王舒琴

摘 要：高中物理必修理2中，有許多知識點(diǎn)都必須通過演示各種教學(xué)儀器才能表達(dá)清楚，特別是像人造衛(wèi)星、近地衛(wèi)星、同步衛(wèi)星和極地衛(wèi)星之間的相對運(yùn)動(dòng)關(guān)系，一般教師在上課時(shí)很難口頭上表達(dá)清楚，而且學(xué)生也很難想象出這空間關(guān)系。通過此演示教具能快速理解掌握此難點(diǎn)問題。同時(shí)還講解此教具的具體使用方法。適用于初高中學(xué)物理及大專院校物理，教學(xué)儀器廠、玩具廠、五金廠均能生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：人造衛(wèi)星 自動(dòng)旋轉(zhuǎn)教具 設(shè)計(jì) 使用

一、背景技術(shù)

高中物理必修理2中萬有引力與航天的衛(wèi)星問題讓好多學(xué)生感到困惑，原因之一是衛(wèi)星種類多，有近地衛(wèi)星、極地衛(wèi)星、同步衛(wèi)星，既要掌握各衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)規(guī)律并且還要和地面上物體進(jìn)行比較，尤其是近地衛(wèi)星與地球表面物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的差異更是學(xué)生理解上的難點(diǎn)。原因之二是教師對衛(wèi)星規(guī)律的講解停留在理論上，沒有現(xiàn)成的教具幫助學(xué)生理解，學(xué)生只能通過理論推理了解衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律，學(xué)生不易撐握，且容易遺忘。[1]

二、教學(xué)原理

所有的衛(wèi)星都圍繞著地球旋轉(zhuǎn)，只是各類衛(wèi)星的旋轉(zhuǎn)半徑和旋轉(zhuǎn)速度不一樣。地球上的人或事物隨著地球自轉(zhuǎn)也同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，近地衛(wèi)星離地球最近，可是旋轉(zhuǎn)的速度最快；同步衛(wèi)星離地球的距離是最近，它旋轉(zhuǎn)的角速度和地球的角速度一致，兩者間的相對位置為固定的；極地衛(wèi)星離地球的距離最遠(yuǎn)，它的角速度可以快也可以慢。

三、設(shè)計(jì)目標(biāo)

為克服上述缺陷，旨在提供一種能讓學(xué)生在理論基礎(chǔ)上對衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)有直觀的認(rèn)識，便于學(xué)生理解，使學(xué)生留下深刻印象，產(chǎn)生長久記憶衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌跡演示教具及其使用方法。[2]

設(shè)計(jì)制作出一臺適合各類衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)時(shí)的教學(xué)教具，能讓學(xué)生一目了然地知道衛(wèi)星軌道半徑越大線速度越小，近地衛(wèi)星的線速度比地球表面物體的線速度要大得多，同步衛(wèi)星軌道面必須與赤道共面，同步衛(wèi)星的角速度與地球自轉(zhuǎn)角速度相同。使學(xué)生很直觀、有效地辨認(rèn)出赤道上物體、近地衛(wèi)星和同步衛(wèi)星線速度大小關(guān)系，順利地解釋同步衛(wèi)星軌道面、角速度的特征。[3]

四、設(shè)計(jì)技術(shù)方案

同步衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)方向和地球自轉(zhuǎn)的方向一致，同步衛(wèi)星在赤道上空相對地球靜止，它繞地球的運(yùn)動(dòng)與自轉(zhuǎn)同步，設(shè)計(jì)時(shí)就可以把同步衛(wèi)星和地球自轉(zhuǎn)時(shí)用同一馬達(dá)來帶動(dòng)控制。[4]

地球儀采用普通的地球儀，為了讓學(xué)生能夠清楚的看到相對人或事物，在地球儀赤道表面固定上一個(gè)塑料模型人，這樣就可以把人作為我們自己的定位點(diǎn)，來觀察其他衛(wèi)星相對于人的運(yùn)動(dòng)情況。地球儀采用標(biāo)準(zhǔn)購買的地球儀，衛(wèi)星采用塑料泡沫根據(jù)衛(wèi)星的形狀自己手工制作，可以根據(jù)衛(wèi)星的實(shí)際樣子，也可以根據(jù)自己的想象定制，衛(wèi)星是固定在衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌道上的，軌道做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，衛(wèi)星也就跟著做圓周運(yùn)動(dòng)了。

同步衛(wèi)星距離地球表面的距離約為地球半徑的5倍，同步衛(wèi)星的運(yùn)行軌跡半徑就是地球半徑的6倍，這之間盡量要按此尺寸來設(shè)計(jì)。

近地衛(wèi)星距離地球表面很近，可是轉(zhuǎn)速卻比地球自轉(zhuǎn)速度快，需要把近地衛(wèi)星用單獨(dú)一個(gè)馬達(dá)來帶動(dòng)控制。

極地衛(wèi)星需要在同步衛(wèi)星的外圍，需要更大的運(yùn)動(dòng)軌跡，而且運(yùn)動(dòng)軌跡必須以地球的兩極為軸心旋轉(zhuǎn)。設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮用獨(dú)立的馬達(dá)來控制。

極地衛(wèi)星也可以放在一起，而且可以根據(jù)實(shí)際需要來方便拆卸，要用的時(shí)候裝上，不要用的時(shí)候拿掉，設(shè)計(jì)時(shí)就需要考慮如何方便拆裝。

為了能夠看清各個(gè)衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)軌跡，把衛(wèi)星的模型固定在各個(gè)衛(wèi)星運(yùn)行軌跡的鋼圈上，通過鋼圈做圓周運(yùn)動(dòng)來帶動(dòng)衛(wèi)星模型的運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)軌跡的鋼圈又用三根鋼條連接。

3.齒輪和3個(gè)馬達(dá)用齒帶連接，3個(gè)齒輪又和3個(gè)模型連接，而3個(gè)齒輪之間用2根軸來過穿連接，所有的軸用一個(gè)垂直的支架來固定。

把地球儀、近地衛(wèi)星、同步衛(wèi)星的軸心都在同一軸心上，通過一個(gè)固定的支持柱固定，內(nèi)部穿入轉(zhuǎn)動(dòng)軸，轉(zhuǎn)動(dòng)軸上固定齒輪，從而來帶動(dòng)衛(wèi)星來旋轉(zhuǎn)，而且3個(gè)圓心都是地球儀的中心，

增加極地衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)軌跡，用一個(gè)更大的圓環(huán)，圓弧的底部連接一塊小鐵塊，小鐵塊與底板之間用螺絲連接，整個(gè)圓環(huán)可以做垂直方向的圓周運(yùn)動(dòng)，只是不能360的旋轉(zhuǎn)，只能正反方向各轉(zhuǎn)120°左右，不能自己旋轉(zhuǎn)，安裝在軌跡上的極地衛(wèi)星只能靠手工去撥動(dòng)，軌跡的圓周方向也只能靠手工去擺動(dòng)。

五、使用方法

步驟一：準(zhǔn)備，通過控制器分別調(diào)節(jié)地球電機(jī)、近地衛(wèi)星電機(jī)、同步衛(wèi)星電機(jī)和極地衛(wèi)星電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使近地衛(wèi)星環(huán)的轉(zhuǎn)速大于地球儀的轉(zhuǎn)速，同步衛(wèi)星環(huán)的轉(zhuǎn)速與地球儀的轉(zhuǎn)速一樣，極地衛(wèi)星環(huán)的轉(zhuǎn)速小于地球儀的轉(zhuǎn)速，同時(shí)，把同步衛(wèi)星模型調(diào)整到人模的正上方，把近地衛(wèi)星模型與極地衛(wèi)星模型調(diào)整到同步衛(wèi)星模型的位置；

步驟二：演示，同時(shí)啟動(dòng)地球電機(jī)、近地衛(wèi)星電機(jī)、同步衛(wèi)星電機(jī)和極地衛(wèi)星電機(jī)，或用手工的方法把極地衛(wèi)星模型沿極地衛(wèi)星環(huán)以低于同步衛(wèi)星模型的線速度同向移動(dòng)。

演示此教具，通過不同轉(zhuǎn)速的電機(jī)來帶動(dòng)近地、同步、極地衛(wèi)星環(huán)，使固定在其上的近地、同步、極地衛(wèi)星模型繞地球儀轉(zhuǎn)動(dòng)，直觀的演示了各種人造衛(wèi)星繞地球運(yùn)行時(shí)的速度，使學(xué)生更易于理解與記憶。

結(jié)語

通過本發(fā)明的各類人造衛(wèi)星自動(dòng)旋轉(zhuǎn)演示教具以及使用方法，讓學(xué)生在理論基礎(chǔ)上對衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)有直觀的認(rèn)識，便于學(xué)生理解，使學(xué)生留下深刻印象，產(chǎn)生長久記憶。演示教具在與地球儀赤道共面的情況下設(shè)制了一顆近地衛(wèi)星模型、一顆同步衛(wèi)星模型和一顆極地衛(wèi)星模型，能動(dòng)態(tài)演示地球的自轉(zhuǎn)和衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)?？梢员容^的規(guī)律有衛(wèi)星半徑越大，線速度越?。坏厍虮砻嫖矬w和近地衛(wèi)星的規(guī)律；地球表面物體和同步衛(wèi)星的規(guī)律。

參考文獻(xiàn)

[1]顧勁揚(yáng)，勵(lì)建安：同步衛(wèi)星、近地衛(wèi)星和赤道上物體問題分析.《新高考：高一物理》2014（2）

[2]趙素英：赤道上物體、近地衛(wèi)星、同步衛(wèi)星的區(qū)別.《數(shù)理化學(xué)習(xí)》， 2009（6）

[3]王書祥：衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的幾個(gè)常見問題.《考試周刊》， 2010（43）：174-175

[4]王杰民：天體軌道演示儀.專利CN8720854491987-05-25endprint