Nauczanie z Rosettą i Philae Teach article

Tłumaczenie Ewa Stokłosa. Oto jak ogromne osiągnięcie Europejskiej Agencji Kosmicznej może zainspirować twoich uczniów.

12 listopada 2014 roku, po dziesięciu latach wspólnej podróży przez kosmos, mały robot Philae odłączył się od sondy Rosetta i wylądował na komecie 67P / Churyumov-Gerasimenko (67P). Po raz pierwszy w historii dokonano pomyślnego lądowania na komecie.

Niezwykłe lądowanie Philae na komecie 67P można wykorzystać do zrozumienia praw Newtona. Co więcej, uczniowie mogą przy pomocy autentycznych danych obliczyć przyspieszenie grawitacyjne komety. Przygotowałam ten projekt dla uczniów w wieku 15-18 lat, którzy poznali już pierwszą oraz drugą zasadę dynamiki Newtona i rozumieją czym jest spadek swobodny. Do przeprowadzenia ćwiczeń potrzebne są trzy godziny lekcji. Podczas pierwszej uczniowie zapoznają się z problemem i zostaną poproszeni o poszukanie przydatnych informacji w Internecie. Podczas drugiej godziny uczniowie obliczą przyspieszenie grawitacyjne komety wykorzystując znane sobie prawa fizyki. Podczas trzeciej lekcji uczniowie użyją symulacji, aby ustalić przyspieszenie grawitacyjne komety. Następnie porównają dwie użyte do tego metody.

Lekcja 1: Wprowadzenie i zbieranie danych

1. Pokaż uczniom krótki film Ambition zrealizowany przez Europejską Agencję Kosmiczną (ESA)^w1, a następnie zapoznaj ich z ostatnimi osiągnięciami Rosetty i Philae korzystając z filmów i grafik ze stron ESA^w2,w3. Zapytaj uczniów dlaczego ich zdaniem ta ekspedycja jest tak ważna i czego ESA chce się dowiedzieć o kometach.
2. Pokaż uczniom symulację^w4 tego, jak w lądowniku Philae nie zadziałały prawidłowo harpuny mające przytwierdzić go do podłoża, i jak dwa razy odbił się on od powierzchni komety, aż ostatecznie na niej wylądował. Te dwa odbicia są bardzo istotne w projekcie i posłużą do ustalenia stałej grawitacyjnej komety.
3. Podziel klasę na grupy i poproś, aby poszukali w Internecie informacji takich jak masa Philae, prędkość jego spadku oraz wysokość i czas trwania dwóch odbić od powierzchni. Uczniowie powinni ustalić, że Rosetta wypuściła Philae 22,5 km nad powierzchnią komety. Lądownik dotarł do 67P z prędkością (v) 1 m s^-1, a następnie odbił się na 1 godzinę i 50 minut, docierając na wysokość 1 km z prędkością 0,38 m s^-1.

Lekcja 2: Praca z prawami fizyki

1. Zapytaj uczniów o ruch Philae, gdy zbliżał się on do komety. Czy można ten ruch podzielić na etapy? Pierwszym mógłby być spadek swobodny lądownika, kolejnym pierwszy skok jako stały spadek przyspieszenia, a następnym ponowny spadek swobodny. Drugi skok można rozważyć w ten sam sposób.
2. Poproś uczniów, aby obliczyli przyspieszenie grawitacyjne komety korzystając z danych znalezionych na poprzedniej lekcji. Jeśli użyją do tego równania v = v₀ – gt i założą spadek przyspieszenia ze stałą g (jednorodne pole grawitacyjne) to gdy v = 0, v₀ = 0,38 m s^-1, a t = 55 min (całkowity czas skoku trwającego 110 minut podzielony na dwa), wówczas przyspieszenie grawitacyjne wyniesie około 10^‑4 m s^-2.
3. Poproś uczniów, aby przeprowadzili te same obliczenia dla drugiego skoku Philae. Wynik powinien być tego samego rzędu wielkości, ale nie identyczny, gdyż kometa ma nieregularny kształt i jej pole grawitacyjne jest niejednorodne (Sierks et al., 2015).
4. Co według uczniów stałoby się, gdyby Philae spadła na Ziemię, zamiast na kometę? Ile trwałyby skoki?
    

Lekcja 3: Symulacja upadku

Kolejny krok wymaga oprogramowania do symulacji fizycznych, np. programu Interactive Physics (IP), który jest darmowy dla greckich szkół. Jeśli nie możesz go pobrać lub jeśli nie jest dostępny w twoim kraju, możesz skorzystać z darmowego programu STEP^w5. Bez względu na program, którego użyjesz, zakładam, że twoi uczniowie już go znają. Jeśli tak nie jest, należy najpierw poświęcić godzinę, aby umożliwić im poznanie działania programu.

1. Poproś uczniów, aby użyli programu do stworzenia symulacji lądowania Philae. Rolę lądownika będzie musiał odegrać mały obiekt, a większy obiekt odegra rolę komety. Uczniowie mogą następnie nadać im kształty, wymiary i masy.
2. Należy rozpocząć od przedstawienie komety jako kuli o promieniu 1 km (kometa w najszerszym miejscu ma 4 km).
3. Poproś uczniów, aby przeprowadzili symulację z jednorodnym polem grawitacyjnym g = 9,81 m s^-2, jak na Ziemi. 
4. Niech uczniowie następnie zmniejszą wartość przyspieszenia grawitacyjnego i ponownie uruchomią symulację.
5. Uczniowie mogą przeprowadzić różne symulacje z różnymi wielkościami. Powinni następnie wykorzystać do tego prawdziwe masy Philae i 67P oraz rzeczywiste wymiary komety.
6. W końcowym etapie należy deaktywować jednorodne pole i uruchomić wzajemne oddziaływanie planetarne. Siła działająca na lądownik wynosi około 0,006 N na powierzchni komety, co daje przyspieszenie grawitacyjne na powierzchni równe 6,6 10^-4 m s^-2, gdyż masa Philae wynosi 100 kg. Uzyskany wynik powinien być tego samego rzędu wielkości, co wynik z wykorzystaniem poprzedniej metody, oraz równie bliski rzeczywistości^w6.

Doświadczenie pokazuje, że uczniowie są nastawieni do projektu bardzo entuzjastycznie: dwie zupełnie różne metody dają podobne wyniki. Rezultaty są też bardzo zbliżone do prawdziwej wartości przyspieszenia grawitacyjnego. Uczniowie pracują niczym badacze, poszukując danych w Internecie oraz testując potrzebne parametry, aby w końcu obliczyć przyspieszenie grawitacyjne na komecie 67P przy pomocy teorii i symulacji. Nauka o kosmosie jest bardzo atrakcyjna, ale niestety nie jest zawarta w podstawie programowej nauczania fizyki w greckich licach (wiek uczniów: 15-18 lat). Projekt ten umożliwia poznanie ważnych osiągnięć ESA jednocześnie realizując zagadnienia z podstawy. Uczniowie wykorzystują pierwszą i drugą zasadę dynamiki Newtona, jak i równania ruchu obiektu w swobodnym spadku, a następnie zajmują się misją Rosetta, a dokładniej trajektorią lotu Philae w celu poznania przykładów z życia, w których wykorzystać można równania ruchu. Uczniowie ćwiczą również umiejętności komputerowe, aby stworzyć symulacje. Podsumowując, zadanie jest dla uczniów wyzwaniem i inspiracją.

W przypadku braku czasu, można zredukować trzy lekcje do dwóch. Można na przykład pominąć część, w której uczniowie szukają informacji w Internecie, a zamiast tego podać im dane. Można również dostosować projekt do uczniów w wieku 12-14 lat, na przykład poświęcając więcej czasu na wstęp i pomijając symulacje.

Podziękowanie

Fragment artykułu był częścią scenariusza edukacyjnego, który zgłosiłam na 2014-2015 Open Discovery Space Contest. Scenariusz otrzymał nagrodę europejską^w7.

References

• Sierks H et al. (2015) On the nucleus structure and activity of the comet 67P/Churyumov-Gerasimenko. Science 347: aaa1044. doi:10.1126/science.aaa1044

Web References

• w1 – Ambition, krótki film zrealizowany przez ESA: https://youtu.be/H08tGjXNHO4
• w2 – Więcej informacji o misji Rosetta znajdziesz na stronie ESA poświęconej misji: http://rosetta.esa.int
• w3 – Jeszcze więcej informacji dotyczących Rosetty i Philae znajdziesz na edukacyjnej stronie ESA: www.esa.int/education
• w4 – Krótki film obrazujący dwa odbicia się Philae przed wylądowaniem na komecie: https://youtu.be/bpAH3DtRBjo
  • Szczegółowe informacje o misji znaleźć można na crowdsourcingowej stronie Quora: http://tinyurl.com/h9f7sf2
• w5 – Interactive Physics to program darmowy dla szkół w Grecji. Jeśli w twoim kraju jest inaczej, możesz nabyć program tutaj https://www.design-simulation.com/IP/index.php
  • Aby pobrać darmowy symulator Step oraz informacje dla użytkownika, odwiedź stronę: https://userbase.kde.org/Step
• w6 – Raport prasowy z lądowania Philae na 67P: http://tinyurl.com/hgya3ex
• w7 – Open Discovery Space Contest 2014-2015 miał na celu zainspirowanie do tworzenia innowacyjnych scenariuszy lekcji, upowszechnianie wiedzy i podnoszenie świadomości społeczności edukacyjnej:  http://issuu.com/signosis/docs/ods-contest-brochure

Resources

• Inna wersja tego artykułu, która dotyczy tego samego zagadnienia, ale nie jest bezpośrednim tłumaczeniem, została opublikowana w greckim czasopiśmie Φυσικές Επιστήμες στην Εκπαίδευση (Fizyka w edukacji). Więcej informacji znajdziesz na stronie: http://physcool.web.auth.gr/ bezpośredniego linka: http://tinyurl.com/z8ljedw

Institutions

Author(s)

Maria Eleftheriou jest nauczycielką przyrody w liceum w Tzermiadon w Lassithi Plateau na Krecie. Jest fizyczką z tytułem magistra fizyki materii skondensowanej oraz tytułem doktora fizyki komputerowej i próbuje wprowadzać prawdziwe badania naukowe do szkoły.

Review

Badania kosmosu to temat o dużym potencjale, więc artykuł ten może zostać wykorzystany na wiele sposobów. Na przykład orbitę i okresowości komety 67P można użyć do badania historii poznania ruchu obiektów w kosmosie, od Keplera i Galileusza po Newtona i Halleya.

Artykuł może posłużyć zrozumieniu pokrewnych zagadnień, np. pojęcia prędkości ucieczki, czy dyskusji na temat ogromnych odległości, z jakimi wiążą się podróże kosmiczne, lub też rozważeniu naszej pozycji i samotności we Wszechświecie – czyli tematom daleko wykraczającym poza naukę.

Duarte Nuno Januário, Portugalia

License

CC-BY

CC-BY

Download

Download this article as a PDF