十六春秋绕落回 深度研究提素养

金嵩洲 陈新

摘 要：以“嫦娥五号”为素材，以“射、绕、落、接、回”等过程为主线，依据情景、设置问题、编制习题，学生在情景解读、习题解析、问题解决过程中，关键能力与核心素养得以提升.

关键词：嫦娥五号;问题设置;关键能力

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）09-0064-02

作者简介：金嵩洲（1980-），男，浙江上虞人，本科，中学高级教师，研究方向：中学物理教学;

陈新（1968-），男，浙江上虞人，硕士，中学高级教师，研究方向：课堂教学、命题，青年教师培优.

1 力拔山河奔苍穹

地面发射：长征五号运载火箭全长约60m，起飞最大质量约870吨，起飞最大推力约1.06×107N.

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.

例题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60m.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5s末的照片.地表重力加速度取g=10m/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

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60m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小时的环月椭圆轨道I上运动;第二次成功近月制动后进入高度约为h=200km的环月圆轨道，探测器环月飞行周期约为T=126.93min.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.

例题2 （2021-1浙江选考）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200km处做环月匀速圆周运动时，其环绕速度约为

A.16m/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.本题给出多余数据，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.可以依托“月面”“地面”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.

例题3 在离地球表面和离月球表面高5m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为

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

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

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.月球表面和地球表面重力加速度不同，月球表面几乎没有大气.（2）模型成立的条件分析.研究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;月球表面附近又如何？换作石头类重物又如何……

4 万里穿针“会与接”

交会对接：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，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.

例題4 （多选）嫦娥五号探测器月球表面土壤采样完成后，携带土壤样品的总质量为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

A.共同速度大小为v共=m1v1+m2v2m1+m2

B.整个交会对接过程系统机械能守恒

C.整个交会对接过程系统机械能损失约为12m2v22-12m1v21

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：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，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.

例题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（如图3）.2020年嫦娥五号返回器在距地面高度约120km处，以接近第二宇宙速度（约11.2km/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7.9km/s，实施第二次气动减速.在降至距地面约10km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120km之外空气阻力可忽略不计.返回器质量设为300kg.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

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……

（收稿日期：2021-02-14）