航天技术情境化命题特点例析

张吉生

(甘肃省张掖市高台县职业中专)

物理命题情境化是新课程、新课标、新高考的要求.那么如何求解情境问题呢? 这就需要学生从物理情境中提炼物理模型,然后用相关规律解题.下面结合航天技术情境化命题简单阐述.

1 “穿靴戴帽式”情境

“穿靴戴帽式”情境是指情境和试题相对独立,或者内在关联的知识较少.解决此类问题,只需要抓住主要信息,摘掉情境求解.

例1我国航天局宣布国家已批准通过了行星探测工程,计划在未来的15年间展开并完成对小行星、火星、木星等行星的取样返回研究.若从地球上直接发射一个探测器,探测器被小行星捕获,需由高轨道适当位置启动发动机进入椭圆转移轨道,再由椭圆轨道适当位置变速进入环绕小行星表面运动的轨道,这个过程简化示意图如图1所示,已知圆轨道Ⅰ、Ⅲ共面,椭圆轨道平面与轨道Ⅰ平面的夹角为α,则下列各项说法正确的是( ).

图1

A.探测器从轨道Ⅰ上经过P点比从轨道Ⅱ上经过P点的加速度大

B.探测器从轨道Ⅰ进入轨道Ⅱ需要在P点向前喷气

C.探测器在地球上发射速度大于11.2 k m•s－1

D.探测器在轨道Ⅱ上从P点运动到Q点的过程中机械能增大

探测器从轨道Ⅰ上经过P点和从轨道Ⅱ上经过P点所受的万有引力相同,故加速度相同,选项A 错误;由于轨道Ⅱ平面与轨道Ⅰ平面有夹角,故不能只向前喷气,选项B错误;发射的探测器是为了完成小行星的探测,故发射速度大于11.2 k m•s－1,选项C正确;探测器在轨道Ⅱ上从P点到Q点的过程中只有万有引力做功,故机械能不变,选项D 错误.

本题考查了卫星变轨,是一个常规模型结合了一个新情境,关键信息为椭圆轨道平面与轨道Ⅰ平面的夹角为α,因此要实现变轨,不能只向前喷气,分析情境的细微变化是解决问题的关键.

2 时事型情境

时事型情境问题具有时效性.时事型问题要和物理问题紧密联系,敏锐挖掘时事类问题的物理信息是解决该类问题的关键.解决此类问题,构建正确的物理模型是难点.

例22023年3月7日凌晨,清华大学博士生张嘉奇等人在清华大学拍摄到了中国空间站凌月画面,如图2所示(凌月是指在地球上观测月球时看到空间站在月球前面快速掠过),空间站凌月时间仅0.54 s.已知地球半径为R,空间站运行周期为T1,月球绕地运行周期为T2,引力常量为G,地球表面重力加速度为g.假设空间站轨道和月球轨道共面,空间站和月球绕地球绕行方向相同,下列说法正确的是( ).

图2

A.空间站运行速度大于张嘉奇随地球自转线速度

C.空间站中的航天员可以自由地漂浮,这表明他们不受地球引力

D.若已知空间站运行速度v,可估测出月球直径D

图3

本题的选项A、B、C 是常规的命题点,运用常规的物理模型和知识即可解决问题.本题的特别信息是空间站的凌月时间,从凌月时间可以求得月球的半径是本题的创新点,建构起空间站凌月模型是解决问题的难点.

3 学习型情境问题

学习型情境问题是最难的一类情境问题,素材中的知识在书本中和课堂上并未涉及,学生要从素材中学习新知识并学以致用,运用素材中的相关知识解决物理问题.解决该类问题的关键是要具备学习新知识的能力和应用新知识解决问题的能力.

例3天文学家于2022年1月6日发现了小行星2022 AE1.对其跟踪观察并完善其轨迹发现,小行星2022 AE1的直径约为70 m,质量m≈4×105t,运动轨迹为抛物线,它在2023 年7月4日与地球擦肩而过.把地球看作半径为大R的匀质球体,忽略地球的自转,地球表面的重力加速度大小为g,假设小行星2022 AE1距地心为8R时的速度大小为,速度方向与它和地心连线夹角为30°,如图4所示.

图4

A.小行星2022 AE1与地心的连线在单位时间内扫过的面积为

B.小行星2022 AE1 距地球表面的最小距离为2R

小行星2022 AE1与地心的连线在单位时间内扫过的面积为,选项A 错误;小行星与地球最近时,小行星在抛物线的顶点,此时加速度及速度均达到最大,结合机械能守恒定律有,解得,选项B错误,选项C正确;根据,可得选项D 错误.

小行星的运动轨迹为抛物线,小行星2022 AE1与地心的连线在任意相等时间内扫过的面积相等,引力势能为等都要从试题中提取,得出小行星的速度方向沿地心时扫过的面积为0,因此小行星的速度方向要沿地心方向和垂直于地心方向分解是解决问题的关键.

在“无情境不成题”的时代,挖掘情境化命题的特点,可以使我们命制的试题更加鲜活;了解情境化命题特点可以使我们更快找到解题突破口,实现快速解题.命制情境化试题时,我们要多注意各种信息源,多观察,多积累,以适应新时代的命题要求.解决该类问题,要从物理情境中提取有用信息,舍弃无用信息,建立正确的物理模型,使用相应的物理规律.

(完)