“同步衛(wèi)星的變軌發(fā)射”教學(xué)演示

一、問題提出

人教版高一物理教材“萬有引力定律”一章中有“萬有引力的應(yīng)用——人造地球衛(wèi)星”一節(jié)課，其中對“同步衛(wèi)星”的內(nèi)容只是簡單提及，課本上并未對此作詳細(xì)描述。而有關(guān)“同步衛(wèi)星”的應(yīng)用問題卻經(jīng)常出現(xiàn)在學(xué)生的學(xué)習(xí)材料中，學(xué)生問及此問題的較多，從解答學(xué)生的提問可以看出，學(xué)生對同步衛(wèi)星發(fā)射的知識內(nèi)容也非常感興趣。

“同步衛(wèi)星”確實是一個非常有價值而且能夠激發(fā)學(xué)習(xí)者興趣的話題。但涉及的問題無法用實物演示，單靠課堂繪圖講解又難以講解清楚。為此，在對該問題進(jìn)行學(xué)習(xí)和分析的基礎(chǔ)上，我給學(xué)生安排了一節(jié)“同步衛(wèi)星的變軌發(fā)射”的教學(xué)課，同時考慮選用《仿真物理實驗室》軟件進(jìn)行輔助課堂教學(xué)演示。

二、教學(xué)準(zhǔn)備

在講解這個問題之前，我先向?qū)W生布置以下問題，要求學(xué)生在課外做好學(xué)習(xí)準(zhǔn)備：

(1)同步衛(wèi)星運行的高度及特點?

(2)發(fā)射同步衛(wèi)星常用的方法?

讓學(xué)生針對以上問題，去查找相關(guān)材料(上網(wǎng)或找圖書資料)。

同時老師進(jìn)行課堂教學(xué)用的演示課件準(zhǔn)備。

三、教學(xué)過程描述

活動一：問題情景描述

1 學(xué)生匯報

學(xué)生通過查閱資料和自己的思考，基本上能夠做出如下解釋：

把衛(wèi)星發(fā)射到同步軌道上去有兩種方法：一是直線發(fā)射，由火箭把衛(wèi)星發(fā)射到36000 km的赤道上空，然后做九十度的轉(zhuǎn)折飛行，使衛(wèi)星進(jìn)入軌道。另一種是變軌發(fā)射。變軌發(fā)射就是發(fā)射的過程中不直接進(jìn)入目標(biāo)軌道，而是先進(jìn)入停泊軌道，然后再進(jìn)入目標(biāo)軌道，有一個變換軌道的過程。

2 教師總結(jié)、啟發(fā)引導(dǎo)

根據(jù)學(xué)生的回答，教師總結(jié)學(xué)生的匯報，引導(dǎo)并簡單地進(jìn)行衛(wèi)星變軌發(fā)射的情景描述：

(1)先把衛(wèi)星發(fā)射到高度約200\"'300 km的圓形軌道上，這條軌道叫停泊軌道；

(2)衛(wèi)星在停泊軌道上運行，當(dāng)其穿過赤道平面時，末極火箭點火工作，使衛(wèi)星進(jìn)入一條大的橢圓軌道。

(3)當(dāng)衛(wèi)星進(jìn)入一奈大的橢圓軌道時，其遠(yuǎn)地點恰好在赤道上空36000 km處，當(dāng)衛(wèi)星運行至這一點時，再開動衛(wèi)星上的發(fā)動機，使之進(jìn)入同步軌道。

總結(jié)：由于變軌發(fā)射運載火箭消耗的燃料較少。發(fā)射場的位置也不受限制，目前各國發(fā)射同步衛(wèi)星都用第二種方法。但這種方法在操作和控制上都比較復(fù)雜。

活動二：模擬情景演示

1 衛(wèi)星在停泊軌道的運行演示

衛(wèi)星在進(jìn)入停泊軌道后，在距地面200～300 km的高度上做圓周運動，其條件是：向心力由重力提供，衛(wèi)星環(huán)繞速度為7.9 km／s。

其中，老師在演示該問題時一定引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系物體做圓周運動的條件來觀察和學(xué)習(xí)。

2 速度與環(huán)繞關(guān)系的課件演示——啟發(fā)與引導(dǎo)

在教學(xué)演示衛(wèi)星的變軌運行之前，我先安排了速度與環(huán)繞關(guān)系的教學(xué)演示，其目的是讓學(xué)生了解不同速度情況下衛(wèi)星運動軌道變化的規(guī)律。

第一步：打開《仿真物理實驗室》軟件，設(shè)置人造地球衛(wèi)星運行的物理環(huán)境，輸入衛(wèi)星運行的速度參數(shù)，v=6.7千米／秒。

運行軟件，要求學(xué)生仔細(xì)觀察。

此時，衛(wèi)星脫離停泊軌道，落回地球表面。

(引導(dǎo)學(xué)生思考問題：為何此時衛(wèi)星脫離運行軌道落回地球表面?)

第二步：老師改變速度參數(shù)，分別以v=7.9千米／秒；v=8.0千米／秒；v=10.2千米／秒；v=11.2千米／秒等作為速度參數(shù)。讓學(xué)生觀看衛(wèi)星的運動軌跡變化。

3 變軌發(fā)射的過程演示

在上述教學(xué)演示的基礎(chǔ)上，我通過課前準(zhǔn)備的教學(xué)課件，再把同步衛(wèi)星變軌發(fā)射的過程向?qū)W生進(jìn)行課堂演示，從而使學(xué)生對學(xué)習(xí)的問題有一個較完整的認(rèn)識和了解。如果學(xué)生愿意更進(jìn)一步地去學(xué)習(xí)，除學(xué)習(xí)相關(guān)的資料外，不妨讓學(xué)生利用一些仿真物理學(xué)習(xí)軟件來研究問題，它或許是一種行之有效的方法。

四、小結(jié)

通過教學(xué)演示，不僅使學(xué)生了解同步衛(wèi)星變軌發(fā)射的過程和同步衛(wèi)星的基本特征，同時老師通過教學(xué)過程的設(shè)計，使學(xué)生對物體做圓周運動的條件和速度與環(huán)繞軌道變化的關(guān)系，通過相應(yīng)的工具軟件進(jìn)行了一次直觀形象的再學(xué)習(xí)，它將對學(xué)生鞏固《圓周運動》一章內(nèi)容的學(xué)習(xí)產(chǎn)生深刻影響。

(作者單位：河南省洛陽市教師進(jìn)修學(xué)校)