深入挖掘大学物理教学中的思政元素——以火箭发射原理为例

吕世杰 巩晓阳 琚伟伟 杜 凯

（河南科技大学物理工程学院 河南·洛阳 471023）

在科教兴国大战略方针的指导下，我们高等教育事业步入了快速发展的道路，2016年12月习近平在全国高校思想政治工作会议上强调要把立德树人作为中心环节，把思想政治工作贯穿教育教学全过程，实现全程育人、全方位育人，提高我国高等教育发展水平和质量，增强国家核心竞争力。

《大学物理》在全国各类综合性和理工科院校中开设的一门受众面较为广泛的基础必修课程，它是介绍物质结构、性质、相互作用及其运动规律的学科，也是自然科学理论和实践的凝练总结与概括。大量现代高科技的具体应用案例都和物理学内容息息相关，是高校能否有效开展“课程思政”最具备潜力和优势的课程之一。因此大学物理课程思政建设要结合人类科学技术的发展成果，不断从力学、热学、光学、电学、相对论和量子力学等不同课程体系里深入挖掘和提炼思政元素，推进课程与思政教育的有效融合，形成独特的课程思政体系。下面以火箭发射原理为例，深入探讨如何挖掘课程中的思政元素。

1 深化课程改革，优化教学方案

火箭发射的基本原理是力学中的动量定理、动量守恒定律，目前大部分的大学物理教材都把火箭发射原理或火箭的运动放到了选学或考试范围之外的章节里，甚至有些教材根本就没有介绍火箭部分的相关内容。这显然与国家培养高精尖技术人才不符。教材这样的编排没有结合国家大力发展航空航天事业的战略需求，不满足教育部对课程的高阶性、创新性和挑战度的要求。课程思政建设就是要不断深化课程改革，优化教学内容和方案，所以建议要把火箭发射原理相关内容提到一定高度，列入必学必考的知识范围。

2 讲授火箭飞行原理

宇宙飞船、导弹等均以火箭为动力，火箭飞行的原理实质上就是动量定理、动量守恒定律的典型应用。燃烧室内燃料燃烧生成的高温高压气体不断由火箭向后喷出，使火箭不断地受到向前的反冲力，这个反冲力即推动火箭箭体加速飞行的动力。火箭的发射是一个变质量问题。

对于火箭飞行，选取某t时刻的火箭为研究对象，质量为M，对地速度为，t+dt时刻喷出的质量为dm相对速度为的气团，火箭本体剩余质量Mdm，如图1所示。

图1：火箭发射原理示意图

这里很重要的一点就是忽略空气阻力和重力的影响，系统在发射方向动量才守恒。

应用动量守恒列式：

式中dm是时间微小间隔内的喷射气团质量，而它是从火箭中喷射出来的，所以dm=-dM，（2）式投影式为：Mdv=-udM，即：

对上式两边积分，时间从t0到t，其速度变化为v0到v，其质量由M0变化为M，于是可得：

这就是火箭速度公式，也称为齐奥科夫斯基公式或理想速度公式。

如果火箭开始飞行时速度为零（v0=0），燃料用尽时质量为M，那么根据上式解得火箭能够达到的速度为

M0/M称为火箭的质量比，可以用N来表示。火箭的喷气速度u和质量比越大，能达到的最终速度就越大。因此要提高发射速度最有效的办法就是提高其质量比。我们来计算一个实例，如果喷射速度3km/s，质量比为14，计算最终发射速度为7.9km/s，已经达到了第一宙速度，但实际情况可能只有一半，我们在推导的时候忽略了重力和空气阻力。所以发射航天器等人造天体时必须要开发二级、三级、四级火箭，连接的方式也有串联式、并联式、混联式之分。

3 应用案例和课程思政元素挖掘

火箭是中国宋代伟大发明之一，因在飞行中超快的速度而具有极大的杀伤力，火箭常被用作战争武器而存在，如图2所示，中国人发明火箭的事实早已被世界所公认。古代火箭在发射原理上和现代火箭并没有本质的区别。火箭是火药发明之后的重要应用，直到13世纪中期才由蒙古人传入欧洲。这些发明处于当时世界的绝对领先地位，体现了中国古代就有着领先全世界的科学技术成就，也反映了源远流长的五千年光辉灿烂的中华文明史。通过学习弘扬了中国传统文化的先进性，激发了同学们的民族自豪感和文化自信。

图2：中国古代火箭

中国不仅最早发明了火箭，还最早进行了载人飞行试验的国家。明朝的万户用47枚火箭装在一把座椅上尝试把自己送上蓝天的努力和壮举，虽然最终失败而牺牲，但万户成为世界上第一个利用火箭向太空搏击的英雄，如图3所示，公认为“真正的航天始祖”，为了纪念他，世界科学家把月球上的一座环形火山命名为“万户山”。万户的事迹体现了他的勇于探索、不畏艰险、开拓创新的优秀品质，这正是为实现伟大中国梦所要弘扬具备的精神力量。

图3：万户飞天

经过半个多世纪中国航天事业的发展，历经千辛万苦克服种种困难，我们实现中国航天事业巨大的成就，如图4所示，从长征一号运载火箭到长征五号，从两弹一星到神舟飞船，从天宫一号到嫦娥五号和天问一号，中国航天人砥砺前行，将一个个不可能变为可能，实现了一个又一个航天梦。试想如果没有火箭技术的突破和进步，我国的导弹、卫星、北斗系统、空间站、载人登月、火星探测等计划只能是纸上谈兵。中国航天人正是凭借着百折不挠、无私奉献、自力更生、艰苦奋斗、勇于攀登的精神，凭借着特别能吃苦、特别能战斗、特别能攻关、特别能奉献的精神，一步一个脚印的把我国推进到了航天大国乃至航天强国的行列。

图4：长征5号火箭发射

中国航天人中有钱学森、任新民、邓稼先、屠守锷等等太多太多，有些我们耳熟能详，有些可能还很陌生，但他们的贡献是巨大的，是民族的脊梁。例如钱学森，他本可以享受国外优厚的待遇和科研环境，却为了报国梦，克服种种阻挠和困难回到中国，在极其艰难的情况下带领科研团队把中国的导弹技术、火箭技术推进到了世界前列。钱学森被誉为中国航天之父、火箭之王，由于钱学森的回国效力，我国的导弹、原子弹的发射至少向前推进的20年。这些优秀科学家的故事可以激发学生们的爱国情怀和报效祖国献身科技的决心。

3 结束语

以物理科学内容——火箭发射原理为例深入探讨了如何挖掘大学物理教学中思政元素。在教学内容上进行优化调整，与国家重大战略需求相结合。通过古代火箭的学习激发民族自豪感和文化自信。介绍中国在过去半个多世纪的航空航天成就和航天人的事迹和精神，培养同学们坚忍不拔、勇于创新、恪尽职守的工匠精神和爱国情怀。