浅谈天文学中的引力弹弓效应||趣味科学
科幻电影《流浪地球》《星际穿越》和《火星救援》中都有出现引力弹弓效应，本文就引力弹弓效应作了一定的分析，通过合理简化，将引力弹弓效应变成了一个学生可以通过自主探究的素材，并将这个知识点进行了深化，让学生在探索中掌握知识，提升分析问题的能力。
新课程的基本理念是培养学生综合运用所学知识，分析和解决问题的能力。在实际的教学中不应局限于教材所提供的教学素材，把生活中遇到的现象，尤其是最新最流行的一些元素引入到课堂教学中，可以丰富课堂的内容，现代物理教学呼唤科学世界向生活世界回归，紧密联系学生的生活实际，结合学生熟悉的情景，激发丰富学生的生活体验。时下大热的两部好莱坞大片《星际穿越》和《火星救援》，在飞船的发射过程中都提到了引力弹弓效应。看过电影的同学对此非常好奇。那么什么是引力弹弓效应呢？
1、细思明辨，寻根究源
弹弓效应是物理名词，最初是由苏联科学家尤里·康德拉图克提出的，指的是航天器、小天体等在飞经大质量天体时，由于受到大天体引力的作用而获得更大动能。这好比你甩一颗石子可能甩不了很远，但是一个大力士再用一把弹弓来弹石子就可以飞很远是一个道理。1959年，苏联的探测器“月球3号”首次应用引力弹弓效应。化学推进火箭能力所限，飞船，尤其是深空探测器所能达到的Δv（推进器能带来的总的速度变化量，可以理解为它的加速能力）非常有限。利用行星引力来加速，可以大大节省燃料。到目前为止利用过引力弹弓效应的飞行器有“小行星3753”、“水手10号”、“旅行者1号”等等。那么飞行器飞经某一行星，并擦边飞行过程中，是怎样得到加速的？为了便于说明问题，我们用一个具体的系统进行讨论。以向太阳系外发射空间探测器为例。有如下两种方案：第一种方案是以足够大的速度发射探测器，使其直接逃逸出太阳系。第二种方案是使探测器靠近某个行星（以火星为例），然后借助行星改变其运动方向，并达到逃逸速度。
如图所示，探测器在日心参考系中以速度Vb运动，这是一个横向速度，在太阳引力的作用下飞向火星轨道。设探测器抵达火星轨道处的径向速度和横向速度分别为Vr和
Vθ。根据开普勒第二定律和机械能守恒定律有：
如果探测器进入火星轨道附近，正好火星抵达，由于火星引力范围较小，就可以近似认为探测器以上述径向速度和横向速度分别为Vr和Vθ进入火星引力场。设此时火星的速度为VM，只有横向速度分量。因此，探测器刚进入火星引力场时的相对速度大小为：
在火星参考系中，探测器运动中能量守恒。因此，在刚进入与脱离火星引力场的相对火星速率相等，仍为u。如果发射探测器的时机掌握得好，可以设法使脱离火星引力场时的相对速度方向与火星的运动方向相同，则得到相对太阳中心的速度大小为：
通过比较，利用火星的引力弹弓效应，大大降低了发射速度。在这个过程中，我们发现第二种方案，由于火星的吸引，探测器增加了能量，这部分能量其实相当于探测器通过与火星的碰撞过程中获得的，由于火星质量很大，虽损失了能量，但状态几乎不变，而在太阳参考系中，火星和探测器满足能量守恒定律。上面的分析，除了参加物理竞赛的同学，绝大部分高中学生会觉得有困难。要抓住学生的这个兴趣点，教师必须对这个内容加以简化整合再引入到课堂教学中。
2、精简模型，自主探究
在分析问题时，可以把探测器相对火星的运动进行简化，成为一个学生可以探究分析的内容。假设探测器以速度V1接近火星，绕火星半周后以V1'的速度离开火星，火星在这个作用过程中的速度用V2和V2'表示，这个作用的过程满足动量守恒定律和能量守恒定律。整个作用的过程等效为一个无接触的“弹性碰撞”过程。将电影中的素材进行了如下的分析后，学生就可以通过自主探究得出弹弓效应加速的推理。利用所学内容可以进行如下的推算：
苏霍姆林斯基认为：“让学生体验到一种自己在亲身参与掌握知识的情感，乃是唤起少年特有的对知识的兴趣的重要条件。”教学过程中，给予学生运动所学知识解决现实遇到的问题的机会是非常可贵的。没有这种自我肯定的体验，就不可能有对知识的真正的兴趣。
3、实验模拟，深化认识
物理是一门实验科学，进行了理论分析之后，还可以通过进一步的实验演示，加深学生对知识的理解。物理课堂教学中，引力弹弓效应可以通过一个超球反弹演示实验加以演示。将一个直径为10cm左右的弹性塑料球在1m高的位置释放，反弹高度接近释放高度。将一篮球，从1m高的地方释放，篮球反弹的高度也接近释放
4、合理推广，拓展视野
为了进一步认识引力弹弓效应，教学环节中还可以让学生课后查找相关资料，了解弹弓效应在生活中的其它应用。生活中还有许多现象与引力弹弓效应有关，比如在赛车中，一般很近的跟着前车，然后左右晃动寻找空挡，就很容易达到超车的目的。因为赛车的速度很快，在空气中会划出一个气密度较低的区域，如果后面紧跟的车恰好处于这个区域当中，也就是说，赛车周围的密度是很低的，那么赛车的阻力会很小，所以越来越快，一旦离开这以区域，会使车子的下压力突然增大，达到超车的目的。
打羽毛球时，如果力量较小而要加强威力，就要把羽弦的磅数调得低一些，使羽弦给予球的弹弓效应增大；打球时，拍在一定角度范围内压得越低，拍对球的弹弓效应越明显，就可以轻松地拉到后场。太极拳中的折叠招法，“引进落空合即出，牵动四两拨千斤”。大部分的惊颤抖劲都包含“拨”的折叠之妙，这是螺丝劲柔化刚发的高级用法。这种折叠形式在数学上与进入混沌运动的斯梅尔马蹄映射迭代中的压缩、拉伸、和弯曲是一致的，都是奇妙的弹弓效应的结果。陶行知说：“生活即教育。”构筑“回归生活”、“贴近生活”的问题情境唤醒学生思维，诱发和驱动学生自主探究。当下的物理教学提倡优化整合多元教学资源，将学生感兴趣的问题作为素材引入到课堂教学中，在情境体验中追寻物理本质，学生应用所学知识解释现象，提升分析和研究问题的能力。