十六春秋繞落回 深度研究提素養(yǎng)

金嵩洲 陳新

摘 要：以“嫦娥五號”為素材，以“射、繞、落、接、回”等過程為主線，依據(jù)情景、設置問題、編制習題，學生在情景解讀、習題解析、問題解決過程中，關鍵能力與核心素養(yǎng)得以提升.

關鍵詞：嫦娥五號;問題設置;關鍵能力

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）09-0064-02

作者簡介：金嵩洲（1980-），男，浙江上虞人，本科，中學高級教師，研究方向：中學物理教學;

陳新（1968-），男，浙江上虞人，碩士，中學高級教師，研究方向：課堂教學、命題，青年教師培優(yōu).

1 力拔山河奔蒼穹

地面發(fā)射：長征五號運載火箭全長約60m，起飛最大質(zhì)量約870噸，起飛最大推力約1.06×107N.

根據(jù)上述素材，我們可以設置時間、位移、單位制類簡單概念題， 也可以從動力學、運動學角度設置問題，還可以設置超重、失重類問題等.

例題1 承擔嫦娥五號探測器發(fā)射任務的長征五號運載火箭，是我國新一代大推力火箭，箭體全長約60m.在點火瞬間，發(fā)動機提供1.0×107N的推力，成功將探測器送入預定軌道.假設火箭在豎直升空的起始階段加速度可視為恒定，圖1為試驗發(fā)射后第5s末的照片.地表重力加速度取g=10m/s2.不考慮點火瞬間質(zhì)量的變化，則點火瞬間箭體總質(zhì)量約為

A.8.0×104kg B.8.0×105kg

C.8.0×106kg D.4.0×106kg

解讀：本題教與學可從以下幾方面展開：（1）讀圖、估算能力.從圖示、照片中獲取信息，將箭體全長60m這一信息與圖中刻度結合，估算位移.（2）運動學知識處理問題的能力.加速度的計算.（3）受力分析和牛頓第二定律綜合運用的能力.箭體總質(zhì)量的計算……思維一波三折，能力要求高.

2 成竹在胸繞月飛

剎車捕獲：2020年11月28日，嫦娥五號探測器在月球上空進行兩次制動，進入預定軌道.第一次剎車，先被月球引力捕獲，在一個周期約為8小時的環(huán)月橢圓軌道I上運動;第二次成功近月制動后進入高度約為h=200km的環(huán)月圓軌道，探測器環(huán)月飛行周期約為T=126.93min.已知月球半徑為R月=1.738×106m.

根據(jù)上述素材，我們可以求中心天體質(zhì)量、平均密度;設置變軌類問題;可以定性比較橢圓軌道和圓軌道的運行速度等參量;可以對環(huán)月圓軌道運動參量進行定量求解等.

例題2 （2021-1浙江選考）嫦娥五號探測器是我國首個實施月面采樣返回的航天器，由軌道器、返回器、著陸器和上升器等多個部分組成.為等待月面采集的樣品，軌道器與返回器的組合體環(huán)月做圓周運動.已知引力常量G=6.67×10-11N·m2/kg2，地球質(zhì)量m1=6.0×1024kg，月球質(zhì)量m2=7.3×1022kg，月地距離r1=3.8×105km，月球半徑r2=1.7×103km.當軌道器與返回器的組合體在月球表面上方約200km處做環(huán)月勻速圓周運動時，其環(huán)繞速度約為

A.16m/s B.1.1×102m/s

C.1.6×103m/s D.1.4×104m/s

解讀：本題教與學可從以下幾方面展開：

（1）對象建模能力.研究誰繞誰轉(zhuǎn).（2）數(shù)據(jù)分析遴選能力.本題給出多余數(shù)據(jù)，有干擾，學生需正確選取有效信息.（3）運用規(guī)律解決問題能力.萬有引力定律與圓周運動模型結合，分析計算……

3 地月變換顯差異

月面工作：嫦娥五號探測器在月面的主要工作是采樣挖土，這也是我國首次月面自動采樣.可以依托“月面”“地面”工作環(huán)境，設置月面起降運動類、月面機車啟動類、太陽能電池吸能放能類問題等.

例題3 在離地球表面和離月球表面高5m處，由靜止各釋放一片小樹葉，小樹葉落到地球表面和月球表面的時間分別為

A.0.5s 2.56s B.1s 2.56s

C.2.56s 1s D.4s 2.56s

解讀：本題教與學可從以下幾方面展開：

（1）外部環(huán)境變化的洞察能力.月球表面和地球表面重力加速度不同，月球表面幾乎沒有大氣.（2）模型成立的條件分析.研究自由落體運動是不是無條件成立的？（3）具體物體抽象建模能力.在地面附近，樹葉的下落能不能忽略空氣阻力，能不能看成是自由落體運動;月球表面附近又如何？換作石頭類重物又如何……

4 萬里穿針“會與接”

交會對接：軌道器與返回器的組合體逐步靠近上升器，以抓抱方式捕獲上升器，完成交會對接.形象地說就是“一大追一小，一抓連一抱”，難度相當于在萬里之外穿針引線.

根據(jù)上述素材，可以設置對接信號傳輸類概念辨析問題;設置動量守恒類問題;甚至可以定性分析對接位置的窗口期問題等.

例題4 （多選）嫦娥五號探測器月球表面土壤采樣完成后，攜帶土壤樣品的總質(zhì)量為m1的上升器在月面升空，開啟返程之旅.在預定交會對接區(qū)域，質(zhì)量為m2的軌道器與返回器的組合體（簡稱“軌返體”）以速度v2追上并迅速捕獲速度為v1的上升器，成功完成交會對接，并以共同速度v共飛行幾秒鐘.假設整個交會對接過程可看作在一直線上完成.則

A.共同速度大小為v共=m1v1+m2v2m1+m2

B.整個交會對接過程系統(tǒng)機械能守恒

C.整個交會對接過程系統(tǒng)機械能損失約為12m2v22-12m1v21

D.交會對接過程，軌返體對上升器的沖量約為m1v共-m1v1

解讀：本題教與學可從以下幾方面展開：

（1）過程建模能力.對接過程本質(zhì)是完全非彈性碰撞模型.（2）綜合利用動量、能量解決問題的能力.（3）動力學知識求質(zhì)量.若已知軌返體對上升器的沖量及上升器的速度變化，如何求上升器質(zhì)量……

5 歸心似箭“打水漂”

返回地球：返回器第一次進入大氣層一定“深度”后，調(diào)整姿態(tài)，再次升高，其速度進一步降低至第一宇宙速度以下，返回器再次下落，返回地球.

根據(jù)上述素材，可以設置做功與能量問題;設置下落過程的受力問題;設置下落過程極限加速度與宇航員安全問題等.

例題5 （多選）“太空水漂”，術語稱“半彈道跳躍式返回”，即在返回器第一次進入大氣層一定“深度”后，調(diào)整姿態(tài)，使其再次升高，其速度會進一步降低，然后再次返回地球（如圖3）.2020年嫦娥五號返回器在距地面高度約120km處，以接近第二宇宙速度（約11.2km/s）高速進入地球大氣層外層A點，實施初次氣動減速.下降至預定高度E點附近（圖中E點為AB段的最低點），返回器調(diào)整姿態(tài)，向上躍出大氣層，到達最高點F后又開始下降，之后再次進入大氣層外層，到達圖中C點時速度約為7.9km/s，實施第二次氣動減速.在降至距地面約10km高度時，打開降落傘完成最后階段減速并保持姿態(tài)穩(wěn)定，最終平穩(wěn)著陸在內(nèi)蒙古四子王旗預設區(qū)域，圖中D點.其中A、B、C在同一高度上，高度120km之外空氣阻力可忽略不計.返回器質(zhì)量設為300kg.則

A.從A點到C點過程中返回器克服大氣層阻力做功約為9.45×109J

B.B點到C點過程中，返回器機械能守恒

C.返回器在F點的瞬時加速度為零

D.返回器從C點到D點運動過程始終處于失重狀態(tài)

解讀：本題教與學可從以下幾方面展開：

（1）過程分析能力.做功始末位置的選取及分析計算.（2）特定位置、狀態(tài)的分析.如F點的力、能、速度、加速度等.（3）規(guī)律是否成立的條件判斷能力.如哪些位置返回器仍滿足機械能守恒定律……

（收稿日期：2021-02-14）