摘要：本文結(jié)合高中新課程理念，由嫦娥工程挖掘出問(wèn)題情景，并加以探究分析，豐富了物理課程資源。

關(guān)鍵詞：嫦娥工程；情景；探究；課程資源

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148(2011)4(S)-0009-3

2007年10月24日18時(shí)05分，在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，長(zhǎng)征三號(hào)甲運(yùn)載火箭噴著烈焰，把“嫦娥一號(hào)”衛(wèi)星穩(wěn)穩(wěn)托起；2010年10月1日18時(shí)59分57秒，我國(guó)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用“長(zhǎng)征三號(hào)丙”運(yùn)載火箭，將“嫦娥二號(hào)”衛(wèi)星成功送入太空；2010年1月17日、6月2日、8月1日、11月1日、12月18日中國(guó)先后將北斗導(dǎo)航衛(wèi)星成功送入太空預(yù)定軌道；11月5日2時(shí)37分，成功將中國(guó)第二顆“風(fēng)云三號(hào)”氣象衛(wèi)星送入太空。包括“嫦娥二號(hào)”月球探測(cè)衛(wèi)星、5顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星等在內(nèi)，中國(guó)2010年全年共進(jìn)行15次航天發(fā)射，全部獲得成功。嫦娥二號(hào)發(fā)射的成功，引起全世界廣泛關(guān)注，輝煌的成就讓國(guó)人自豪。作為中學(xué)物理教師的我們既承擔(dān)著教書育人的責(zé)任，也肩負(fù)著科普工作的重?fù)?dān)。新課程物理教學(xué)要求我們注重課程資源開(kāi)發(fā)，創(chuàng)設(shè)物理情景，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的探索創(chuàng)新能力，嫦娥工程無(wú)疑是很好的課程資源。

問(wèn)題情景1 從電視直播看，嫦娥衛(wèi)星發(fā)射時(shí)比“神州”7號(hào)“快”得多，為什么？

探究分析 情景中說(shuō)的快慢是指的加速度大小，“神州”7號(hào)主要是為三名航天員的安全和舒適著想，在發(fā)射階段宇航員處于超重狀態(tài)，血液視重增大，心臟無(wú)法像平常一樣輸送血液，導(dǎo)致血壓降低，頭部血壓降低，下肢血壓升高，使大量血液淤積在下肢靜脈中，嚴(yán)重影響靜脈血的回流，使心臟輸出血量不足，造成頭部供血不足，輕則引起視覺(jué)障礙，重則可能導(dǎo)致意識(shí)喪失，所以飛船在發(fā)射升空過(guò)程中宇航員采用平躺姿勢(shì)，如果火箭加速度過(guò)大，航天員會(huì)感覺(jué)不舒適，甚至有生命危險(xiǎn)。

問(wèn)題情景2 “5、4、3、2、1，點(diǎn)火”，來(lái)自重慶的“01”號(hào)指揮鄢利清的“金手指”摁下了發(fā)射摁鈕…。這次嫦娥二號(hào)發(fā)射是采用人工點(diǎn)火方式，為什么選擇這種點(diǎn)火方式？和計(jì)算機(jī)點(diǎn)火有什么不同？

探究分析 火箭點(diǎn)火方式目前有兩種，一種是時(shí)體點(diǎn)火（計(jì)算機(jī)點(diǎn)火），把時(shí)間設(shè)在一個(gè)點(diǎn)上，到時(shí)候就自動(dòng)點(diǎn)火，另一種是手動(dòng)點(diǎn)火。在“長(zhǎng)征二號(hào)丙”火箭上就采用時(shí)體點(diǎn)火的方式。這一次火箭為什么不采用時(shí)體點(diǎn)火呢？這是與火箭復(fù)雜度有關(guān)系的，“長(zhǎng)二丙”火箭都是常規(guī)囤積燃料，在發(fā)射前40min的時(shí)候就沒(méi)有太多工作，主要就是等著發(fā)射，如果其它工作很順利，采用時(shí)體點(diǎn)火就不會(huì)出現(xiàn)什么問(wèn)題。但是“長(zhǎng)征三號(hào)丙”火箭不一樣，它的第三級(jí)注入液氫是要采用低溫推動(dòng)的方法，一旦開(kāi)始第三級(jí)加注就一定要持續(xù)到發(fā)射前4分半鐘的時(shí)候。液氫加注要在-252.7℃以下的環(huán)境下加注，雖然做過(guò)很多保溫措施，但是畢竟和外界環(huán)境還是存在交換，那么在加注的時(shí)候就會(huì)有一些結(jié)冰，這個(gè)冰一定要處理，直播時(shí)我們看見(jiàn)火箭周圍冒白煙，就是脫冰使空氣中的水蒸氣液化成小水珠，冰的厚度不一樣，脫冰的時(shí)間也不能完全嚴(yán)格的限定，有可能早一秒或者晚一秒，這個(gè)時(shí)候如果工作沒(méi)有做完實(shí)施自動(dòng)點(diǎn)火，可能帶來(lái)比較嚴(yán)重的后果。況且手動(dòng)點(diǎn)火精度是非常高的，零點(diǎn)幾秒的時(shí)間，一個(gè)人的反應(yīng)時(shí)間。

問(wèn)題情景3 把月球探測(cè)衛(wèi)星從地面發(fā)射到月球常用的方式有哪些？“嫦娥二號(hào)”采用的是哪種方式？

探究分析 把月球探測(cè)衛(wèi)星從地面發(fā)射到月球有多種方式，常用的有4種類型：

第1種是用運(yùn)載火箭先將月球探測(cè)衛(wèi)星送入近地球的圓軌道上，星箭分離后，靠月球探測(cè)衛(wèi)星自行加速到入口速度10.9km/s，進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道到達(dá)月球；第2種是用運(yùn)載火箭將月球探測(cè)衛(wèi)星送入環(huán)地球飛行的大橢圓軌道，星箭分離后，通過(guò)月球探測(cè)衛(wèi)星在橢圓軌道的近地點(diǎn)處加速到入口速度10.9km/s，進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道，最終到達(dá)月球；第3種是用運(yùn)載火箭把月球探測(cè)衛(wèi)星加速到10.9km/s，直接送入地月轉(zhuǎn)移軌道，星箭分離后，衛(wèi)星飛向月球；第4種是用運(yùn)載火箭直接將月球探測(cè)衛(wèi)星送入地月引力平衡點(diǎn)處，星箭分離后，衛(wèi)星在地月引力平衡點(diǎn)處加速進(jìn)入月球軌道。

使用第1種方式，實(shí)現(xiàn)奔月需要的時(shí)間最長(zhǎng)，使用第3種方式需要的時(shí)間最短。決定軌道選擇的關(guān)鍵因素是火箭的推力、衛(wèi)星的重量、衛(wèi)星發(fā)動(dòng)機(jī)的推力和衛(wèi)星攜帶推進(jìn)劑的總量。嫦娥一號(hào)衛(wèi)星選擇了第2種軌道飛行方式，即由運(yùn)載火箭將嫦娥一號(hào)首先送入環(huán)繞地球的大橢圓軌道，然后由嫦娥一號(hào)在該軌道的近地點(diǎn)處不斷加速，進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道，到達(dá)月球后減速成為月球衛(wèi)星。而“嫦娥二號(hào)”采用的是第3種方式，在發(fā)射1533s進(jìn)行星箭分離后，衛(wèi)星直接進(jìn)入近地點(diǎn)高度200公里、遠(yuǎn)地點(diǎn)高度約38萬(wàn)公里的地月轉(zhuǎn)移軌道直接奔月，到達(dá)地月轉(zhuǎn)移軌道的速度達(dá)到10.9km/s，與“嫦娥一號(hào)”相比，節(jié)省7天飛行時(shí)間，降低測(cè)控成本，節(jié)省衛(wèi)星燃料，為衛(wèi)星探測(cè)和試驗(yàn)留出更多時(shí)間，且入軌精度更高。

問(wèn)題情景4 地月轉(zhuǎn)移軌道的長(zhǎng)軸約為月球軌道長(zhǎng)軸 (即直徑) 的一半，請(qǐng)估算嫦娥二號(hào)衛(wèi)星奔月的時(shí)間？

探究分析 根據(jù)開(kāi)普勒定律，地月轉(zhuǎn)移軌道的周期應(yīng)為月球公轉(zhuǎn)周期 (約為 27.3 天)的1/8， 即231h。由于“嫦娥二號(hào)”只需在這個(gè)軌道上運(yùn)行半周 (即從近地點(diǎn)飛到遠(yuǎn)地點(diǎn))， 因此它的飛行時(shí)間約為軌道周期的一半，即約115h，與媒體報(bào)道的112h非常接近。

問(wèn)題情景5 圖1中1、2、3三條曲線為嫦娥二號(hào)衛(wèi)星三次近月制動(dòng)后的軌道示意圖，3為離月高度為100km的極月圓軌道，在1軌道上的A點(diǎn)、B點(diǎn)和C點(diǎn)三處，速度和加速度大小關(guān)系是怎樣的？在2軌道上的A點(diǎn)的線速度v1、加速度a1和在3軌道上的A點(diǎn)的線速度v2、加速度a2大小關(guān)系是怎樣的？

探究分析 衛(wèi)星在1軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)是關(guān)閉的，只受到萬(wàn)有引力，在A點(diǎn)、B點(diǎn)和C點(diǎn)三處，由牛頓第二定律可知：aA＞aC＞aB；從A點(diǎn)向B點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，由能量守恒定律可知vA＞vC＞vB。

在軌道2上的A點(diǎn)萬(wàn)有引力小于衛(wèi)星在該點(diǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)所需向心力，

GMmROA2＜mv12ROA①

在軌道3上的A點(diǎn)萬(wàn)有引力等于飛船在該點(diǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)所需向心力，

GMmROA2=mv22ROA②

故v1＞v2。

無(wú)論是在軌道2還是在軌道3上的A點(diǎn)，都是由萬(wàn)有引力產(chǎn)生加速度，由牛頓第二定律：

GMmROA2=ma1=ma2，故a1=a2。

“嫦娥二號(hào)”衛(wèi)星要進(jìn)入100km×15km繞月橢圓軌道，拍攝“嫦娥三號(hào)”月球虹灣預(yù)選著陸區(qū)圖像，必須在3軌道上月球背面通過(guò)開(kāi)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，使衛(wèi)星減速才能達(dá)到目的。

問(wèn)題情景6 如圖2所示為我國(guó)“嫦娥一號(hào)”衛(wèi)星從發(fā)射到進(jìn)入月球工作軌道的過(guò)程示意圖。在發(fā)射過(guò)程中，經(jīng)過(guò)一系列的加速和變軌，衛(wèi)星沿繞地球“48h軌道”在抵達(dá)近地點(diǎn)P時(shí)，主發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，“嫦娥一號(hào)”衛(wèi)星的速度在很短時(shí)間內(nèi)由v1提高到v2，進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道，開(kāi)始了從地球向月球的飛越。“嫦娥一號(hào)”衛(wèi)星在地月轉(zhuǎn)移軌道上經(jīng)過(guò)114h飛行到達(dá)近月點(diǎn)Q時(shí)，需要及時(shí)制動(dòng)，使其成為月球衛(wèi)星。之后，又在繞月球軌道上的近月點(diǎn)Q經(jīng)過(guò)兩次制動(dòng)，最終進(jìn)入繞月球的圓形工作軌道Ⅰ。已知“嫦娥一號(hào)衛(wèi)星”質(zhì)量為m0，在繞月球的圓形工作軌道Ⅰ上運(yùn)動(dòng)的高度為h，月球的半徑r月，月球的質(zhì)量為m月，萬(wàn)有引力恒量為G。

（1）求“嫦娥一號(hào)衛(wèi)星”在繞月球圓形工作軌道運(yùn)動(dòng)時(shí)的周期。

（2）理論證明，質(zhì)量為m的物體由距月球無(wú)限遠(yuǎn)處無(wú)初速釋放，它在月球引力的作用下運(yùn)動(dòng)至距月球中心為r處的過(guò)程中，月球引力對(duì)物體所做的功可表示為W=Gm月m/r。為使“嫦娥一

號(hào)”衛(wèi)星在近月點(diǎn)Q進(jìn)行第一次制動(dòng)后能成為月球的衛(wèi)星，且與月球表面的距離不小于圓形工作軌道的高度，其第一次制動(dòng)后的速度大小應(yīng)滿足什么條件？

探究分析 （1）根據(jù)萬(wàn)有引力定律和向心力公式，有Gm月m0(r月+h)2=m04π2T2(r月+h)

解得：T=2π(r月+h)r月+hGm月。

（2）設(shè)“嫦娥一號(hào)衛(wèi)星”在到達(dá)近月點(diǎn)Q（距月球的距離為h）時(shí)進(jìn)行第一次制動(dòng)后的最低速度為v1，則：Gm月m0(r月+h)2=m0v12r月+h，

解得：v1=Gm月r月+h。

設(shè)“嫦娥一號(hào)”衛(wèi)星剛好脫離月球引力的束縛飛離月球，在通過(guò)Q點(diǎn)時(shí)的速度為v2，根據(jù)機(jī)械能守恒定律

12m0v22-Gm月m0r月+h=0

解得：v2=2Gm月r月+h

嫦娥一號(hào)衛(wèi)星能成為月球的衛(wèi)星，其第一次通過(guò)Q點(diǎn)時(shí)的速度v應(yīng)滿足：

Gm月r月+h＜v＜2Gm月r月+h

問(wèn)題情景7 2013年“嫦娥三號(hào)” 探月衛(wèi)星將在海南文昌航天發(fā)射場(chǎng)發(fā)射升空，在月球虹灣區(qū)域順利著陸，進(jìn)行落月探測(cè)90天。設(shè)想“嫦娥三號(hào)”是一種類似四輪小車的月球探測(cè)器，它能夠在自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)的控制下行走，且每隔10s向地球發(fā)射一次信號(hào)。探測(cè)器上裝有兩個(gè)相同的減速器（其中一個(gè)備用），這種減速器可提供的最大加速度為5m/s2。若探測(cè)器的自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)出現(xiàn)故障，從而使探測(cè)器只能勻速前進(jìn)而不能自動(dòng)避開(kāi)障礙物，此時(shí)飛控中心必須對(duì)探測(cè)器進(jìn)行人工遙控操作。假設(shè)月球離地球大約3.0×105km。下表為飛控中心的顯示屏的數(shù)據(jù)：

已知控制中心的信號(hào)發(fā)射與接收設(shè)備工作速度極快，航天工作者每次分析數(shù)據(jù)并輸入命令最少需要3s。問(wèn)：

（1）經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析，你認(rèn)為減速器是否執(zhí)行了減速命令？

（2）假設(shè)你是控制中心的工作人員，應(yīng)采取怎樣的措施？加速度需滿足什么條件？

探究分析

（1）9點(diǎn)10分20秒至9點(diǎn)10分30秒，探測(cè)器的位移為Δx=52-32=20m，探測(cè)器的速度為v0=ΔxΔt=2010=2m/s。

9點(diǎn)10分30秒至9點(diǎn)10分40秒探測(cè)器的位移與9點(diǎn)10分20秒至9點(diǎn)10分30秒的位移相等，故未執(zhí)行減速命令。

（2）應(yīng)啟動(dòng)減速器制動(dòng)。從地面發(fā)射信號(hào)到傳到月球上經(jīng)歷時(shí)間t=3+3×1083×108=4s，地面收到信號(hào)時(shí)刻9點(diǎn)10分40秒，顯示探測(cè)器位置離障礙物12m，實(shí)為9點(diǎn)10分39秒時(shí)的狀態(tài)（信號(hào)傳到地面需要1s），故待探測(cè)器開(kāi)始減速時(shí)距離障礙物的距離為：

Δs=12-v0t=2m，故加速度應(yīng)滿足的條件是a≥v022Δs=1m/s2。

月球是離地球最近的天然衛(wèi)星，月球上不僅礦產(chǎn)資源和能源豐富，而且月球也是人類征服太陽(yáng)系、開(kāi)展深空探測(cè)的前哨陣地和轉(zhuǎn)運(yùn)站。通過(guò)探月工程及其它航天事業(yè)拉動(dòng)高技術(shù)的發(fā)展，比如遙測(cè)技術(shù)、材料技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)等等，這些技術(shù)以后還能轉(zhuǎn)于民用，可以產(chǎn)生更大的效益。2020年前，我國(guó)月球探測(cè)工程以無(wú)人探測(cè)為主，分三個(gè)階段“繞”、“落”、“回”，是一項(xiàng)系統(tǒng)的復(fù)雜工程，青少年對(duì)天文和航天感興趣，作為處在新課改前沿的物理教師，積極開(kāi)發(fā)課程資源，給學(xué)生提供更大的選擇性，嫦娥工程、北斗系統(tǒng)工程……無(wú)疑是實(shí)現(xiàn)中學(xué)物理的知識(shí)與技能、過(guò)程與方法、情感態(tài)度價(jià)值觀三維目標(biāo)非常好的課程資源。我們除了從中學(xué)物理知識(shí)角度分析解釋相應(yīng)的一些情景問(wèn)題、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣外，還能激發(fā)青少年探索未來(lái)、探索大自然的欲望，對(duì)青少年的探索思維進(jìn)行培養(yǎng)。通過(guò)廣泛的宣傳和科普，鞏固并強(qiáng)化學(xué)生的探索興趣，最終把興趣轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)際行動(dòng)，還是對(duì)學(xué)生進(jìn)行愛(ài)國(guó)主義教育、合作精神、嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)、樹立遠(yuǎn)大理想教育的良好課程資源。

(欄目編輯趙保鋼)