این درس، موقعیتی برای دانش آموزان فراهم می آورد تا در مورد دو جنبه ی زمان که برای سفر در منظومه ی شمسی لازم است، فکر کنند. دانش آموزان در مورد مدت زمانی که فضانوردان باید در فضا بگذرانند و همچنین در مورد وقایعی که ممکن است در این مدت زمان، روی...
بازدید :
زمان تقریبی مطالعه :

سفر در منظومه ی شمسی

اهداف

دانش آموزان قادر خواهند بود:

- به منظور درک بیشتر اعداد بزرگ مربوط به فاصله ها در فضا، اندازه گیری و محاسبات را اعمال کنند.

 

وسایل لازم

- ماشین حساب

- صفحه ی "اطلاعات سیاره ها"

 

طرح درس

مأموریت

- به کار بردن اندازه گیری و محاسبات برای به دست آوردن بینشی در مورد اعداد بزرگ در ارتباط با فاصله در فضا

- طراحی سفری به سیاره ای در منظومه ی شمسی

 

این درس در مورد سفر بشر به منظومه ی شمسی است. مسئله ای که در مسافرت در منظومه ی شمسی وجود دارد، فاصله از یک سیاره تا سیاره ی دیگر است. یک سفینه ی فضایی برای سفری طولانی در فضا به سوخت احتیاج دارد و در این سفر طولانی افراد به غذا و آب احتیاج دارند. تأثیرات جاذبه ی کم، یعنی جاذبه ی نزدیک به صفر، روی بشر ناشناخته است. احتمال برخورد با خرده سیاره ها نامعلوم است. این موارد و جنبه های دیگر این سفر طولانی، مسافرت در فضا را پیچیده می سازد.

سفر در منظومه ی شمسی

به هر حال، پروازهای بدون سرنشین به سیاره ها ادامه می یابد تا پاسخی برای سؤالات بسیار مسافرت انسان به فضا پیدا شود. برای افزایش احتمال سلامتی انسان در مسافرت های فضایی، به تحقیقات بسیاری نیاز است. یکی از پروژه های ناسا که انسان را به سفرهای فضایی نزدیک می کند، ایستگاه فضایی بین المللی است که با استفاده از آن، بسیاری از محققان می توانند در مورد زندگی و کار در فضا برای مدت زمان طولانی، تحقیق کنند.

 

اهداف:

این درس، موقعیتی برای دانش آموزان فراهم می آورد تا در مورد دو جنبه ی زمان که برای سفر در منظومه ی شمسی لازم است، فکر کنند. دانش آموزان در مورد مدت زمانی که فضانوردان باید در فضا بگذرانند و همچنین در مورد وقایعی که ممکن است در این مدت زمان، روی زمین اتفاق بیفتد، فکر می کنند. تفکر در مورد هر دو موقعیت، فهم دانش آموزان را از زمان، فاصله و منظومه ی شمسی ارتقا می دهد.

 

شروع کنید:

کلاس را با بحث و گفتگو در مورد مسافرت انسان در میان کیهان آغاز کنید. به احتمال زیاد دانش آموزان در فیلم ها و در تلویزیون، با داستان های علمی تخیلی در مورد سفر با سرعت نور و یا بیشتر از سرعت نور، برای عبور از کل کهکشان رو به رو شده اند. فعالیت درس 2، یاد آوری می کند که مسافرت های فضایی با سرعت کمی انجام می گیرد و ما تا به حال به مسافرت با سرعت نور دست نیافته ایم. اگر چه سیگنال های رادیویی می توانند در مدت زمان کوتاهی از مریخ بازگردند ولی برای یک سفینه ی فضایی خیلی بیشتر طول می کشد تا از زمین به مریخ برسد.

 

قسمت اول

تعمیم فعالیت:

از اطلاعات زیر در مورد شاتل فضایی استفاده کنید تا سرعتش را بر حسب کیلومتر بر ساعت تعیین کنید. به دانش آموزان یادآوری کنید که شاتل ها برای مسافرت به سیارات طراحی نشده اند. آن ها برای گردش به دور زمین ساخته شده اند ولی با این وجود، سرعتشان به عنوان فضاپیمای قرن بیستم قابل قبول است. بعد از این که دانش آموزان محاسبات را انجام دادند، با آن ها بحث و گفتگو کنید تا در مورد سرعت تقریبی برای سفر به سیارات به نظر واحدی برسید. فرض کنید که این سرعت 80000 کیلومتر بر ساعت است. این سرعت برای مسافرت فضایی، منطقی است. بدون شک در آینده   سرعت ها افزایش خواهند یافت.

 

اطلاعات شاتل فضایی:

فاصله ی طی شده توسط شاتل: کیلومتر 6701292

زمان لازم برای طی فاصله ی داده شده: 9 روز و 23 ساعت و 30 دقیقه

محاسبه ی سرعت:

 

ساعت 239.5=0.5+ 23 + 216 =((60 دقیقه / 1 ساعت) × 30 دقیقه) + (23 ساعت) + (روز / ساعت 24 × 9 روز) =9 روز و 23 ساعت و 30 دقیقه 

کیلومتر بر ساعت 27980 ? 27980.34238 = 239.5 ساعت / 6701292 کیلومتر =سرعت

با نگاهی اجمالی بر صفحه ی "اطلاعات سیاره ها"، دانش آموزان می توانند فاصله ی زمین تا هر یک از سیاره های دیگر را محاسبه کنند. فاصله های جدول بر حسب میلیون کیلومتر داده شده است. برای ساده کردن محاسبات و تخمین ها، دانش آموزان 108.2 میلیون کیلومتر (فاصله ی خورشید تا زحل) را به 108200000 کیلومتر تبدیل کنند. دانش آموزان باید توجه کنند که فاصله ی زمین از خورشید حدود 149.6 میلیون کیلومتر می باشد. برای محاسبه ی فاصله ی زمین از سیاره ی مورد نظر، از فاصله ی متوسط خورشید تا آن سیاره استفاده کنید.

 

برای مناسب بودن این فعالیت برای دوره ی متوسطه، فرض کرده ایم که سیارات در فاصله های متوسطشان تراز شده اند. البته معلم ها باید به دانش آموزان توضیح دهند که این وضعیت، در واقع یک فرض است.

 

سپس دانش آموزان باید زمان لازم برای رفتن به هر یک از سیارات را با سفینه ای که با سرعت 10000 تا 100000 کیلومتر بر ساعت حرکت می کند،  بیابند. برای محاسبه ی زمان لازم، باید از فاصله ی متوسط هر سیاره تا زمین استفاده کنند. دانش آموزان را به گروه های 4 نفری تقسیم کنید.

 

سپس از آن ها بخواهید تا جدول زیر را برای همه ی سیارات منظومه ی شمسی و برای سرعت هایی که نشان داده شده، کامل کنند.

 

پلوتون

نپتون

اورانوس

زحل

مشتری

مریخ

ناهید

عطارد

کیلومتر بر ساعت

 

 

 

 

 

 

 

 

20000

 

 

 

 

 

 

 

 

30000

 

 

 

 

 

 

 

 

40000

 

 

 

 

 

 

 

 

50000

 

 

 

 

 

 

 

 

60000

 

 

 

 

 

 

 

 

70000

 

 

 

 

 

 

 

 

80000

 

 

 

 

 

 

 

 

90000

 

 

 

 

 

 

 

 

100000

 

دانش آموزان برای پر کردن این جدول طولانی با هم رقابت می کنند تا با کم کردن زمان محاسبات، در کم ترین زمان ممکن جدول را پر کنند. همه ی دانش آموزان گروه ها باید این جدول را تشکیل دهند.

 

در مورد روش هایی که دانش آموزان برای کامل کردن جدول استفاده کرده اند، گفتگو کنید. روش ها را روی تخته سیاه بنویسید. پس از این که همه ی گروه ها چگونگی تقلیل محاسباتشان را بیان کردند، از هر یک از گروه ها بپرسید که آن ها از چند روش متفاوت استفاده کرده اند.

 

اکنون دانش آموزان این کلاس، یک جدول کامل برای مسافرت به سیاره های منظومه شمسی دارند که مدت زمان لازم برای مسافرت را محاسبه    کرده اند. زمان آن فرا رسیده که توجه بیشتری به مفهوم این زمان ها بکنیم. سؤال هایی را که دانش آموزان برای تفکر در مورد عملی بودن این سفر های فضایی نیاز دارند، مطرح کنید.

 

- اگر ما با سرعتی نزدیک به سرعت شاتل فضایی مسافرت کنیم، در کم تر از 10 سال به کدام سیارات می توانیم برسیم؟

- با چه سرعتی باید حرکت کنیم تا بتوانیم در کم تر از 10 سال به سیاره ی مشتری برسیم؟

- سفر به برخی از سیاره ها در بعضی از سرعت های نشان داده شده، بیشتر از طول عمر متوسط انسان یعنی 75 سال زمان لازم دارد. کدام سیاره ها خیلی دور هستند که انسان نمی تواند در مدت عمر خود به آن ها برسد؟

- می خواهیم یک سفر رفت و برگشت انجام دهیم. با سرعت 20000 کیلومتر بر ساعت، می توانیم در طول عمرمان به کدام سیاره ها سفر رفت و برگشت انجام دهیم؟

 

این سؤالات باید در گروه ها مطرح شود و آن ها در مورد سؤال ها بحث و گفتگو کنند و به یک جواب گروهی برسند. سپس از هر گروه بخواهید سؤال هایی برای حل در کلاس طرح کنند.

 

اتمام فعالیت

سؤال های انتخابی گروه ها را برای کل کلاس مطرح کنید. کیفیت سؤالات و جواب ها نشان می دهد که کدام دانش آموزان در مورد زمان لازم برای مسافرت های فضایی درک لازم را به دست آورده اند.

 

تعمیم فعالیت

دانش آموزانی که فعالیت های ناسا را پیگیری می کنند، می دانند که در این درس، سفرهای فضایی خیلی ساده در نظر گرفته شده است. سفینه ی فضایی مانند گلوله به طور مستقیم به سمت سیاره پرتاب نمی شود. سرعت سفینه در خلال این سفر ثابت نمی ماند. سفینه ی فضایی باید مسیری ایجاد کند به طوری که هدف در حال حرکت مشاهده شود، مانند پرتاب توپ فوتبال به کسی که در حال دویدن است، توپ به جایی می رود که دونده لحظه ی پرتاب توپ آن جا بوده است. دانشمندان برای طراحی سفرهای طولانی در فضا باید از ریاضیات خیلی پیشرفته استفاده کنند.

سفرهای طولانی در فضا

وقتی یک سفینه ی فضایی به فضا پرتاب می شود، می تواند قبل از این که از مدار زمین خارج شود به تعداد مشخصی روی مدار زمین بچرخد.

 

قسمت دوم

شروع کنید:

چهار سیاره ی میانی منظومه ی شمسی یعنی عطارد، ناهید، زمین و مریخ سیاره های خاکی نامیده می شوند، چون مانند زمین سنگلاخ و صخره دارند. مشتری، زحل، اورانوس و نپتون به عنوان سیاره های مشتری مانند شناخته می شوند، چون در مقایسه با زمین سیاره های غول پیکری هستند و مانند مشتری ماهیت گازی دارند. سیاره ی پلوتون جزء هیچ کدام از این گروه ها نیست و ساختارش ناشناخته است، اما به احتمال زیاد از سنگ، یخ و گازهای منجمد ساخته شده اند.

 

تعمیم فعالیت:

این متن را به دانش آموزان ارائه دهید: از زمانی که انسان در مورد هر یک از همسایه های سیاره ی زمین کنجکاو شد، سفرهایی را به این سیارات طراحی کرد. یک سیاره ی خاکی و یک سیاره ی مشتری مانند را انتخاب کنید. سفرهایی را به دو سیاره و به پلوتون طراحی کنید. سرعت سفینه ی فضایی و زمان لازم را برای رسیدن به سیاره مشخص کنید، یک سال زمینی برای کاوش در آن سیاره بمانید و سپس به زمین برگردید. فرض کنید سفرها با سفینه های فضایی پیشرفته انجام می شود و سرعت آن می تواند به 80000 کیلومتر بر ساعت برسد.

 

روز پرتاب، برای همه ی مأموریت ها 10 دسامبر 1999 می باشد. در چه تاریخی به سیاره ی هدف می رسید؟ در هر مأموریت، در چه تاریخی  باز می گردید؟

 

در این سؤالات دانش آموزان باید فاصله های زمانی مانند 10.2 سال را به سال و روز تبدیل کنند. وقتی تبدیلات بر حسب قسمتی از روز به دست آمد، آن عدد را گرد کنند. به دانش آموزان یادآوری کنید که پرتاب در 10 دسامبر انجام می گیرد. چون سال 2000  سال کبیسه است، باید آن سال را 366 روز حساب کنند و همچنین سال های کبیسه ی دیگر را، در خلال سفر به سیاره ها، 366 روز در نظر بگیرند.

 

اتمام فعالیت:

هر یک از اعضای گروه ها باید در مورد سفر به یک سیاره شرحی بنویسند که شامل تاریخ پرتاب، فاصله، سرعت، مدت زمان لازم برای رسیدن به سیاره، تاریخ رسیدن و تاریخی که به زمین باز می گردد، باشد. هر یک از گروه ها باید مسیری برای یکی از سفرهای سیاره ای ایجاد کنند.

قسمت سوم

شروع کنید:

در این قسمت، دانش آموزان سفرهای فضایی را از این جهت که چه اتفاقاتی برای فضانوردان می افتد، بررسی می کنند. اما در حالی که فضانوردان در سیاره های دور هستند، زندگی به مسیر معمول خود روی زمین ادامه می دهد. دانش آموزان باید از تجربه هایشان که در قسمت های قبل کسب کرده اند، استفاده کنند. در حالی که آنه ا از ما دور هستند، زندگی ادامه می یابد؛ در برگشتشان، آن ها به زمان نیاز دارند تا از همه ی اخبار و رخدادها مطلع شوند. وقتی فضانوردان بعد از بازگشت، اتفاقات روی زمین را می بینند، اثر عمیقی روی آن ها می گذارد.

 

تعمیم فعالیت:

دانش آموزان را به گروه هایشان بازگردانید. به آن ها بگویید فرض کنند که گروهشان واقعاً  به سیاره ی خاکی انتخاب شده، فرستاده می شود. آن ها تاریخ پرتایشان را می دانند، مدت سفرشان را محاسبه کرده اند و تاریخ برگشتنشان را نیز می دانند. گر چه ناسا فضانوردان را از اخبار مطلع می کند ولی آن ها از بسیاری از رویدادهای مهم، چه فردی و چه اجتماعی بی خبر می مانند.

 

هر گروه افرادی را به عنوان خدمه ی زمینی برای سفر فضایی انتخاب می کنند. وظیفه ی خدمه ی زمینی این است که فضانوردان را از اتفاقاتی که در غیاب آن ها روی زمین رخ می دهد، مطلع کنند.

 

هر یک از خدمه ی زمینی لیستی از اتفاقات مهم را درست می کند، البته نام ها و برخی از اتفاقات ساختگی خواهند بود ولی باید برای فضانوردان قابل باور باشد. به برخی اتفاقات شخصی مانند فارغ التحصیلی اعضای خانواده باید توجه شود. اتفاقات ورزشی، مانند المپیک، مسابقات فوتبال و جام جهانی احتمالاً برای برخی از دانش آموزان وقایع مهمی هستند.

 

اتمام فعالیت:

دانش آموزان گزارشی را که برای بازگشت فضانوردان نوشته اند، ارائه می دهند. گزارش ها می توانند انواع مختلفی داشته باشند. برخی گروه ها ممکن است خط زمان ایجاد کرده باشند. بقیه ممکن است گزارششان را به عنوان یک خبر رادیویی ارائه دهند. گروه ها می توانند برای ارائه ی گزارششان از تکنولوژی استفاده کنند. در مورد نوع گزارش ها محدودیت ایجاد نکنید.

 

همه ی دانش آموزان باید در مورد ریاضیات این درس تفکر عمیقی داشته باشند. تقویم، تبدیلات زمان، فاصله ها در فضا و سرعت های لازم برای تکمیل سفر فضایی، مفاهیم مهمی برای دانش آموزان است تا در مورد آن فکر کنند و درکشان را از جهان و ریاضیاتی که آن را توصیف می کند، گسترش دهند.

 

توجه: معلم ها می توانند دانش آموزانی را که داوطلب هستند در مورد موقعیت نسبی دو سیاره در مدارهای مربوطه شان اطلاعات بیشتری کسب کنند، به فعالیت های مدل سازی "Scaling up" در م?موریت های ریاضیاتی ارجاع دهند: پایه ی 12-9.

 

رویکردهای زیادی برای حل این مسائل وجود دارد، به انضمام استفاده از تکنولوژی. همه ی پاسخ های صحیح باید پذیرفته شود. پاسخ های محاسباتی، پاسخ های نموداری و پاسخ های تکنولوژیکی همگی صحیح هستند. این فعالیت، موقعیتی برای تجلیل از ابتکار دانش آموزان فراهم می کند.

 

مترجم: وحید رستمی

تنظیم: نسرین صادقی