《宇宙航行》教學(xué)設(shè)計(jì)

田郭政

【中圖分類號(hào)】G633.7 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】2095-3089（2019）02-0246-02

一、設(shè)計(jì)思路

本節(jié)重點(diǎn)講述了人造衛(wèi)星的發(fā)射原理，推導(dǎo)了第一宇宙速度，并介紹了第二、第三宇宙速度。人造衛(wèi)星是萬有引力定律在天文學(xué)上應(yīng)用的一個(gè)實(shí)例，是人類征服自然的見證，體現(xiàn)了知識(shí)的力量，是學(xué)生學(xué)習(xí)、了解現(xiàn)代知識(shí)的一個(gè)極好素材。必修2教材在這一節(jié)中不但介紹了人造衛(wèi)星中一些基本理論，更是在其中滲透了很多研究實(shí)際物理問題的物理方法。因此本節(jié)課是“萬有引力與航天”這一章中的重要內(nèi)容，是學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)研究天體物理問題的理論基礎(chǔ)。另外，學(xué)生通過對(duì)人造衛(wèi)星、宇宙速度的了解，也將潛移默化地產(chǎn)生對(duì)航天科學(xué)的熱愛，增強(qiáng)民族自信心和自豪感。

本節(jié)內(nèi)容涉及人造衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和三個(gè)宇宙速度的含義，在處理有關(guān)衛(wèi)星的問題時(shí)，可以按勻速圓周運(yùn)動(dòng)模型處理，進(jìn)而結(jié)合向心力公式、向心加速度公式及圓周運(yùn)動(dòng)公式，推導(dǎo)已知量和未知量的關(guān)系。學(xué)習(xí)宇宙速度時(shí)，要對(duì)比記憶，明確其物理意義。應(yīng)掌握推導(dǎo)過程，體會(huì)推導(dǎo)第一宇宙速度的物理思想，另外，結(jié)合向心運(yùn)動(dòng)或離心運(yùn)動(dòng)分析衛(wèi)星軌道如何變化或改變的原因。

教學(xué)重點(diǎn)：

理解和推導(dǎo)第一宇宙速度，了解第二、第三宇宙速度。

教學(xué)難點(diǎn)：

人造衛(wèi)星的發(fā)射原理及運(yùn)行規(guī)律。

課時(shí)安排：

1課時(shí)

三維目標(biāo)：

知識(shí)與技能：

1、了解人造衛(wèi)星的發(fā)射原理及運(yùn)行規(guī)律。

2、知道三個(gè)宇宙速度的含義，會(huì)推導(dǎo)第一宇宙速度。

3、通過實(shí)例，了解人類對(duì)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(dǎo)第一宇宙速度，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用知識(shí)解決問題的能力。

2、通過航天事業(yè)的發(fā)展史說明物理學(xué)的發(fā)展對(duì)自然科學(xué)的促進(jìn)作用。

情感、態(tài)度與價(jià)值觀：

1、通過對(duì)我國航天事業(yè)發(fā)展的了解，進(jìn)行愛國主義的教育。

2、感知人類探索宇宙的夢(mèng)想，促使學(xué)生樹立獻(xiàn)身科學(xué)的人生價(jià)值觀。

二、課前準(zhǔn)備

多媒體教學(xué)設(shè)備、課件

三、教學(xué)過程

導(dǎo)入新課

情景導(dǎo)入→

師：同學(xué)們好，大家一定不會(huì)忘記翟志剛在浩瀚太空揮動(dòng)五星紅旗，那難忘的一幕吧！近幾年來，我國的航天事業(yè)迅猛發(fā)展：神舟號(hào)系列飛船、美麗的嫦娥一號(hào)……這一幕幕無不讓我們中華兒女熱血沸騰?，F(xiàn)在就讓我們重溫一次神舟飛船發(fā)射時(shí)那宏偉的場面。

課件片段一：展示“神舟飛船”的發(fā)射。

師：同學(xué)們，下面這個(gè)場景你是否熟悉呢？

課件片段二：生活視頻片段（平拋運(yùn)動(dòng)）

問題：這兩個(gè)場景有什么關(guān)系嗎？

師：時(shí)至今日，數(shù)千顆人造衛(wèi)星正在按照萬有引力定律為它們“設(shè)定”的軌道繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)著，牛頓早期的預(yù)言已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。

那么，衛(wèi)星是怎樣發(fā)射的？它又是怎樣運(yùn)行的呢？本節(jié)課我們就來探究宇宙航行的有關(guān)知識(shí)。

板書標(biāo)題：宇宙航行

推進(jìn)新課

一、宇宙速度

1、探究第一宇宙速度

請(qǐng)同學(xué)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(shè)它落在A點(diǎn)，若后來的速度一次比一次大，情況將會(huì)怎樣？

引領(lǐng)探究：（畫圖說明）

（1）速度再大些，落點(diǎn)呢？ 學(xué)生回答：遠(yuǎn)

（2）速度更大，落點(diǎn)呢？ 學(xué)生回答：更遠(yuǎn)

（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(gè)足夠大的平面嗎？那是什么？ 學(xué)生回答：落點(diǎn)很遠(yuǎn)，落到地球的球面上了。

（4）同學(xué)們！展開你豐富的想象，大膽猜想。當(dāng)速度足夠大，還會(huì)落到地球上嗎？情況將會(huì)怎樣？

預(yù)設(shè)學(xué)生可能會(huì)出現(xiàn)兩種情況：一種情況繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)；另一種情況離開地球做離心運(yùn)動(dòng)。

教師提出問題：為什么會(huì)產(chǎn)生這些情況？

學(xué)生活動(dòng)：討論。

合作探究：經(jīng)過提問共同找到結(jié)果，提出下一個(gè)問題。

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

教師活動(dòng)：在提問學(xué)生后，得到了肯定的前提下，此時(shí)的物體已成為一顆人造地球衛(wèi)星。可以告訴學(xué)生：

M 地=5.98×1024kg R 地=6.4×10 6m

學(xué)生活動(dòng)：列動(dòng)力學(xué)方程，求出這個(gè)速度的大小。（要求一位學(xué)生到黑板上做示范）

通過投影顯示正確解法。

設(shè)地球質(zhì)量為M，飛行器繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的質(zhì)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)的速度叫做第一宇宙速度。

教師活動(dòng)：（1）為什么把r代為地球的半徑？提問學(xué)生（答：由于衛(wèi)星距地面的高度遠(yuǎn)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(wèi)星。）

特別需要強(qiáng)調(diào)：r是衛(wèi)星的軌道半徑，是衛(wèi)星到地心的距離。

（2）這個(gè)速度值得我們記住，它叫第一宇宙速度。所有衛(wèi)星環(huán)繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)的速度都叫環(huán)繞速度，通常人們也稱它是運(yùn)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(yùn)行的衛(wèi)星，設(shè)衛(wèi)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(qǐng)同學(xué)們分別求出它們的運(yùn)行速度分別是多大？

學(xué)生活動(dòng)：可以分兩組來算，學(xué)生算出后，與第一宇宙速度進(jìn)行比較。

教師活動(dòng)：（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(gè)最大的運(yùn)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(yùn)行速度

問題4：在地面附近，要想發(fā)射一顆衛(wèi)星，發(fā)射速度至少應(yīng)該是多大？

合作交流：引導(dǎo)學(xué)生回到《人造衛(wèi)星發(fā)射原理圖》的模擬視頻上，問10m/s、2km/s、5km/s、行嗎？

出示投影對(duì)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(fā)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(fā)射飛行器，發(fā)射速度大于7.9km/s，它繞地球的軌道將會(huì)怎樣？那么發(fā)射速度達(dá)到多大時(shí)，它將會(huì)擺脫地球的引力呢？

學(xué)生活動(dòng)：閱讀課本找答案。

教師活動(dòng)：這個(gè)值也值得我們記??；同時(shí)也可以引導(dǎo)學(xué)生來分析（從力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系說明：速度應(yīng)當(dāng)是先減小后增大的），讓學(xué)生說明在發(fā)射速度大于7.9km/s，而小于11.2km/s時(shí)，小球運(yùn)動(dòng)的軌道將是一個(gè)橢圓。當(dāng)發(fā)射速度等于或大于11.2km/s時(shí)，物體將擺脫地球的引力。

出示投影對(duì)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(fā)射速度更大些，物體能掙脫太陽引力的束縛嗎？

請(qǐng)同學(xué)們閱讀課文，找到答案。

出示投影對(duì)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(xùn)練（投影顯示）

1、關(guān)于第一宇宙速度，下面說法正確的是（ ）

A.它是人造地球衛(wèi)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(wèi)星的運(yùn)行速度

C.它是衛(wèi)星在橢圓軌道上運(yùn)行時(shí)在近地點(diǎn)的速度

D.它又叫環(huán)繞速度，即衛(wèi)星繞地球做圓軌道運(yùn)行的速度都是第一宇宙速度

2、某行星的質(zhì)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(mèng)想成真

師：從1957年世界上第一顆人造衛(wèi)星發(fā)射成功，到今天人類已向太空發(fā)射了數(shù)以千計(jì)的包括衛(wèi)星、空間站在內(nèi)的航天器。特別是中國這樣一個(gè)最早產(chǎn)生飛天夢(mèng)想的偉大民族。從“嫦娥奔月”的動(dòng)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(hào)飛船”、“嫦娥一號(hào)”，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(jīng)歷了艱難的跋涉，且已取得了巨大的成就。下面從幾個(gè)實(shí)例來對(duì)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(hào)航天飛機(jī)在重返地面的過程中突然發(fā)生解體燃燒，航天飛機(jī)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(hào)”（這是翟志剛在浩瀚太空揮動(dòng)中國國旗，令國人自豪和震撼的場面）

學(xué)生活動(dòng)：組織學(xué)生發(fā)表感想，發(fā)表異議。

師：最后，希望同學(xué)們以航天英雄為榜樣，學(xué)習(xí)航天人勇于探索、敢于創(chuàng)新的精神，努力學(xué)習(xí)，為我國的繁榮富強(qiáng)做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。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(yuǎn)飄揚(yáng)在浩瀚的太空。

課堂小結(jié)

1、知識(shí)小結(jié)

記住三個(gè)宇宙速度的數(shù)值，能夠理解和推導(dǎo)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(mèng)想，激發(fā)學(xué)生運(yùn)用知識(shí)解決問題的能力，促使學(xué)生樹立獻(xiàn)身科學(xué)的人生觀、價(jià)值觀。

2、規(guī)律方法小結(jié)

學(xué)會(huì)運(yùn)用萬有引力定律、牛頓第二定律、圓周運(yùn)動(dòng)的知識(shí)解決衛(wèi)星問題

布置作業(yè)

1、閱讀P 42課后 “科學(xué)漫步”和“STS”

2、P 44 “問題與練習(xí)”1、2、3

三、活動(dòng)與探究

請(qǐng)同學(xué)們課后上網(wǎng)查閱有關(guān)資料了解：

（1）人造衛(wèi)星的種類。

（2）同步衛(wèi)星的含義及特點(diǎn)。

學(xué)科教學(xué)活動(dòng)是以學(xué)生為主體、以教師為主導(dǎo)，促進(jìn)學(xué)生知識(shí)、能力、品德三維一體的全面發(fā)展，這是本節(jié)課設(shè)計(jì)的基本理念。學(xué)生已學(xué)過平拋運(yùn)動(dòng)、勻速圓周運(yùn)動(dòng)、萬有引力定律等基本理論，具備了解決問題的方法。本節(jié)課的難點(diǎn)在于對(duì)人造衛(wèi)星發(fā)射原理的理解，因此教學(xué)設(shè)計(jì)上采用探究法：在設(shè)計(jì)中突出發(fā)揮學(xué)生的主體作用，課堂中通過猜想→設(shè)疑→思考→啟發(fā)→引導(dǎo)→教師點(diǎn)評(píng)這樣一條主線，激發(fā)鼓勵(lì)學(xué)生大膽猜想、大膽思考、積極參與，讓學(xué)生通過自己的分析來掌握獲取相關(guān)的知識(shí)和方法。本節(jié)課的重點(diǎn)是第一宇宙速度的理解和推導(dǎo)，因此教學(xué)設(shè)計(jì)上采用師生互動(dòng)的方式：學(xué)生作答→觀看模擬視頻→教師點(diǎn)評(píng)→學(xué)生總結(jié)，從而調(diào)動(dòng)了廣大學(xué)生參與課堂活動(dòng)的積極性，學(xué)生充分享受了自己的勞動(dòng)成果，使學(xué)生變得樂學(xué)。在情感態(tài)度、價(jià)值觀的教育上采用：對(duì)比展示世界航天和中國航天所取得的輝煌成就→學(xué)生談感想、體會(huì)→從某個(gè)片段中獲取信息并用學(xué)過的知識(shí)解決實(shí)際問題?？傊竟?jié)課的設(shè)計(jì)是從新課標(biāo)的要求、模塊的特點(diǎn)、學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)、學(xué)生的主動(dòng)參與等方面出發(fā)，通過教學(xué)的實(shí)際學(xué)生基本上能達(dá)到預(yù)期的效果。