研究性學(xué)習(xí)課題實(shí)例

“嫦娥一號(hào)”代表我國(guó)高科技發(fā)展的水平，為此，我講了一節(jié)物理研究性學(xué)習(xí)課，課題為“嫦娥一號(hào)”中的物理學(xué)原理。其設(shè)計(jì)和實(shí)施過(guò)程如下：

1 課題目標(biāo)

（1）學(xué)生自主探索“嫦娥一號(hào)”中的物理學(xué)原理。（2）在探索中培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的物理問(wèn)題的能力，使他們掌握到物理研究的基本方法。

2 課題設(shè)計(jì)

奔月歷程→物理原理→實(shí)驗(yàn)?zāi)M→總結(jié)結(jié)論

（1）發(fā)射過(guò)程→牛頓第三定律、牛頓第二定律→水火箭→真空中靠反作用力提供動(dòng)力。

（2）變軌過(guò)程→萬(wàn)有引力定律、向心力公式、勻速圓周運(yùn)動(dòng)條件、離心運(yùn)動(dòng)條件和“近心”運(yùn)動(dòng)條件→“水流星”實(shí)驗(yàn)、FLASH動(dòng)畫模擬→發(fā)射速度達(dá)到7.9km/s以上，速度越大，橢圓軌道越扁。

（3）近月制動(dòng)過(guò)程→牛頓第二定律、萬(wàn)有引力定律、向心力公式、→計(jì)算速度值v0→v= v0 俘獲，v>v0 飛離，v< v0 撞月。

（4）科學(xué)勘探過(guò)程——查閱網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)。

以上每段過(guò)程的講解采用先實(shí)驗(yàn)探究再挖掘物理原理最后總結(jié)結(jié)論的方法。

3 學(xué)生研究過(guò)程

課前，將學(xué)生分為四個(gè)小組，分別研究發(fā)射過(guò)程、變軌過(guò)程、近月制動(dòng)過(guò)程和科學(xué)勘探過(guò)程，而且可交叉研究。

發(fā)射過(guò)程——第一小組講解

學(xué)生用水火箭演示，如圖1所示，用打氣筒充氣，使水向下噴出，同時(shí)可樂(lè)瓶向上飛起。

學(xué)生解釋，根據(jù)牛頓第三定律，火箭向下噴氣，可獲得向上的反作用力，即推力F，這個(gè)推力F大于火箭重力mg，使火箭上升。根據(jù)牛頓第二定律可知： F - mg = ma 。同理，在運(yùn)行中向后噴氣可加速，向前噴氣可減速。

在火箭發(fā)射過(guò)程中，推力F做正功，而重力mg和阻力f做負(fù)功，可使火箭速度加速到v，只有v≧7.9km/s，才能使火箭上的衛(wèi)星繞地球運(yùn)行而不落地。

即： WF - WG - Wf=(1/2)mv2。

變軌過(guò)程——第二小組講解

學(xué)生首先做“水流星”實(shí)驗(yàn)，如圖2所示，說(shuō)明做圓周運(yùn)動(dòng)的物體需要向心力。然后說(shuō)明：火箭首先將“嫦娥”送入近地軌道，若衛(wèi)星作勻速圓周運(yùn)動(dòng)，則萬(wàn)有引力提供向心力，GMm/r2 = mv12/r可認(rèn)為 r = R ，v1 =(GM/R)1/2。

可見(jiàn)，“嫦娥一號(hào)”要想奔月，必須將近地圓軌道變?yōu)闄E圓軌道，這樣才能接近月球，這就叫“變軌”。學(xué)生繼續(xù)做“水流星”實(shí)驗(yàn)（用空桶，以免水灑出），——減小拉力，桶做離心運(yùn)動(dòng)。

學(xué)生利用FLASH動(dòng)畫繼續(xù)說(shuō)明：

若在A點(diǎn)加速，這時(shí)萬(wàn)有引力沒(méi)有變化，但mv2/r增大，即萬(wàn)有引力不足以提供向心力，F(xiàn) < mv2/r。 嫦娥一號(hào)將做離心運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入超同步軌道，進(jìn)行四次變軌后，進(jìn)入月球轉(zhuǎn)移軌道。

近月制動(dòng)過(guò)程——第三組講解

學(xué)生解釋，要想由繞地球轉(zhuǎn)的衛(wèi)星變?yōu)樵虑蛐l(wèi)星，需要滿足月球?qū)πl(wèi)星的萬(wàn)有引力恰好提供所需向心力，F(xiàn)月 = mv2/r月。主講人說(shuō)，請(qǐng)同學(xué)們計(jì)算——嫦娥一號(hào)應(yīng)將速度變?yōu)槎嗌伲开?/p>

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科學(xué)勘探過(guò)程——第四組講解

學(xué)生通過(guò)在網(wǎng)上查閱資料獲知：嫦娥一號(hào)主要用于獲取月球表面三維影像、分析月球表面有關(guān)物質(zhì)元素的分布特點(diǎn)、探測(cè)月壤厚度、探測(cè)地月空間環(huán)境等。在嫦娥一號(hào)上搭載了8種24臺(tái)件科學(xué)探測(cè)儀器，重130kg，有效載荷包括CCD立體相機(jī)、成像光譜儀、太陽(yáng)宇宙射線監(jiān)測(cè)器和低能粒子探測(cè)器等科學(xué)探測(cè)儀器。

(欄目編輯黃懋恩)

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。