《宇宙航行》教學設計

田郭政

【中圖分類號】G633.7 【文獻標識碼】A

【文章編號】2095-3089（2019）02-0246-02

一、設計思路

本節重點講述了人造衛星的發射原理，推導了第一宇宙速度，并介紹了第二、第三宇宙速度。人造衛星是萬有引力定律在天文學上應用的一個實例，是人類征服自然的見證，體現了知識的力量，是學生學習、了解現代知識的一個極好素材。必修2教材在這一節中不但介紹了人造衛星中一些基本理論，更是在其中滲透了很多研究實際物理問題的物理方法。因此本節課是“萬有引力與航天”這一章中的重要內容，是學生進一步學習研究天體物理問題的理論基礎。另外，學生通過對人造衛星、宇宙速度的了解，也將潛移默化地產生對航天科學的熱愛，增強民族自信心和自豪感。

本節內容涉及人造衛星的運動規律和三個宇宙速度的含義，在處理有關衛星的問題時，可以按勻速圓周運動模型處理，進而結合向心力公式、向心加速度公式及圓周運動公式，推導已知量和未知量的關系。學習宇宙速度時，要對比記憶，明確其物理意義。應掌握推導過程，體會推導第一宇宙速度的物理思想，另外，結合向心運動或離心運動分析衛星軌道如何變化或改變的原因。

教學重點：

理解和推導第一宇宙速度，了解第二、第三宇宙速度。

教學難點：

人造衛星的發射原理及運行規律。

課時安排：

1課時

三維目標：

知識與技能：

1、了解人造衛星的發射原理及運行規律。

2、知道三個宇宙速度的含義，會推導第一宇宙速度。

3、通過實例，了解人類對太空的探索歷程。

過程與方法：

1、通過萬有引力定律和牛頓第二定律推導第一宇宙速度，培養學生運用知識解決問題的能力。

2、通過航天事業的發展史說明物理學的發展對自然科學的促進作用。

情感、態度與價值觀：

1、通過對我國航天事業發展的了解，進行愛國主義的教育。

2、感知人類探索宇宙的夢想，促使學生樹立獻身科學的人生價值觀。

二、課前準備

多媒體教學設備、課件

三、教學過程

導入新課

情景導入→

師：同學們好，大家一定不會忘記翟志剛在浩瀚太空揮動五星紅旗，那難忘的一幕吧！近幾年來，我國的航天事業迅猛發展：神舟號系列飛船、美麗的嫦娥一號……這一幕幕無不讓我們中華兒女熱血沸騰。現在就讓我們重溫一次神舟飛船發射時那宏偉的場面。

課件片段一：展示“神舟飛船”的發射。

師：同學們，下面這個場景你是否熟悉呢？

課件片段二：生活視頻片段（平拋運動）

問題：這兩個場景有什么關系嗎？

師：時至今日，數千顆人造衛星正在按照萬有引力定律為它們“設定”的軌道繞地球運轉著，牛頓早期的預言已經成為現實。

那么，衛星是怎樣發射的？它又是怎樣運行的呢？本節課我們就來探究宇宙航行的有關知識。

板書標題：宇宙航行

推進新課

一、宇宙速度

1、探究第一宇宙速度

請同學們思考：[投影出示]

問題1：在地面附近的一座高山上，將一物體以 v 0=10m/s的水平速度拋出，假設它落在A點，若后來的速度一次比一次大，情況將會怎樣？

引領探究：（畫圖說明）

（1）速度再大些，落點呢？ 學生回答：遠

（2）速度更大，落點呢？ 學生回答：更遠

（3）速度非常大，是否可以落到上海？是否可以落到太平洋？試想我們居住的地球是一個足夠大的平面嗎？那是什么？ 學生回答：落點很遠，落到地球的球面上了。

（4）同學們！展開你豐富的想象，大膽猜想。當速度足夠大，還會落到地球上嗎？情況將會怎樣？

預設學生可能會出現兩種情況：一種情況繞地球做勻速圓周運動；另一種情況離開地球做離心運動。

教師提出問題：為什么會產生這些情況？

學生活動：討論。

合作探究：經過提問共同找到結果，提出下一個問題。

問題2：如果速度足夠大時，小球恰好繞地球做勻速圓周運動，向心力來自什么？你們能否求出這個速度？

教師活動：在提問學生后，得到了肯定的前提下，此時的物體已成為一顆人造地球衛星。可以告訴學生：

M 地=5.98×1024kg R 地=6.4×10 6m

學生活動：列動力學方程，求出這個速度的大小。（要求一位學生到黑板上做示范）

通過投影顯示正確解法。

設地球質量為M，飛行器繞地球做勻速圓周運動的質量為m，飛行器的線速度為v，它到地心的距離為r，飛行器運動所需的向心力是由萬有引力提供向心力的。

由萬有引力定律和牛頓第二定律，得：

這就是物體在地面附近繞地球做勻速圓周運動的速度叫做第一宇宙速度。

教師活動：（1）為什么把r代為地球的半徑？提問學生（答：由于衛星距地面的高度遠小于地球的半徑，完全可以說是在“地面附近飛行”，屬于近地衛星。）

特別需要強調：r是衛星的軌道半徑，是衛星到地心的距離。

（2）這個速度值得我們記住，它叫第一宇宙速度。所有衛星環繞地球做圓周運動的速度都叫環繞速度，通常人們也稱它是運行速度。

板書：第一宇宙速度：v 1=7.9km/s

問題3：假如還有繞地球在其它高軌道上運行的衛星，設衛星繞地球的軌道是圓形的，其距地面的高度分別是地球半徑的3倍、8倍等，請同學們分別求出它們的運行速度分別是多大？

學生活動：可以分兩組來算，學生算出后，與第一宇宙速度進行比較。

教師活動：（1）你是怎樣算的？說明比值法最快；

最后由v=GMr，說明它還是一個最大的運行速度。

（2）展示模擬視頻。

板書：第一宇宙速度：v 1=7.9km/s最大運行速度

問題4：在地面附近，要想發射一顆衛星，發射速度至少應該是多大？

合作交流：引導學生回到《人造衛星發射原理圖》的模擬視頻上，問10m/s、2km/s、5km/s、行嗎？

出示投影對第一宇宙速度的概括。

板書：第一宇宙速度：v 1=7.9km/s最小發射速度

2、探究第二宇宙速度、第三宇宙速度

問題5：若在地面附近發射飛行器，發射速度大于7.9km/s，它繞地球的軌道將會怎樣？那么發射速度達到多大時，它將會擺脫地球的引力呢？

學生活動：閱讀課本找答案。

教師活動：這個值也值得我們記住；同時也可以引導學生來分析（從力和運動的關系說明：速度應當是先減小后增大的），讓學生說明在發射速度大于7.9km/s，而小于11.2km/s時，小球運動的軌道將是一個橢圓。當發射速度等于或大于11.2km/s時，物體將擺脫地球的引力。

出示投影對第二宇宙速度的概括。

板書：第二宇宙速度：v 2=11.2km/s

問題6：如果發射速度更大些，物體能掙脫太陽引力的束縛嗎？

請同學們閱讀課文，找到答案。

出示投影對第三宇宙速度的概括。

板書：第三宇宙速度：v 3=16.7km/s

課堂訓練（投影顯示）

1、關于第一宇宙速度，下面說法正確的是（ ）

A.它是人造地球衛星繞地球飛行的最小速度

B.它是近地圓形軌道上人造地球衛星的運行速度

C.它是衛星在橢圓軌道上運行時在近地點的速度

D.它又叫環繞速度，即衛星繞地球做圓軌道運行的速度都是第一宇宙速度

2、某行星的質量是地球的6倍，半徑是地球的1.5倍，此行星的第一宇宙速度約為（ ）

A.16km/s B.32km/s C.4km/s D.2km/s

二、夢想成真

師：從1957年世界上第一顆人造衛星發射成功，到今天人類已向太空發射了數以千計的包括衛星、空間站在內的航天器。特別是中國這樣一個最早產生飛天夢想的偉大民族。從“嫦娥奔月”的動人傳說到敦煌飛天的美麗壁畫，從明代的萬戶飛天到如今的“神舟號飛船”、“嫦娥一號”，中華民族探索太空的腳步從來就沒有停止過。中國和其他國家一樣，在探索宇宙的道路上已經歷了艱難的跋涉，且已取得了巨大的成就。下面從幾個實例來對比世界航天的輝煌成就和我國征服宇宙太空過程中所取得的偉大成就。

2003年2月1日，哥倫比亞號航天飛機在重返地面的過程中突然發生解體燃燒，航天飛機上的七名宇航員，包括六名美國人及一名以色列人全部遇難。

課件片段三：展示“神舟七號”（這是翟志剛在浩瀚太空揮動中國國旗，令國人自豪和震撼的場面）

學生活動：組織學生發表感想，發表異議。

師：最后，希望同學們以航天英雄為榜樣，學習航天人勇于探索、敢于創新的精神，努力學習，為我國的繁榮富強做出應有的貢獻。我們共同期盼2020年中國的空間站能夠順利建成，五星紅旗永遠飄揚在浩瀚的太空。

課堂小結

1、知識小結

記住三個宇宙速度的數值，能夠理解和推導第一宇宙速度。通過閱讀課文，解決問題，感知人類探索宇宙的夢想，激發學生運用知識解決問題的能力，促使學生樹立獻身科學的人生觀、價值觀。

2、規律方法小結

學會運用萬有引力定律、牛頓第二定律、圓周運動的知識解決衛星問題

布置作業

1、閱讀P 42課后 “科學漫步”和“STS”

2、P 44 “問題與練習”1、2、3

三、活動與探究

請同學們課后上網查閱有關資料了解：

（1）人造衛星的種類。

（2）同步衛星的含義及特點。

學科教學活動是以學生為主體、以教師為主導，促進學生知識、能力、品德三維一體的全面發展，這是本節課設計的基本理念。學生已學過平拋運動、勻速圓周運動、萬有引力定律等基本理論，具備了解決問題的方法。本節課的難點在于對人造衛星發射原理的理解，因此教學設計上采用探究法：在設計中突出發揮學生的主體作用，課堂中通過猜想→設疑→思考→啟發→引導→教師點評這樣一條主線，激發鼓勵學生大膽猜想、大膽思考、積極參與，讓學生通過自己的分析來掌握獲取相關的知識和方法。本節課的重點是第一宇宙速度的理解和推導，因此教學設計上采用師生互動的方式：學生作答→觀看模擬視頻→教師點評→學生總結，從而調動了廣大學生參與課堂活動的積極性，學生充分享受了自己的勞動成果，使學生變得樂學。在情感態度、價值觀的教育上采用：對比展示世界航天和中國航天所取得的輝煌成就→學生談感想、體會→從某個片段中獲取信息并用學過的知識解決實際問題。總之，本節課的設計是從新課標的要求、模塊的特點、學生的認知結構、學生的主動參與等方面出發，通過教學的實際學生基本上能達到預期的效果。