李佩寧

2013年，荷蘭非營利組織“火星一號(hào)”曾宣布一個(gè)計(jì)劃，將在全球海選數(shù)人前往火星，甚至在那里定居，一旦登陸火星，就無法重返地球。這一組織在兩周內(nèi)收到大約7.8萬份移民火星的申請(qǐng)。應(yīng)征者數(shù)量最多的是美國，17324人；其次是中國10241人；英國有3581人。如果說這個(gè)舊聞?dòng)行┗孟肷?，那么從中國腳踏實(shí)地的航天計(jì)劃來看，火星探測(cè)計(jì)劃已經(jīng)悄悄啟動(dòng)。早在2011年發(fā)射的“螢火一號(hào)”會(huì)是該計(jì)劃的首顆火星探測(cè)器。2016年3月，航天專家葉培建透露，中國準(zhǔn)備在2020年發(fā)射火星探測(cè)器，并于次年登陸火星。

在宏大的火星探索計(jì)劃中，載人宇宙飛船著陸是非常重要和艱巨的任務(wù)。試想，飛行器的運(yùn)行速度高達(dá)每小時(shí)29000公里，在接近目標(biāo)時(shí)，速度要放緩，還必須要保證人的安全。這樣的事要如何完成呢？對(duì)于學(xué)生而言，有必要關(guān)注這些問題解決的出發(fā)點(diǎn)和方向，因?yàn)橐苍S有一天，將會(huì)由他們踏上火星的紅色土地。

一、課程重點(diǎn)

試著討論宇宙飛船著陸可能要面臨的方方面面的問題，就是本課程的核心內(nèi)容。

【涉及領(lǐng)域】航空技術(shù)、物理學(xué)、社會(huì)學(xué)、數(shù)學(xué)

【建議年級(jí)】5年級(jí)以上

【建議時(shí)間】125分鐘

【建議材料】（每組）紙杯1個(gè)、毛根5根、手掌大小的硬紙板2塊、吸管4根、氣球1個(gè)、皮筋2個(gè)、毛絨球3個(gè)、白紙1張、膠帶足量、紗線足量（測(cè)量用）、剪刀、鉛筆

二、課程任務(wù)

介紹與宇宙飛船航行和著陸相關(guān)的先備知識(shí)，檢查學(xué)生對(duì)主要概念的理解。借助身邊的材料來制作簡(jiǎn)單的宇宙飛船著陸的模型，借此來說明和探討在真正的宇宙飛船著陸火星的時(shí)候需要考慮的問題和解決途徑，并從中體會(huì)太空探索的困難和危險(xiǎn)性。

三、課程步驟

1.導(dǎo)入（25分鐘）

【第一步】介紹火星?；鹦牵∕ars）是太陽系八大行星之一，是太陽系由內(nèi)往外數(shù)的第四顆行星，屬于類地行星，直徑約為地球的一半，自轉(zhuǎn)軸傾角、自轉(zhuǎn)周期均與地球相近，公轉(zhuǎn)一周約為地球公轉(zhuǎn)時(shí)間的兩倍?；鹦堑闹亓κ堑厍虻?/5，表面積只有地球的1/4，體積只有地球的15%，質(zhì)量只有地球的11%。在西方稱為“戰(zhàn)神瑪爾斯”，中國則稱為“熒惑”。橘紅色外表是因?yàn)榈乇淼某噼F礦（氧化鐵）。火星基本上是沙漠行星，地表沙丘、礫石遍布。二氧化碳為主的大氣既稀薄又寒冷，沙塵懸浮其中，每年常有塵暴發(fā)生。火星兩極皆有水冰與干冰組成的極冠，會(huì)隨著季節(jié)消長?；鹦菑牡厍蛏先庋劭梢姡冉鹦?、月球和太陽暗，但在大部分時(shí)間里比木星亮。2015年9月2日，美國宇航局公布火星勘測(cè)軌道飛行器拍攝的火星地表，并用顏色編碼的形式展示出來；9月28日，美國航天局宣布，在火星表面發(fā)現(xiàn)液態(tài)水。

【第二步】引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注宇宙飛船降落會(huì)遇到的困難，提示學(xué)生，引發(fā)探討和歸納，著陸主要會(huì)遇到諸如以下困難或更多：

（1）減速問題；

（2）防止旋轉(zhuǎn)問題（飛行姿態(tài)的調(diào)整）；

（3）耐摩擦高溫問題。

【第三步】教師列舉一些需要提前掌握的必要的概念，并簡(jiǎn)單講解。以下是各個(gè)小組針對(duì)挑戰(zhàn)性的任務(wù)進(jìn)行頭腦風(fēng)暴時(shí)，要理解和應(yīng)用的一些主要概念：

（1）空氣阻力：指空氣對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的阻礙力，是運(yùn)動(dòng)物體受到空氣的彈力而產(chǎn)生的。火星上雖然空氣稀薄，但是空氣阻力仍不能忽略。

（2）力的平衡：在力學(xué)系統(tǒng)里，平衡是指物體受到幾個(gè)力的作用，仍保持靜止?fàn)顟B(tài)，或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，或繞軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的狀態(tài)，叫做物體處于平衡狀態(tài)，簡(jiǎn)稱“平衡”。在宇宙飛船著陸時(shí)，由于涉及到著陸姿態(tài)，連同旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)也必須考慮。

（3）重力：物體由于地球的吸引而受到的力叫重力。在火星上則主要考慮火星的吸引產(chǎn)生的指向火星核心方向的力，即火星重力，是地球重力的2/5。

（4）減震：減少和吸收震動(dòng)，通常用于減震的裝置都是某種緩沖裝置，具有一定的彈性構(gòu)造。

（5）減速運(yùn)動(dòng)：隨著時(shí)間速度不斷減小的運(yùn)動(dòng)。火星著陸需要的是宇宙飛船在觸及火星表面的剎那，與火星的相對(duì)速度越小越好。

【第四步】出示圖片，讓學(xué)生聯(lián)系剛才教授的概念，并指出重點(diǎn)。出示空氣阻力的圖片（如圖1）。重點(diǎn)在于空氣阻力與重力方向相反，使下落速度變緩。

出示力的平衡圖片（如圖2）。重點(diǎn)在于作用力成對(duì)出現(xiàn)，大小相等，方向相反。

出示重力的圖片（如圖3）。重點(diǎn)在于如果沒有重力，要理解所有的事物會(huì)漂浮起來，就像宇航員在宇宙飛船里的狀態(tài)一樣。

出示牛頓第一定律的圖片（如圖4）。牛頓第一定律是指任何物體都會(huì)保持勻速直線運(yùn)動(dòng)或靜止?fàn)顟B(tài)，直到不平衡的外力迫使它改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為止，例如在絕對(duì)光滑表面滾動(dòng)的球。

出示減震器的圖片（如圖5）。減震器用來吸收機(jī)械中或其他結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的震動(dòng)或脈沖。試想蘋果從樹上掉落，大多數(shù)在落地時(shí)會(huì)撞傷，因?yàn)槿鄙倬彌_。

2.宣布任務(wù)和評(píng)價(jià)量規(guī)，小組準(zhǔn)備（10分鐘）

宣布任務(wù)。假設(shè)已經(jīng)選好火星著陸點(diǎn)，任務(wù)是設(shè)計(jì)一個(gè)宇宙飛船，實(shí)現(xiàn)安全著陸。宇宙飛船模型用杯子替代，杯子內(nèi)部的三個(gè)絨球玩具代表宇航員。要求觀察現(xiàn)有模型的著陸情況。然后，用工程設(shè)計(jì)的思路，使用有限的材料制作和改裝“宇宙飛船”，讓它能夠安全著陸，保證“宇航員”的安全。在測(cè)試過程中，嘗試用不同的方法改進(jìn)著陸過程。要求如下：

（1）用有限的素材和膠帶設(shè)計(jì)、改進(jìn)“宇宙飛船”，材料越少越好；

（2）不允許將“宇航員”密封于紙杯內(nèi)；

（3）紗線只能用于測(cè)算高度。

3.任務(wù)的執(zhí)行（40分鐘）

由于任務(wù)具有一定難度，教師應(yīng)當(dāng)監(jiān)督學(xué)生完整地完成“工程設(shè)計(jì)循環(huán)”并適時(shí)提問，包括：

（1）頭腦風(fēng)暴：設(shè)計(jì)和建造模型?？商釂枺?/p>

——當(dāng)你起跳時(shí)，你會(huì)彎曲后背和膝蓋，用于承受部分能量，使下落更緩慢。這對(duì)你們有什么啟發(fā)？

——為了讓著陸緩慢，運(yùn)用所給材料，你能設(shè)計(jì)哪種類型的減震器？

——如何才能保證飛船下落卻不翻倒？

（2）初步測(cè)試。可適時(shí)提問或提示：

——列出設(shè)計(jì)模型使用的材料，計(jì)算目前的總花費(fèi)。想一想是否有不必要的花費(fèi)？

——將紗線拉直，以便測(cè)算高度，宇宙飛船從指定高度下落，測(cè)試五次，然后在紙上記錄數(shù)據(jù)。你們的目標(biāo)高度是多少？

——在較高地方釋放你們?cè)O(shè)計(jì)的“宇宙飛船”時(shí)，如何讓它盡量與地面垂直？

（3）評(píng)估與重新設(shè)計(jì)。教師視情況提問：

——哪些設(shè)計(jì)是有效的，哪些需要改善？

——是否出現(xiàn)了下落過程中翻倒？釋放宇宙飛船時(shí)是否水平？杯子內(nèi)部重力分布是否均勻？是否要考慮宇宙飛船底部面積？

——“宇航員”（絨球玩具）是否飛出“宇宙飛船”（紙杯）？是否該增加柔軟的鋪墊物或者改變減震器的數(shù)量？是否該減少彈簧（毛根所做的彈簧）的彈力？如何辦到？

（4）最終測(cè)試。教師提問：

——你們小組最新的設(shè)計(jì)是否又用到了新材料？是否放棄了某些材料？

——你們的設(shè)計(jì)是否還能進(jìn)行材料精簡(jiǎn)？

（5）正式比賽。賽前要求各小組至少在最終測(cè)試時(shí)測(cè)試了五次并記錄數(shù)據(jù)，包括材料數(shù)量、高度和成功與否，并在展示環(huán)節(jié)進(jìn)行說明。

4.總結(jié)與反思（20分鐘）

在總結(jié)階段，請(qǐng)學(xué)生反思以下問題：

（1）除了減震裝置，哪些組想到了使用降落傘？使用降落傘有什么難點(diǎn)？在真正登陸火星時(shí)，使用降落傘到底好不好？為什么？

（2）大家認(rèn)為，哪些材料是必要的？為什么？

（3）哪個(gè)小組做的最好？為什么？

（4）拓展思考：真正登陸火星時(shí)，需要使用火箭減速和變向。分析需要幾個(gè)火箭，分別要安裝在哪里。

（責(zé)任編輯 郭向和）