Lecții cu Rosetta și Philae Teach article

Tradus de Gabriela Cîrstea. O mare realizare a Agenției Spațiale Europene poate deveni sursă de inspirație pentru elevii dvs.

În data de 12 noiembrie 2014, după ce au navigat împreună în spațiu timp de zece ani, micul robot Philae a părăsit nava spațială Rosetta pentru a ateriza pe cometa 67P/Ciuriumov-Gherasimenko (67P). Pentru prima oară în istorie o expediție a reușit aterizarea pe o cometă.

Aventura aterizării lui Philae pe cometa 67P poate fi folosită pentru studiul principiilor lui Newton, iar elevii pot utiliza date reale pentru a calcula accelerația gravitațională pe cometă. Am conceput acest proiect pentru elevi de 15-18 ani, cărora le-au fost deja predate principiile I și II ale mecanicii newtoniene și care înțeleg teoria căderii libere a unui corp. Veți avea nevoie de trei ore de predare. În cursul primei ore veți prezenta tema și veți propune elevilor să caute informații conexe utile pe internet. În a doua oră elevii vor afla accelerația gravitațională pe cometă cu ajutorul legilor fizice deja cunoscute. În a treia oră elevii vor utiliza simulări pentru a afla accelerația gravitațională pe cometă. La final, ei vor compara cele două metode.

Ora 1: Introducere și colectare a datelor

1. Prezentați elevilor un film scurt, Ambition (Ambiție), realizat de ESA^w1, apoi cea mai recentă reușită a navei Rosetta și robotului Philae, cu ajutorul filmărilor și imaginilor disponibile pe site-urile ESA^w2,w3. Întrebaţi elevii de ce cred că această expediţie este atât de importantă şi ce intenţionează ESA să afle despre comete.
2. Prezentați simularea video^w4 a funcționării defectuoase a două harpoane de fixare, din cauza căreia Philae a ricoșat de două ori la suprafața cometei 67P, înainte de aterizare. Cele două ricoșeuri sunt foarte importante pentru acest proiect, deoarece cu ajutorul lor va fi calculată constanta gravitațională a cometei. 
3. Formați două echipe de elevi și invitați-i să caute pe internet informații despre masa lui Philae, viteza de coborâre a acestuia, precum și înălțimea și durata celor două ricoșeuri. Elevii vor afla că în momentul desprinderii de Rosetta Philae se afla la 22,5 km de suprafața cometei 67P. Philae a atins suprafața 67P cu o viteză (v) de 1 m/s, apoi a ricoșat și a rămas în spațiu timp de 1 oră și 50 de minute, atingând înălțimea de 1 km și având o viteză de 0,38 m/s. Al doilea ricoșeu a durat 7 minute, viteza inițială fiind de 0,03 m/s.

Ora 2: Aplicarea legilor fizice

1. Invitați elevii să observe mișcarea lui Philae în timpul coborârii spre cometă. Este posibil să examinăm această mișcare în două etape? De exemplu, elevii pot analiza mai întâi căderea liberă a lui Philae, urmată de primul ricoșeu, deci de o încetinire uniformă, urmată din nou de o cădere liberă. Al doilea ricoșeu poate fi analizat la fel.
2. Invitați elevii să calculeze accelerația gravitațională pe cometă utilizând datele pe care le-au găsit în prima oră. Dacă elevii folosesc legea vitezei v = v₀ – gt și presupun că mișcarea este încetinită cu accelerația constantă g (un câmp gravitațional omogen), atunci când v = 0, v₀ = 0,38 m s^-1 și t = 55 min (durata totală a ricoșeului împărțită la doi), accelerația gravitațională pe cometă va fi de aproximativ 10^-4 m/s².
3. Invitați elevii să efectueze același calcul pentru al doilea ricoșeu al lui Philae. Rezultatul pe care-l obțin ar trebui să aibă același ordin de mărime, dar nu exact aceeași valoare, deoarece cometa are formă neregulată, iar câmpul ei gravitațional nu este omogen (Sierks et al., 2015).
4. În final, întrebați elevii ce cred că s-ar fi întâmplat dacă aterizarea lui Philae ar fi avut loc pe Pământ, și nu pe cometă. Care ar fi fost durata ricoșeurilor?

Ora 3: Simularea căderii

Pentru următoarea etapă aveți nevoie de un program de simulare pentru fizică, de exemplu Fizica Interactivă (Interactive Physics – IP), disponibil gratuit pentru școlile din Grecia. Dacă nu puteți descărca acest software sau dacă el nu este gratuit în țara dvs., o alternativă este software-ul gratuit Step^w5. Orice program de simulare ați folosi, vom presupune că elevii dvs. sunt deja familiarizați cu el. În caz contrar, va trebui să petreceți mai întâi o oră pentru a-i ajuta să se familiarizeze software-ul respectiv.

1. Invitați elevii să folosească software-ul pentru a simula aterizarea lui Philae. Vor avea nevoie de un mic obiect care va juca rolul lui Philae și de un obiect mai mare, care va juca rolul cometei. Apoi vor putea varia forma, dimensiunile și masa celor două obiecte.
2. Pentru început, elevii vor modela cometa ca fiind o sferă cu raza de 1 km (cea mai mare dimensiune a cometei este de 4 km).
3. Invitați elevii să realizeze o simulare cu un câmp gravitațional omogen, cu g = 9,81 m/s², similar Pământului.
4. Spuneți-le elevilor să reducă valoarea accelerației datorate gravitației și să ruleze simularea din nou.
5. După ajustarea diferitelor variabile, elevii vor continua simulările. În final, ei vor folosi valorile reale pentru masa lui Philae și 67P, precum și dimensiunile reale ale cometei.
6. În etapa finală, elevii vor dezactiva câmpul omogen și vor activa interacțiunea planetară a celor două obiecte. Forța exercitată asupra lui Philae la suprafața cometei poate fi calculată la 0,066 N, din care rezultă o accelerație gravitațională la suprafață de 6,6 · 10^-4 m/s², masa lui Philae fiind de 100 kg. Această valoare trebuie să aibă același ordin de mărime cu rezultatele obținute prin metoda anterioară, fiind și foarte apropiată de realitate^w6.

Din experiența mea am observat că elevii sunt entuziasmați de proiect: aplicând două metode total diferite, se obțin răspunsuri similare. Rezultatele sunt de asemenea foarte apropiate de valoarea reală a accelerației gravitaționale. Elevii lucrează la fel ca cercetătorii, aflând datele necesare de pe site-uri de încredere și testând parametrii problemei pentru a afla accelerația gravitațională pe cometa 67P folosind teoria și simulările. Știința spațială este incitantă, dar, din păcate, ea nu face parte din programa de fizică pentru liceu (15 – 18 ani) în Grecia. Acest proiect este o oportunitate de a informa elevii despre realizări importante ale ESA, respectând în același timp programa școlară normală. Elevii folosesc principiile întâi și al doilea ale lui Newton precum și ecuația de mișcare pentru căderea liberă a unui obiect înainte de a folosi expediția Rosetta, mai precis traiectoria lui Philae, pentru a aplica ecuațiile mișcării într-o situație reală. În plus, elevii își pot folosi abilitățile TIC pentru a realiza simulările. În general, o astfel de temă solicitantă este motivantă pentru elevi.

În caz că nu aveți timp suficient, durata proiectului poate fi redusă la două ore. De exemplu, puteți elimina etapa de navigare pe internet în căutarea datelor, oferindu-le dvs. aceste date elevilor. Puteți să adaptați proiectul pentru elevi de 12 – 14 ani, alocând, de exemplu, mai mult timp introducerii și eliminând simulările.

Mulțumiri

Parte a acestui articol a constituit subiectul unui scenariu educațional cu care am participat la concursul Open Discovery Space 2014 – 2015 pentru cel mai bun scenariu de învățare. Scenariul meu a obținut premiul paneuropean^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 – Pentru a viziona Ambition, un film scurt realizat de ESA, accesați: https://youtu.be/H08tGjXNHO4
• w2 – Pentru mai multe informații despre misiunea Rosetta, accesați site-ul web ESA dedicat: http://rosetta.esa.int
• w3 – Informații mai multe despre Rosetta și Philae pot fi găsite pe site-ul web educational al ESA: www.esa.int/education
• w4 – Pentru a viziona un scurt film care simulează cele două ricoșeuri ale Philae înainte de aterizarea pe 67P, accesați: https://youtu.be/bpAH3DtRBjo
  • Informații detaliate despre misiunea Rosetta se găsesc pe Quora, un site web de întrebări și răspunsuri generate participativ. Accesați: http://tinyurl.com/h9f7sf2
• w5 – Interactive Physics este disponibil gratuit în școlile din Grecia. Dacă în țara dvs. nu este diponibil gratuit, puteți achiziționa software accesând https://www.design-simulation.com/IP/index.php
  • Pentru a downloada simulatorul gratuit pentru fizică Step și documentația de utilizare aferentă, accesați: https://userbase.kde.org/Step
• w6 – Pentru un rezumat al știrilor despre aterizarea reușită a lui Philae pe 67P, accesați: http://tinyurl.com/hgya3ex
• w7 – Concursul Open Discovery Space 2014 – 2015 a stimulat elaborarea unor scenarii de învățare inovative, achiziția unor noi cunoștințe și sensibilizarea comunității din educație. Pentru mai multe informații despre concurs și participanți, accesați: http://issuu.com/signosis/docs/ods-contest-brochure

Resources

• AO versiune a acestui articol, cu același subiect, fără a fi însă o traducere propriu-zisă, a fost publicată în revista în limba greacă Φυσικές Επιστήμες στην Εκπαίδευση (Științe fizice în educație). Pentru mai multe informații, accesați: http://physcool.web.auth.gr/ sau utilizați linkul direct: http://tinyurl.com/z8ljedw

Institutions

Author(s)

Maria Eleftheriou este profesor de științe la Liceul din Tzermiadon, Lassithi Plateau, Creta, Grecia. Ca fizician cu masterat în fizica materiei condensate și doctorat în fizică computațională, ea încearcă să aducă cercetarea reală în școală.

Review

Explorarea spațiului este un subiect generos, iar acest articol poate avea multiple utilizări. De exemplu, orbita și periodicitatea mișcării cometei 67P pot fi folosite pentru a studia evoluția cunoașterii obiectelor spațiale, de la Kepler și Galileo până la Newton și Halley.

Articolul poate fi folosit pentru aprofundarea conceptului de viteză cosmică și pentru discuții referitoare la distanțele enorme implicate în călătoria în spațiu, dificultatea inerentă călătoriei omului în spațiu și, în fine, locul nostru în univers și singurătatea noastră în spațiu – subiecte care depășesc granițele științei.

Duarte Nuno Januário, Portugalia

License

CC-BY

CC-BY

Download

Download this article as a PDF