“教学太阳系仪”的设计与应用

鄂振东

【摘要】人教版高中物理“万有引力与宇宙航行”一章介绍了行星和卫星的运动原理，但由于当前高中物理天体运动部分的教具匮乏，导致该部分教学效果欠佳，笔者在现有的教具研发工作的基础上，再参考英国格林尼治天文台的太阳系仪，制作了教学太阳系仪.本教具较准确地模拟了多个天体的运动情境，便于学生准确地建构天体运动的物理模型.进而从定性观察到定量分析天体的轨道半径和运行周期的关系.

【关键词】太阳系仪；天体运动教具；高中物理

1 问题的提出

物理是一门以实验为基础的学科，实验教学是物理教学核心的手段，因此物理教师必须重视实验的研究.教师在实验教学中，如果直接用语言为学生描述一个陌生且复杂的物理情景，会造成学生认知的困难，另外，学校现有的实验教具不完备，导致了难以开展相关实验.为了解决以上的问题，设计新的物理教具辅助教学是一种很理想的办法.在高中物理天体运动部分，让学生建构多个天体间或卫星与地球间的运动情景模型向来是教学难点.由于目前用于促进学生建模的教具匮乏，教师大多采用视频演示和画图分析的方法辅助学生建模，笔者在多次实践后发现这两种方法存在下列问题：

（1）通过二维平面演示的现象缺少三维立体感；

（2）学生观察角度单一，且画图展示的情景是静态的，不直观；

（3）学生很难实现定量地探究天体的轨道半径和运行周期间的关系.

针对上述问题，笔者利用了现有教具的研究工作成果，再参考英国格林尼治天文台的太阳系仪，设计制作了简易教学太阳系仪.本教具弥补了高中物理教学中此类教具的匮乏，取得了良好的教学效果.

2 太阳系仪的改进

太阳系仪模拟了八颗行星绕太阳运动的情境，主要构造是固定在主轴上端的太阳模型，向下依次套有七根固定行星模型的支杆，以及八个行星模型，通过摇动手柄来驱动行星模型以不同的周期运动.笔者参考以上原理并进行如下改进：

（1）把天体模型数量由八个减少到三个，因为过多的天体模型原理上是重复的，并使制作复杂化.

（2）把手摇驱动模型改为遥控电机驱动模型，这样既能使教师在远距离操作，又能使模型运转得更平稳.

（3）给电机装了调速器，可以根据天体运行周期和轨道半径的比例关系对模型的运动进行调整，提高了仪器的科学严谨性.

笔者根据开普勒第三定律设定了各模型的轨道半径（中学阶段我们把太阳系行星的轨道按圆轨道处理）和运行周期，如表1所示.

教具的构造如图1所示，一号电机驱动近地轨道天体模型，二号电机驱动地球模型和地球同步卫星模型，三号电机驱动高空轨道天体模型，右上箭头所指部分是遥控开关电路板，右下箭头所指部分是电机调速器，其作用是调节各模型运动的快慢，使各模型的运动周期和轨道半径较好的符合开普勒第三定律.

3 教学太阳系仪的应用

简易教学太阳系仪可以模拟三个情境：

（1）两个轨道半径不等的行星绕太阳的运动.

如图2所示，将遥控器的左右两个开关下拉，仪器开始工作，模拟出两个行星绕太阳运动的情景.教学中学生通过观察现象很容易发现轨道半径大的天体运行周期大，然后教师提出行星的半径和周期具有什么定量关系的问题，引导学生运用理论推导出二者的关系，有效地培养了学生运用理论推导解决问题的习惯.

（2）模拟赤道上随地球转动的物体，近地轨道卫星，地球同步卫星，高空轨道卫星的运动情境.

如图3所示，将遥控器的左右两个开关下拉，仪器开始工作，模拟出赤道上随地球转动的物体、近地轨道卫星、地球同步卫星、高空轨道卫星的运动情境.学生通过观察动态的情境，更容易得到赤道上物体与空中轨道上物体的受力情况不同的结论，教师顺势提问赤道上物体的向心力来源是什么的问题，再进一步引导学生列式求解，将结果与空中轨道物体的对应结果进行对比，有效突破了赤道上物体向心力来源的难点.

（3）模拟火箭变轨过程的一部分情景.

如图5所示，将遥控器的左右两个开关下拉后仪器开始运转，此时仪器模拟了卫星在近地轨道和高空轨道的运动情境.教师可以借助这个情景为学生讲解发射高空卫星的具体过程，引导学生运用离心运动知识对卫星变轨的原理进行讨论，在学生合作讨论达成学习目标过程中，该教具起到了重要的作用.

4 教学太阳系仪的优点

（1）针对教学，简易教学太阳系仪相比原来减少了天体模型的数量，保留几个典型轨道上的天体模型，使天体运行的核心原理更加突出.

（2）本仪器取材简单，成本低廉，也适合学生制作，如遥控玩具小汽车、小直流电机、儿童三球仪等，均为生活中常见的东西，十分容易得到.

（3）教学效果明显，可以实现多个天体运行情景的动态模拟展示.

5 结语

教学太阳系仪结构简单、方便携带、容易操作，所模拟的天体运动情景清晰直观，使学生以多角度观察并感知天体运动的周期、角速度等随轨道半径的变化情况，有效地提高了学生建立相关物理模型的准确性，值得在高中物理教学中推广.

参考文献：

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