模拟卫星在轨运动——万有引力||实验研究 / 四六文摘

模拟卫星在轨运动

河北乐亭第一中学

摘要：高中物理《万有引力与航天》一章中卫星在轨运动等物理现象无法直接观察, 影响学生对该知识内容的理解。文中设计制作了一套实验装置, 用于演示卫星绕地球做椭圆运动、圆周运动和变轨运动。

关键词：自制教具; 卫星在轨运动; 万有引力;

在高中物理《万有引力与航天》一章的教学过程中, 大多数物理现象学生不能直接观察, 实验演示也非常困难。尤其是讲解卫星在轨运动的各种情况时, 教师只能利用多媒体动画来辅助教学, 很不利于学生对卫星在轨运动的分析和掌握。

笔者在教学过程中, 通过反复实验, 设计出一种模拟卫星在轨运动的演示方法, 应用于教学过程中取得了很好的教学效果。

一、实验装置 (见图1)

图1 模拟卫星在轨运动实验装置图

(1) 制作一个80cm×40cm×4cm的铝合金密封盒型气垫平台 (下文简称“平台”) , 平台上表面每隔0.5cm钻一光滑的细孔, 平台进气口与气泵相连。

(2) 利用强力磁扣组成一个磁扣组, 并将磁扣组粘在平台中央。

(3) 用剪刀剪一个直径6cm的硬圆薄纸板, 将一枚铁扣粘在纸板中央。

二、实验操作

调整纸盘在平台上的悬浮状态。将粘有铁扣的纸盘放在平台上, 离磁扣组要远一点。接通气泵电源, 调整气泵的出气量, 使纸盘从平台上悬浮起来。轻轻推动纸盘, 观察其是否做匀速直线运动, 否则对其进行调平。利用纸盘演示卫星的在轨运动。

[演示一]模拟卫星绕地球做椭圆运动

将圆纸盘放在距离磁扣组10cm~15cm左右的位置处, 然后给纸盘一个初速度, 要求初速度的方向要与纸盘和磁扣组的中心连线垂直。适当调整纸盘速度大小, 就能实现纸盘绕磁扣组做椭圆运动。

[演示二]模拟卫星绕地球做圆周运动

在演示一的基础上, 观察圆盘绕磁扣组的运行情况, 调整纸盘速度的大小, 最终让纸盘绕着磁扣组做圆周运动。教师改变圆盘到磁扣组的距离, 重新调整纸盘速度, 让学生观察不同半径下, 纸盘的运动周期和速度的变化情况。

[演示三]模拟卫星的变轨运动

(1) 模拟卫星的离心运动。在演示二的基础上, 实验者顺着纸盘运动的方向用嘴轻轻吹纸盘, 通过吹气实现对纸盘的加速。加速后的纸盘将脱离原来的圆周轨道, 改为较大的椭圆轨道。教师提醒学生观察纸盘在做椭圆运动时, 纸盘速度大小的变化情况。

(2) 模拟卫星的向心运动。实验操作与演示卫星的离心运动类似, 只是这次是逆着纸盘运动方向吹纸盘。

(3) 模拟空气阻力作用下的卫星变轨运动。由于学生不容易理解“卫星受到空气阻力发生变轨现象后, 速度不是减小而是增大”这一问题, 所以笔者在演示二的基础上, 让纸盘多运动一些时间。尽管实验中纸盘所受阻力很小, 但时间一长, 纸盘开始出现向心运动。学生们会清楚地观察到, 纸盘向内越转越快, 最后被磁扣组捕获。

作者简介：张爱民, 河北乐亭第一中学。

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