摘 要：物理知識(shí)的內(nèi)化、科學(xué)思維的形成、創(chuàng)新熱情的激發(fā)、探究實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，是物理學(xué)科核心素養(yǎng)培育的基本路徑.以“天問(wèn)一號(hào)”成功發(fā)射為例，結(jié)合教材中典型問(wèn)題的教學(xué)處理，落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)的滲透，為教師教學(xué)中學(xué)科核心素養(yǎng)滲透和學(xué)生核心素養(yǎng)培養(yǎng)提供實(shí)證借鑒.

關(guān)鍵詞：學(xué)科核心素養(yǎng);實(shí)證案例;天問(wèn)一號(hào)

中圖分類號(hào)：G633.7???? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B???? 文章編號(hào)：1008-4134（2021）13-0047-02

作者簡(jiǎn)介：郭樂(lè)水（1964-），男，山東淄博人，本科，中學(xué)高級(jí)教師，研究方向：物理教育教學(xué)理論、課堂教學(xué)改革與評(píng)價(jià).

學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生通過(guò)學(xué)科學(xué)習(xí)而逐步形成的正確價(jià)值觀、必備品格和關(guān)鍵能力[1].通過(guò)基礎(chǔ)概念辨析深化物理觀念，結(jié)合情境分析提升科學(xué)思維品質(zhì)，針對(duì)實(shí)際情境探索激發(fā)科學(xué)探究精神，運(yùn)用科技前沿典型案例培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和社會(huì)責(zé)任，是物理學(xué)科教學(xué)的愿望.

2020年“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器的成功發(fā)射，為物理教學(xué)中學(xué)科核心素養(yǎng)滲透提供了典范性案例.

1 由“天問(wèn)一號(hào)”結(jié)構(gòu)分析，促進(jìn)學(xué)生物理觀念形成

“天問(wèn)一號(hào)”火箭最上端是火星車(chē)整流罩如圖1所示.當(dāng)運(yùn)載火箭在大氣中飛行時(shí)，火星車(chē)整流罩用于保護(hù)火星車(chē)及其它有效載荷，以防止火星車(chē)受空氣阻力吹動(dòng)、摩擦生熱等環(huán)境的影響，它是運(yùn)載火箭的重要組成部分.整流罩的結(jié)構(gòu)盡管極其復(fù)雜，但其前端形狀類似倒扣光滑圓錐曲面.

整流罩外形設(shè)計(jì)有許多準(zhǔn)則，其一是使空氣阻力抖振最小，這樣不僅利于火星車(chē)的保護(hù)，而且易控火箭運(yùn)行方向.否則就像一張紙片、一片樹(shù)葉從高空飄蕩搖曳落下一樣.其二是減小空氣阻力，從而減少克服空氣阻力做的功，達(dá)到減少攜帶燃料、減輕火箭重量的目的.運(yùn)載火箭在大氣中飛行時(shí)，空氣阻力的大小與火箭相對(duì)空氣的運(yùn)動(dòng)速度v有關(guān)，與大氣稀薄程度即空氣密度ρ有關(guān)，與火箭迎風(fēng)面積S有關(guān)，空氣阻力的大小為f=12CρSv2.其中空氣阻力系數(shù)C和火箭整流罩的迎風(fēng)面積、光滑程度及整體形狀有關(guān).

這樣的教學(xué)案例，有利于在實(shí)際問(wèn)題教學(xué)情境實(shí)踐中，培養(yǎng)學(xué)生理解分析和探究實(shí)踐能力，升華物理概念，構(gòu)建物理模型，梳理相關(guān)影響因素，從而找到解決問(wèn)題方法，逐步形成更高層次的物理觀念.

2 由“天問(wèn)一號(hào)”巡天探究，培育學(xué)生科學(xué)思維品質(zhì)

科學(xué)思維是從物理學(xué)視角對(duì)客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識(shí)方式，是基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)物理模型的抽象概括過(guò)程.教學(xué)中要善于運(yùn)用情境分析提升學(xué)生的綜合分析能力、空間想象能力、科學(xué)推理能力、模型建構(gòu)能力，從而健全物理思想，促進(jìn)科學(xué)思維發(fā)展.

2.1 文昌發(fā)射地點(diǎn)有優(yōu)勢(shì)

“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器在海南文昌發(fā)射場(chǎng)發(fā)射，文昌航天發(fā)射中心是我國(guó)距離赤道最近、緯度最低的發(fā)射點(diǎn)（北緯19度19分），因其低緯度區(qū)位優(yōu)勢(shì)，能借助接近赤道的較大線速度，以及慣性帶來(lái)的離心現(xiàn)象，使火箭燃料消耗大大減少.

海南文昌地球自轉(zhuǎn)線速度v=2πRcosθT（ 其中，R是地球赤道半徑，θ為地理緯度），大約440m/s.借助地球由西向東自轉(zhuǎn)的慣性向東發(fā)射.類似于在高速行駛的列車(chē)上，向列車(chē)行駛方向的正前方射擊的子彈，子彈相對(duì)地面的速度是子彈相對(duì)于槍口的速度和列車(chē)行駛速度之和.

2.2 天體運(yùn)行的客觀規(guī)律

在太陽(yáng)系這個(gè)“大操場(chǎng)”上，地球和火星分列三、四道，逆時(shí)針繞著太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)，公轉(zhuǎn)周期分別為365天、 687天，推測(cè)地球和火星處于最近點(diǎn)的時(shí)間間隔約為780天，約26個(gè)月.

2020年10月14日呈現(xiàn)“火星沖日”的天文學(xué)現(xiàn)象，火星、地球和太陽(yáng)三者所處的軌道位置大致在一條直線上，火星和地球的距離相對(duì)最近.因地球、火星探測(cè)器、火星三者同時(shí)在各自的軌道上獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，所以要提前發(fā)射，如圖2所示.如同坐在轉(zhuǎn)盤(pán)上對(duì)轉(zhuǎn)盤(pán)外相對(duì)地面靜止目標(biāo)射擊一樣，況且火星還在旋轉(zhuǎn).火星探測(cè)器最佳的發(fā)射時(shí)機(jī)是“火星沖日”之前兩個(gè)月左右.因此我國(guó)“天問(wèn)一號(hào)”選擇7月23日發(fā)射.

2.3 巡天原理及艱辛歷程

“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器組合體被直接加速到超過(guò)11.2km/s的地球逃逸速度，擺脫地球引力進(jìn)入地火轉(zhuǎn)移軌道，成為繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的人造衛(wèi)星.它利用慣性，在太陽(yáng)、地球、火星三者與火星探測(cè)器間的萬(wàn)有引力共同作用下飛行.期間，經(jīng)歷了多次的軌道修正、軌道機(jī)動(dòng)、軌道“剎車(chē)”.

火星的第一宇宙速度是3.53km/s，“天問(wèn)一號(hào)”進(jìn)入火星大氣層時(shí)速度約為4.9km/s.若制動(dòng)時(shí)機(jī)把握不當(dāng)，要么會(huì)因速度過(guò)快與火星擦肩而過(guò);要么會(huì)因速度過(guò)慢墜毀在火星上.“天問(wèn)一號(hào)”在接近火星的時(shí)候，抓住時(shí)機(jī)制動(dòng)，完美“剎車(chē)”降速，成為火星的一顆人造衛(wèi)星，其軌道為近火點(diǎn)高度約400km、遠(yuǎn)火點(diǎn)高度約180000km、周期約10個(gè)地球日的橢圓軌道.隨后調(diào)整進(jìn)入火星極地軌道，再“剎車(chē)”進(jìn)入停泊軌道，開(kāi)啟了為期3個(gè)月的環(huán)繞勘測(cè).

“天問(wèn)一號(hào)”的發(fā)射，充分利用了地球自轉(zhuǎn)慣性線速度和萬(wàn)有引力作用，既縮短了飛行歷程，又節(jié)省了更多的燃料攜帶.以及在“天問(wèn)一號(hào)”即將到達(dá)火星時(shí)的完美“剎車(chē)”被火星捕獲等情境中，引導(dǎo)學(xué)生提升構(gòu)建模型、科學(xué)推理、科學(xué)思維的能力.

3 由“天問(wèn)一號(hào)”火星繞落，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力

科學(xué)探究是基于觀察和實(shí)驗(yàn)提出物理問(wèn)題、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、處理信息并得出結(jié)論.教學(xué)中開(kāi)展借“天問(wèn)一號(hào)”測(cè)火星質(zhì)量、模擬著陸器著陸實(shí)驗(yàn)等科學(xué)探究活動(dòng).同時(shí)，利用“天問(wèn)一號(hào)”的發(fā)射激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新熱情和社會(huì)責(zé)任感.

3.1 “天問(wèn)一號(hào)”繞火星運(yùn)動(dòng)測(cè)火星質(zhì)量

“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器停泊軌道周期約2個(gè)火星日 （一個(gè)火星日平均時(shí)長(zhǎng)是24小時(shí)39分）.將停泊軌道視為圓軌道，由GmMr2=m2πT2r可得火星的質(zhì)量M.其中，G是萬(wàn)有引力常數(shù)，T是“天問(wèn)一號(hào)”停泊軌道周期，r是軌道半徑.

3.2 模擬著陸器避障懸停探究反推力

“天問(wèn)一號(hào)”著陸器和火星車(chē)的總重約1.3噸，在著陸時(shí)探測(cè)器會(huì)進(jìn)行避障懸停，這時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)向下噴火以獲得反推力如圖3.避障懸停簡(jiǎn)化為平衡靜止?fàn)顟B(tài)，由受力分析可知，反推力F等于著陸器和火星車(chē)的總重力mg，即F=mg（其中m=1300kg，g是火星表面的重力加速度）.火星的直徑約是地球直徑的12，火星的質(zhì)量約是地球質(zhì)量的19，由萬(wàn)有引力GmMR2=mg，可得火星表面的重力加速度g火=49g地，從而得反推力F.

4 結(jié)束語(yǔ)

“天問(wèn)一號(hào)”的成功發(fā)射對(duì)中學(xué)生來(lái)說(shuō)，看似遙不可及，沒(méi)有任何關(guān)聯(lián)，實(shí)則與中學(xué)物理教學(xué)息息相關(guān)，其一系列的工作原理與高中物理知識(shí)教學(xué)有著密切的聯(lián)系，是高中物理知識(shí)的延伸與應(yīng)用.

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）[M].北京：人民教育出版社，2020.

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[3]晉文梅.高中物理教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的探索與實(shí)踐[J].中學(xué)物理，2018，36（19）：35-38.

（收稿日期：2021-04-25）