式：

G■=m■，可得v=■=7.9 km/s。

从上面的推理可以看出，离地面越近速度越快，这个物体的环绕速度显然比月球要快，是所有环绕卫星中速度最大的。所以，第一宇宙速度也叫最大环绕速度。

2.挣脱地球

（1）继续重演高山遐想

如图3所示，教师以更大的初速度继续扔粉笔，学生甲继续画轨迹，学生乙继续标两力的大小关系。

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图3  挣脱地球的演示

（2）论证挣脱地球的可能性

教师：根据学生甲画出的椭圆轨道可知，如果只有地球引力作用，当物体离地球越来越远，地球对其束缚也越来越小，只在地球引力作用下，该物体一定会回来，可现实又是怎样？

学生：考虑受到太阳的吸引，物体离地球过远就容易被太阳所俘获，从而挣脱地球的束缚，绕太阳转动。

（3）第二宇宙速度

挣脱地球束缚的最小发射速度叫第二宇宙速度。

3.挣脱太阳

同理可得：如果发射速度足够大，物体由于离太阳过远就容易被太阳系外的天体所俘获，从而挣脱太阳的束缚，绕太阳系外的天体转动。挣脱太阳束缚的最小发射速度叫第三宇宙速度。

4.牛顿继续遐想着……

3.3   遐想变现实

牛顿的遐想经过人类两百多年的不懈努力，逐步变成了现实。

1.近地卫星

播放视频：图4为我国嫦娥三号发射的第一阶段的各个关键环节。

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图4  嫦娥三号发射的关键环节

在观看每一级火箭的分离过程中，介绍齐奥尔科夫斯基的三级火箭理论，帮助学生理解第一宇宙速度的达成需要高效的运载工具，特别提醒学生关注视频中的数据和现象：开始时，火箭燃料的燃烧速率为1.5 t/s，经过1187 s的飞行，最终嫦娥三号的高度为189.216 km，速率为7.870 km/s，嫦娥三号进入近地停泊轨道后仍然需要改变姿态。

【设计意图：让学生充分体会到牛顿遐想中的让物体在近地轨道上稳定运行并不是那么轻松，而是经历了上述艰难的历程后才能达到的。】

2.同步卫星

（1）同步卫星的需求分析

①生活经验：我们身边有很多信号塔，它能够接收与发射手机信号，为了使得信号稳定，塔台一般都是固定的。考虑地球自转，塔台和接收装备的运动有何共同点？

②模擬实验：如图5所示，利用地球仪模拟塔台跟着地球一起做绕地轴上某点的匀速圆周运动，从而发现它们具有共同的角速度及周期。

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图5  利用地球仪模拟塔台

③聚焦问题：要想信号覆盖范围更广，必须将塔台建得越来越高。但建设太高的塔台既不经济，也不实际。既然近地卫星已经发射成功，能否发射一颗与塔台一样效果的卫星呢？

【设计意图：创设情境，帮助学生抓住“同步”的物理含义，理解对同步卫星的需求。】

（2）探究同步卫星的特点

①可否发射一颗近地卫星实现通讯塔台的功能？

学生：不可以，近地卫星绕行很快，无法实现与地球自转的同步。

②卫星的“同步”是指什么？

让卫星与塔台具有相同的特征，即与地球自转具有相同的角速度及周期，始终相对地面静止。

③同步卫星能在我们城市上空像塔台那样实现同步吗？

如图6所示，因为卫星所受引力指向地心，而B点处的向心力指向地轴，将万有引力分解，确实可以满足向心力的需求。但是，另一个分力却指向了赤道平面，这样的轨道是不稳定的，会往赤道平面侧移。

④到了赤道平面后就一定能实现同步吗？

根据同步卫星的周期必须是24 h，利用万有引力提供向心力求解：

G■=m■=m■

r=■=■=4.244×104 km，H=r-R≈3.6×104 km

它的线速度大小也是定值：v=3.1 km/s。

【设计意图：以问题为线索，帮助学生逐步完善同步卫星的设计方案。】

⑤同步卫星的特点

因为要与地球自转同步，且周期T=24 h，所以，它必须发射到赤道上空固定轨道高度处。

（3）探寻同步卫星的发射过程

同步卫星的高度达到了约三万六千公里，发射一颗离地高度不到两百公里的近地卫星就消耗了火箭的绝大多数燃料，显然，直接将其送入同步轨道既不经济，也不实际。如何才能将同步卫星送入那么高的轨道呢？

同步卫星发射的整个过程如图7所示。

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图7  同步卫星发射

①近地停泊轨道

此过程与发射近地卫星一样。

②近地点点火加速

调整好姿态后，卫星在A点处点火加速，然后关闭发动机，由于加速后的向心力超过了卫星所在处的万有引力，于是便做离心运动，轨道变成了椭圆状，即进入了转移轨道。如果只考虑地球引力，卫星还会回来，一直在转移轨道上做椭圆运动，此过程中卫星不需要消耗燃料。

③远地点点火加速

保持椭圆轨道稳定运行一段时间后，卫星到达远地点B时，发动机再次点火加速，使得速度增大到同步卫星轨道速度3.1 km/s，由于此时引力等于向心力，卫星最终进入同步轨道。

3.发射卫星过程中的曲折

在人类利用万有引力定律尝试探索宇宙的过程中，也发生了一些令人痛心的灾难。

如图8所示，播放图片和视频，并呈现表1。

教师：人类就此停下脚步了吗？

资料呈现：

在阿波罗1号的试验飞船火灾中遇难的格里森，生前曾说过一段感人的话：“要是我们死亡，大家要把它当作一件寻常的普通事情，我们从事的是一种冒险的事业。万一发生意外，不要耽搁计划的进展。征服太空是值得冒险的。”

4.探月历程

播放视频：共同见证美国阿波罗11号登月以及中国嫦娥三号登月的历史时刻。

（1）阿波罗11号登月

如图9所示，阿姆斯特朗登上月球，留下脚印，并说：“Thats one small step for man， one giant leap for mankind.”

（2）嫦娥三号登月

如图10所示，2013年嫦娥三号登月，玉兔号在月球表面留下了中国印记。

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图9  月球上的脚印          图10  嫦娥三号登月

5.火星探测

播放视频：“勇气号”“好奇号”登陆火星的过程。

（1）“勇气号”登陆火星

如图11所示，“勇气号”探测器首先通过减速降低轨道，进入火星大气层后，探测器着陆依次采取了降落伞减速、反冲发动机减速以及充气气囊缓冲的方式。

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图11  “勇气号”登陆火星

不平凡的历程：

2003年6月10日，发射升空。

2004年1月3日，着陆火星表面。

2011年3月22日，NASA最后一次联络上“勇气号”。

（2）“好奇号”登陆火星

在吸取了“勇气号”探测器着陆过程中的教训后，如图12所示，“好奇号”探测器登陆过程中除采用降落傘外，人们升级了火星着陆技术，采取“升降机”的方式让探测器平稳着陆。

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图12  “好奇号”登陆火星

不平凡的历程：

2011年11月26日，发射升空。

2012年8月6日，着陆火星表面。

2012年8月22日，一台风况显示传感器损坏。

2013年3月1日，两台机载计算机故障，进入名为“安全模式”的最小活动状态。

2013年9月26日，发现火星表面土壤按重量算约2%是水分。

2015年6月18日，在火星陨石样本中发现大量甲烷，证明了火星上有微生物存在。

（3）中国的火星探测计划

2016年1月11日，中国正式批复首次火星探测任务，中国火星探测任务正式立项，并将在2020年左右发射一颗火星探测卫星。

6.人类宇宙航行的最新消息

NASA预计在2020年左右发射一艘潜水飞船着陆木卫二，利用核动力破冰装置打穿数公里厚的冰层。

……

人类在宇宙航行的过程中“进无止境”。

3.4    揭开人类探索宇宙的动力

教师：人类之所以如此乐此不疲地探索宇宙的奥秘，原因是什么？

学生：源于好奇心，它驱动着人类不断发现真理。

教师：宇宙航行过程中经常会遭遇挫折，人类最需要什么？

学生：勇气。

【设计意图：美国火星探测器的名字非常耐人寻味：“勇气号”与“好奇号”，这是最好的教育素材，能够触发学生的情感，并达到集中迸发。】

4    小  结

在科学探究的过程中，将知识教学和科学态度与责任教育相结合，不仅培养了物理观念，训练了科学思维，更帮助学生树立起科学态度与责任意识，从而提升物理核心素养。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书物理2必修[M].北京：人民教育出版社，2010：44-45.

（栏目编辑    罗琬华）