“教學太陽系儀”的設計與應用

鄂振東

【摘要】人教版高中物理“萬有引力與宇宙航行”一章介紹了行星和衛星的運動原理，但由于當前高中物理天體運動部分的教具匱乏，導致該部分教學效果欠佳，筆者在現有的教具研發工作的基礎上，再參考英國格林尼治天文臺的太陽系儀，制作了教學太陽系儀.本教具較準確地模擬了多個天體的運動情境，便于學生準確地建構天體運動的物理模型.進而從定性觀察到定量分析天體的軌道半徑和運行周期的關系.

【關鍵詞】太陽系儀；天體運動教具；高中物理

1 問題的提出

物理是一門以實驗為基礎的學科，實驗教學是物理教學核心的手段，因此物理教師必須重視實驗的研究.教師在實驗教學中，如果直接用語言為學生描述一個陌生且復雜的物理情景，會造成學生認知的困難，另外，學校現有的實驗教具不完備，導致了難以開展相關實驗.為了解決以上的問題，設計新的物理教具輔助教學是一種很理想的辦法.在高中物理天體運動部分，讓學生建構多個天體間或衛星與地球間的運動情景模型向來是教學難點.由于目前用于促進學生建模的教具匱乏，教師大多采用視頻演示和畫圖分析的方法輔助學生建模，筆者在多次實踐后發現這兩種方法存在下列問題：

（1）通過二維平面演示的現象缺少三維立體感；

（2）學生觀察角度單一，且畫圖展示的情景是靜態的，不直觀；

（3）學生很難實現定量地探究天體的軌道半徑和運行周期間的關系.

針對上述問題，筆者利用了現有教具的研究工作成果，再參考英國格林尼治天文臺的太陽系儀，設計制作了簡易教學太陽系儀.本教具彌補了高中物理教學中此類教具的匱乏，取得了良好的教學效果.

2 太陽系儀的改進

太陽系儀模擬了八顆行星繞太陽運動的情境，主要構造是固定在主軸上端的太陽模型，向下依次套有七根固定行星模型的支桿，以及八個行星模型，通過搖動手柄來驅動行星模型以不同的周期運動.筆者參考以上原理并進行如下改進：

（1）把天體模型數量由八個減少到三個，因為過多的天體模型原理上是重復的，并使制作復雜化.

（2）把手搖驅動模型改為遙控電機驅動模型，這樣既能使教師在遠距離操作，又能使模型運轉得更平穩.

（3）給電機裝了調速器，可以根據天體運行周期和軌道半徑的比例關系對模型的運動進行調整，提高了儀器的科學嚴謹性.

筆者根據開普勒第三定律設定了各模型的軌道半徑（中學階段我們把太陽系行星的軌道按圓軌道處理）和運行周期，如表1所示.

教具的構造如圖1所示，一號電機驅動近地軌道天體模型，二號電機驅動地球模型和地球同步衛星模型，三號電機驅動高空軌道天體模型，右上箭頭所指部分是遙控開關電路板，右下箭頭所指部分是電機調速器，其作用是調節各模型運動的快慢，使各模型的運動周期和軌道半徑較好的符合開普勒第三定律.

3 教學太陽系儀的應用

簡易教學太陽系儀可以模擬三個情境：

（1）兩個軌道半徑不等的行星繞太陽的運動.

如圖2所示，將遙控器的左右兩個開關下拉，儀器開始工作，模擬出兩個行星繞太陽運動的情景.教學中學生通過觀察現象很容易發現軌道半徑大的天體運行周期大，然后教師提出行星的半徑和周期具有什么定量關系的問題，引導學生運用理論推導出二者的關系，有效地培養了學生運用理論推導解決問題的習慣.

（2）模擬赤道上隨地球轉動的物體，近地軌道衛星，地球同步衛星，高空軌道衛星的運動情境.

如圖3所示，將遙控器的左右兩個開關下拉，儀器開始工作，模擬出赤道上隨地球轉動的物體、近地軌道衛星、地球同步衛星、高空軌道衛星的運動情境.學生通過觀察動態的情境，更容易得到赤道上物體與空中軌道上物體的受力情況不同的結論，教師順勢提問赤道上物體的向心力來源是什么的問題，再進一步引導學生列式求解，將結果與空中軌道物體的對應結果進行對比，有效突破了赤道上物體向心力來源的難點.

（3）模擬火箭變軌過程的一部分情景.

如圖5所示，將遙控器的左右兩個開關下拉后儀器開始運轉，此時儀器模擬了衛星在近地軌道和高空軌道的運動情境.教師可以借助這個情景為學生講解發射高空衛星的具體過程，引導學生運用離心運動知識對衛星變軌的原理進行討論，在學生合作討論達成學習目標過程中，該教具起到了重要的作用.

4 教學太陽系儀的優點

（1）針對教學，簡易教學太陽系儀相比原來減少了天體模型的數量，保留幾個典型軌道上的天體模型，使天體運行的核心原理更加突出.

（2）本儀器取材簡單，成本低廉，也適合學生制作，如遙控玩具小汽車、小直流電機、兒童三球儀等，均為生活中常見的東西，十分容易得到.

（3）教學效果明顯，可以實現多個天體運行情景的動態模擬展示.

5 結語

教學太陽系儀結構簡單、方便攜帶、容易操作，所模擬的天體運動情景清晰直觀，使學生以多角度觀察并感知天體運動的周期、角速度等隨軌道半徑的變化情況，有效地提高了學生建立相關物理模型的準確性，值得在高中物理教學中推廣.

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