文档介绍：浅谈引力弹弓效应口十春慈溪中学浙江慈溪315300摘要:科幻电影由于兼具科学与艺术的特质,是一种很好的物理课程资源。《星际穿越》和《火星救援》中都有出现引力弹弓效应,学生对此菲常感兴趣。但学生对理解这一内容存在一定的困难。本文就引力弹弓效应作了一定的分析,通过教师的合理简化,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。关键词:引力弹弓效应;碰撞;动量守恒;能量守恒;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(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。到冃前为止利用过引力弹弓效应的飞行器有“小行星3753”、“水手1()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,使其直接逃逸岀太阳系。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。先来看第一种方案,探测器从地面发射,地球绕太阳的速度设为匕,发射获得相对地面的速度设为匕,那么探测器相对太阳的速度为吆为:直接逃离太阳引力场,匕应该满足:1 2GMm-mv. >0其中m和M分别是探测器质量和太阳的质量,①是地球绕太阳作圆周运动的半径,G是引力常量。解得:>GM最后可得发射速度最小为:吆二匕-匕=(a/2-l)ve^。设%和%分别为地心参考系和日心参考系中探测器的速度,并有关系:如图所示,探测器在日心参考系中以速度%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儿和耳。根据开普勒第二定律和机械能守恒定律有:—mvj2bGMmae=|m(v/+vr2)-GMmae其中为火星绕太阳圆周运动的半径,则:心2(-n(式中心鈔|)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匕和%进入火星引力场。设此时火星的速度为沧,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