十六春秋绕落回 深度研究提素养——基于“嫦娥五号”情景的物理备考研究

金嵩洲

(浙江省春晖中学 浙江 绍兴 312300)

陈 新

(绍兴市上虞区教师发展中心 浙江 绍兴 312300)

2020年11月24日，中国文昌航天发射场，长征五号运载火箭成功发射嫦娥五号探测器，这是中国探月工程的收官之战，此次任务实现了我国航天史上首次月面自动采样、首次月面起飞、首次月球轨道交会对接、首次带样返回等多个重大突破，为我国探月工程“绕、落、回”三步走画上圆满句号.

物理核心素养强调科学态度与责任.学生需了解物理学相关科技热点，体会物理对国民经济、社会发展的贡献.“嫦娥五号”备考研究，是教师利用重大科技事件，培养学生核心素养的绝佳契机.

1 力拔山河奔苍穹

地面发射:长征五号运载火箭是我国新一代大推力火箭，全长约60 m，起飞最大质量约870 t，起飞最大推力约1.06×107N(资料述：1 060 t).

根据上述素材，我们可以设置时间、位移、单位制类简单概念题； 也可以从动力学、运动学角度设置问题；还可以设置超重、失重类问题等.

【例1】承担嫦娥五号探测器发射任务的长征五号运载火箭，是我国新一代大推力火箭,箭体全长约60 m.在点火瞬间，发动机提供1.0×107N的推力，成功将探测器送入预定轨道.假设火箭在竖直升空的起始阶段加速度可视为恒定，图1为试验发射后第5 s末的照片(注：实际发射在夜间，图片不清晰).地表重力加速度取g=10 m/s2.不考虑点火瞬间质量的变化，则点火瞬间，箭体总质量约为( )

图1 例1题图

A. 8.0×104kg

B. 8.0×105kg

C. 8.0×106kg

D. 4.0×106kg

解读：本题教与学可从以下几方面展开.

(1)读图、估算能力：从图示、照片中获取信息，将箭体全长60 m这一信息与图中刻度结合，估算位移；

(2)运动学知识处理问题的能力：加速度的计算；

(3)受力分析和牛顿第二定律综合运用的能力：箭体总质量的计算……思维一波三折，能力要求高.

2 成竹在胸绕月飞

刹车捕获:2020年11月28日，嫦娥五号探测器在月球上空进行两次制动，进入预定轨道.第一次刹车，先被月球引力捕获，在一个周期约为8 h的环月椭圆轨道Ⅰ上运动；第二次近月成功制动后进入高度约为h=200 km的环月圆轨道，探测器环月飞行周期约为T=126.93 min.已知月球半径为

R月=1.738×106m

根据上述素材，我们可以求中心天体质量、平均密度；设置变轨类问题；可以定性比较椭圆轨道和圆轨道的运行速度等参量；可以对环月圆轨道运动参量进行定量求解等.

【例2】嫦娥五号探测器是我国首个实施月面采样返回的航天器，由轨道器、返回器、着陆器和上升器等多个部分组成.为等待月面采集的样品，轨道器与返回器的组合体环月做圆周运动.已知引力常量G=6.67×10-11N·m2/kg2，地球质量m1=6.0×1024kg，月球质量m2=7.3×1022kg，月地距离r1=3.8×105km，月球半径r2=1.7×103km.当轨道器与返回器的组合体在月球表面上方约200 km处做环月匀速圆周运动时，其环绕速度约为( )

A．16 m/s B．1.1×102m/s

C．1.6×103m/s D．1.4×104m/s

解读：本题教与学可从以下几方面展开.

(1)对象建模能力：研究谁、绕谁转；

(2)数据分析遴选能力：本题给出过量数据，有干扰，学生需正确选取有效信息；

(3)运用规律解决问题能力：万有引力定律与圆周运动模型结合，分析计算……

3 地月变换显差异

月面工作:嫦娥五号探测器在月面的主要工作是采样挖土，这也是我国首次月面自动采样.月面工作环境复杂、恶劣.我们可以依托“月面”“地面”这两个不同工作环境，设置月面起降运动类、月面机车启动类、太阳能电池吸能放能类问题等.

【例3】在离地球表面和离月球表面高5 m处，由静止各释放一片小树叶，小树叶落到地球表面和月球表面的时间分别约为( )

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

解读：本题教与学可从以下几方面展开.

(1)外部环境变化的洞察能力：月表和地表重力加速度不同，月表几乎没有大气；

(2)模型成立的条件分析：自由落体运动是不是无条件成立的？

(3)具体物体抽象建模能力：在地面附近，树叶的下落能不能忽略空气阻力，能不能看成是自由落体运动；月面附近又如何？换作石头类重物又如何……

4 万里穿针会与接

交会对接:嫦娥五号探测器交会对接，是我国航天器首次实现月球轨道交会对接.此次交会对接，上升器质量比轨道器与返回器的组合体质量小很多，常规的碰撞对接方式不可行.轨道器与返回器的组合体逐步靠近上升器，以抓抱方式捕获上升器，完成交会对接.形象地说就是“一大追一小，一抓连一抱”，难度相当于在万里之外穿针引线.

根据上述素材，我们可以设置对接信号传输类概念辨析问题；设置动量守恒类问题；甚至可以定性分析对接位置的窗口期问题等.

【例4】(多选)嫦娥五号探测器月表土壤采样完成后，携带土壤样品总质量为m1的上升器在月面升空，开启返程之旅.在预定交会对接区域，质量为m2的轨道器与返回器的组合体(简称“轨返体”)以速度v2追上并迅速捕获速度为v1的上升器，成功完成交会对接，并以共同速度v共飞行几秒钟.假设整个交会对接过程可看作在一直线上完成.则( )

图2 例4题图

B．整个交会对接过程系统机械能守恒

D．交会对接过程，轨返体对上升器的冲量约为m1v共-m1v1

解读：本题教与学可从以下几方面展开.

(1)过程建模能力：对接过程本质是完全非弹性碰撞模型；

(2)综合利用动量、能量解决问题的能力；

(3)动力学知识求质量：若已知轨返体对上升器的冲量及上升器的速度变化，如何求上升器质量……

5 归心似箭“打水漂”

返回地球:航天器如果以过高的速度进入大气层，持续摩擦产生的剧烈高温将带来极大风险，因此必须减速.“太空水漂”——航天术语称“半弹道跳跃式返回”.返回器第一次进入大气层一定“深度”后，调整姿态，再次升高，其速度进一步降低至第一宇宙速度以下，返回器再次下落，返回地球.

根据上述素材，我们可以设置做功与能量问题；设置下落过程的受力问题；设置下落过程极限加速度与宇航员安全问题等.

【例5】(多选)“太空水漂”，术语称“半弹道跳跃式返回”，即在返回器第一次进入大气层一定“深度”后，调整姿态，使其再次升高，其速度会进一步降低，然后再次返回地球.2020年12月17日凌晨1时，嫦娥五号返回器在距地面高度约120 km处，以接近第二宇宙速度(约11.2 km/s)高速进入地球大气层外层A点，实施初次气动减速.下降至预定高度E点附近(图中E点为AB段的最低点)，返回器调整姿态，向上跃出大气层，到达最高点F后又开始下降，之后再次进入大气层外层，到达图中C点时速度约为7.9 km/s，实施第二次气动减速.在降至距地面约10 km高度时，打开降落伞完成最后阶段减速并保持姿态稳定，最终平稳着陆在内蒙古四子王旗预设区域，图中D点.其中A,B,C在同一高度上，高度120 km之外空气阻力可忽略不计.返回器质量设为300 kg.则( )

A．从A点到C点过程中返回器克服大气层阻力做功约为9.45×109J

B．B点到C点过程中，返回器机械能守恒

C．返回器在F点的瞬时加速度为零

D．返回器从C点到D点运动过程始终处于失重状态

图3 例5题图

解读：本题教与学可从以下几方面展开.

(1)过程分析能力：做功始末位置的选取及分析计算；

(2)特定位置、状态的分析：如F点的力、能、速度、加速度等；

(3)规律是否成立的条件判断能力：如哪些位置返回器仍满足机械能守恒定律……