十六春秋繞落回 深度研究提素養(yǎng)
——基于“嫦娥五號”情景的物理備考研究

金嵩洲

(浙江省春暉中學(xué) 浙江 紹興 312300)

陳 新

(紹興市上虞區(qū)教師發(fā)展中心 浙江 紹興 312300)

2020年11月24日，中國文昌航天發(fā)射場，長征五號運(yùn)載火箭成功發(fā)射嫦娥五號探測器，這是中國探月工程的收官之戰(zhàn)，此次任務(wù)實(shí)現(xiàn)了我國航天史上首次月面自動采樣、首次月面起飛、首次月球軌道交會對接、首次帶樣返回等多個重大突破，為我國探月工程“繞、落、回”三步走畫上圓滿句號.

物理核心素養(yǎng)強(qiáng)調(diào)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.學(xué)生需了解物理學(xué)相關(guān)科技熱點(diǎn)，體會物理對國民經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展的貢獻(xiàn).“嫦娥五號”備考研究，是教師利用重大科技事件，培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的絕佳契機(jī).

1 力拔山河奔蒼穹

地面發(fā)射:長征五號運(yùn)載火箭是我國新一代大推力火箭，全長約60 m，起飛最大質(zhì)量約870 t，起飛最大推力約1.06×107N(資料述：1 060 t).

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

【例1】承擔(dān)嫦娥五號探測器發(fā)射任務(wù)的長征五號運(yùn)載火箭，是我國新一代大推力火箭,箭體全長約60 m.在點(diǎn)火瞬間，發(fā)動機(jī)提供1.0×107N的推力，成功將探測器送入預(yù)定軌道.假設(shè)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(yàn)發(fā)射后第5 s末的照片(注：實(shí)際發(fā)射在夜間，圖片不清晰).地表重力加速度取g=10 m/s2.不考慮點(diǎn)火瞬間質(zhì)量的變化，則點(diǎn)火瞬間，箭體總質(zhì)量約為( )

圖1 例1題圖

A. 8.0×104kg

B. 8.0×105kg

C. 8.0×106kg

D. 4.0×106kg

解讀：本題教與學(xué)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60 m這一信息與圖中刻度結(jié)合，估算位移；

(2)運(yùn)動學(xué)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(yùn)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(jìn)行兩次制動，進(jìn)入預(yù)定軌道.第一次剎車，先被月球引力捕獲，在一個周期約為8 h的環(huán)月橢圓軌道Ⅰ上運(yùn)動；第二次近月成功制動后進(jìn)入高度約為h=200 km的環(huán)月圓軌道，探測器環(huán)月飛行周期約為T=126.93 min.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(shè)置變軌類問題；可以定性比較橢圓軌道和圓軌道的運(yùn)行速度等參量；可以對環(huán)月圓軌道運(yùn)動參量進(jìn)行定量求解等.

【例2】嫦娥五號探測器是我國首個實(shí)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(yùn)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(dāng)軌道器與返回器的組合體在月球表面上方約200 km處做環(huán)月勻速圓周運(yùn)動時，其環(huán)繞速度約為( )

A．16 m/s B．1.1×102m/s

C．1.6×103m/s D．1.4×104m/s

解讀：本題教與學(xué)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：本題給出過量數(shù)據(jù)，有干擾，學(xué)生需正確選取有效信息；

(3)運(yùn)用規(guī)律解決問題能力：萬有引力定律與圓周運(yùn)動模型結(jié)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.月面工作環(huán)境復(fù)雜、惡劣.我們可以依托“月面”“地面”這兩個不同工作環(huán)境，設(shè)置月面起降運(yùn)動類、月面機(jī)車啟動類、太陽能電池吸能放能類問題等.

【例3】在離地球表面和離月球表面高5 m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約為( )

A．0.5 s 2.56 s B．1 s 2.56 s

C．2.56 s 1 s D．4 s 2.56 s

解讀：本題教與學(xué)可從以下幾方面展開.

(1)外部環(huán)境變化的洞察能力：月表和地表重力加速度不同，月表幾乎沒有大氣；

(2)模型成立的條件分析：自由落體運(yùn)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(yùn)動；月面附近又如何？換作石頭類重物又如何……

4 萬里穿針會與接

交會對接:嫦娥五號探測器交會對接，是我國航天器首次實(shí)現(xiàn)月球軌道交會對接.此次交會對接，上升器質(zhì)量比軌道器與返回器的組合體質(zhì)量小很多，常規(guī)的碰撞對接方式不可行.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(dāng)于在萬里之外穿針引線.

根據(jù)上述素材，我們可以設(shè)置對接信號傳輸類概念辨析問題；設(shè)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4】(多選)嫦娥五號探測器月表土壤采樣完成后，攜帶土壤樣品總質(zhì)量為m1的上升器在月面升空，開啟返程之旅.在預(yù)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(shè)整個交會對接過程可看作在一直線上完成.則( )

圖2 例4題圖

B．整個交會對接過程系統(tǒng)機(jī)械能守恒

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(xué)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(xué)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:航天器如果以過高的速度進(jìn)入大氣層，持續(xù)摩擦產(chǎn)生的劇烈高溫將帶來極大風(fēng)險，因此必須減速.“太空水漂”——航天術(shù)語稱“半彈道跳躍式返回”.返回器第一次進(jìn)入大氣層一定“深度”后，調(diào)整姿態(tài)，再次升高，其速度進(jìn)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，我們可以設(shè)置做功與能量問題；設(shè)置下落過程的受力問題；設(shè)置下落過程極限加速度與宇航員安全問題等.

【例5】(多選)“太空水漂”，術(shù)語稱“半彈道跳躍式返回”，即在返回器第一次進(jìn)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(jìn)一步降低，然后再次返回地球.2020年12月17日凌晨1時，嫦娥五號返回器在距地面高度約120 km處，以接近第二宇宙速度(約11.2 km/s)高速進(jìn)入地球大氣層外層A點(diǎn)，實(shí)施初次氣動減速.下降至預(yù)定高度E點(diǎn)附近(圖中E點(diǎn)為AB段的最低點(diǎn))，返回器調(diào)整姿態(tài)，向上躍出大氣層，到達(dá)最高點(diǎn)F后又開始下降，之后再次進(jìn)入大氣層外層，到達(dá)圖中C點(diǎn)時速度約為7.9 km/s，實(shí)施第二次氣動減速.在降至距地面約10 km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(yù)設(shè)區(qū)域，圖中D點(diǎn).其中A,B,C在同一高度上，高度120 km之外空氣阻力可忽略不計.返回器質(zhì)量設(shè)為300 kg.則( )

A．從A點(diǎn)到C點(diǎn)過程中返回器克服大氣層阻力做功約為9.45×109J

B．B點(diǎn)到C點(diǎn)過程中，返回器機(jī)械能守恒

C．返回器在F點(diǎn)的瞬時加速度為零

D．返回器從C點(diǎn)到D點(diǎn)運(yùn)動過程始終處于失重狀態(tài)

圖3 例5題圖

解讀：本題教與學(xué)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(diǎn)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(jī)械能守恒定律……