《宇宙航行》教学设计

李林+华玉梅

摘 要：创设一系列真实的问题情境，让学生真正有面临真实问题的感觉，利用已有知识通过自己的探究获取新知，这是本教学设计最关切和思考的问题。在每个环节，先用多媒体让学生形成感性认知，以问题为中心，学生在观察与体验中思考，自觉地由浅入深，由感性到理性分层探索，再通过师生的讨论、分析、概括及应用，实现由感性认识上升为理性认识的飞跃。将思维的发展贯穿于知识认知的全过程，是本课的一条主线。

关键字：宇宙航行；教学设计；思维发展

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2014）11（S）-0077-4

1 教材分析

《宇宙航行》是“人教版”普通高中《物理》教材·必修2第六章《万有引力与航天》的第五小节。主要介绍了万有引力定律的实践成就及航天事业的发展与其巨大成果。教材不但介绍了人造卫星中的一些基本理论，更在其中渗透了很多研究实际物理问题的物理方法。因此，本节是《万有引力与航天》中的重点内容，是学生进一步学习、研究天体物理问题的理论基础。

人造卫星是万有引力定律在天文学上应用的一个实例，是学生学习、了解现代科技知识的一个极好素材。通过对人造卫星发射原理、宇宙速度等宇宙航行知识的学习，学生不仅可以对万有引力定律有更全面、更深入的认识，对宇宙航行有一个更为系统的了解，还能提高利用所学知识分析、解决实际问题的能力。同时，使学生产生对航天科学的热爱，增强民族自豪感。

2 教学设计思路

（1）本节课是一节知识应用与扩展的课程，所以设计时应注意加大知识含量，引起学生兴趣。同时注意方法的培养，让学生养成用万有引力是天体运动的向心力这一基本方法研究问题的习惯，避免硬套公式。在围绕第一宇宙速度的讨论上，让学生形成较正确的卫星运动图景。

（2）在本课的教学设计中，教师的主导作用表现为：积极创设问题情境、启发学生思维；学生的主体作用为：动脑、动口、动手。而电教媒体则为这一切提供了丰富的信息资源和交互平台。

（3）运用现代教育技术能够扩展可视性，实现对现实的形象模拟。本电教设计精心挑选了多媒体素材，对媒体的运用，力求体现引导的认知性、体现逻辑性和现实模拟的真实性。

3 教学观念与模式

本课的教学设计中教师的主导作用表现为：积极创设问题情境、启发学生思维；学生的主体作用为：动脑、动口、动手。以问题为中心的课堂教学模式，本课即围绕这样几个中心问题展开：

（1）若抛出物体的水平初速度足够大，物体将会如何运动？

（2）以多大的速度将物体抛出，它才会成为绕地球表面运动的近地卫星？

（3）如果卫星的发射速度过大，会出现什么情况呢？

（4）卫星到达预定轨道后，遵循怎样的运行规律呢？

在每个环节，教师先用媒体让学生形成感性认知，再通过师生的讨论、分析、概括及应用，让学生在观察与体验中思考，使学生的认识顺利实现由感性认识上升为理性认识。

教 学 流 程

一、引入新课

探索宇宙的奥秘，奔向广阔而遥远的太空，人类自古以来就有着“飞天”的梦想。在我国很早就有嫦娥奔月的神话故事，明朝时期更有“万户飞天”的实际行动，人类为了纪念这第一个尝试飞天并为之付出生命代价的中国英雄，特地将月球上的一座山脉命名为“万户山”。随着牛顿发现万有引力定律以及人们对力与运动关系的深入认识，人类的“飞天梦”已经实现。中国航天事业正蓬勃发展，在全球亦属名列前茅。

今天这节课我们将一起学习宇宙航行的理论知识，为同学们进一步研究天体物理问题打下基础，同时了解人类航天事业发展的艰辛历程，感受航天英雄们的豪迈激情。

二、新课教学

（一）牛顿的设想

问题1 由平抛运动知识可知“物体平抛时水平初速度越大，飞行的水平距离越远。”。地球是个球体，如果抛出速度很大，则飞行的距离很长，此时我们把地面看成曲面。若抛出物体的水平初速度足够大，物体将会如何运动？

牛顿的设想：从高山上用不同的水平速度抛出物体，速度一次比一次大，落地点也就一次比一次离山脚远。如果没有空气阻力，当速度足够大时，物体就永远不会落到地面上来。它将围绕地球旋转，成为一颗永远绕地球运动的人造地球卫星（图1）。

在已有事实的基础上，合理地外推、科学地假设，是认识未知事物的一种科学的方法。

演示“牛顿关于人造卫星的设想”Flash课件。

将学生的回答与牛顿的设想作对比，作出肯定，使学生体验思考的快乐。

（二）宇宙速度

如果物体发射的速度更大，达到或超过11.2 km/s时，物体将摆脱地球引力的束缚，成为绕太阳运动的人造小行星。我们把11.2 km/s这个速度称为第二宇宙速度，又叫脱离速度。

如果物体的发射速度再大，达到或超过16.7 km/s时，物体将能够摆脱太阳引力的束缚，飞到太阳系外。我们把16.7 km/s这个速度称为第三宇宙速度，也叫逃逸速度。

（演示宇宙速度Flash课件，加深学生理解。）

例题1 我国已发射了“嫦娥二号”探月卫星和“荧火”号火星探测器，该探测器将绕火星运行，下列关于“嫦娥二号”探月卫星和“荧火”号火星探测器的发射速度说法正确的是（ ）

A.“嫦娥二号”的发射速度必须大于11.2 km/s

B.“嫦娥二号”的发射速度大于7.9 km/s小于11.2 km/s

C.“荧火”探测器的发射速度必须大于16.7 km/s

D.“荧火”探测器的发射速度大于11.2 km/s小于16.7 km/s

（三）卫星的运行规律

问题4 卫星到达预定轨道后，遵循怎样的运行规律呢？地球质量M，万有引力常量G均为定值，设卫星轨道半径为r，试分析卫星运行速度v、角速度ω、周期T、向心加速度a与轨道半径r的关系。

师生总结：卫星运行的速度、角速度、周期、向心加速度均与卫星质量无关，仅由卫星半径决定。卫星轨道半径r越大，则T越大，而v、 ω、a均越小。（同一轨道上运行的卫星，他们的质量可以是不一样的）

例题2 如图2所示，a、b、c是地球大气层外圆形轨道上运行的三颗人造地球卫星，a、b质量相同，且小于c的质量，则（ ）

A.b、c的角速度相等，且大于a的角速度

B.b、c周期相等，且大于a周期

C.b、c向心加速度相等， 且大于a的向心加速度

D.b、c的线速度大小相等，且小于a的线速度

概念辨析：发射速度与环绕速度。

发射速度：卫星在地面附近离开发射装置的初速度，一旦发射后再无能量补充，被发射物仅依靠自己的初动能克服地球引力上升。

环绕速度：卫星在进入运行轨道后绕地球做圆周运动的线速度。

分析人造卫星发射速度范围：

7.9 km/s≤v<11.2 km/s。

人造卫星运行速度范围：v≤7.9 km/s。

得出结论：第一宇宙速度是人造卫星的最小发射速度，也是人造卫星最大运行速度。

（四）梦想成真——人类航天历程

播放视频素材《人类航天发展史》短片，了解人类探索太空的艰辛过程，感受科技发展对人类社会进步的巨大推动作用。通过对我国航天事业发展史的了解，培养学生的爱国情感与科学精神。

三、课堂小结

这堂课我们从牛顿的设想入手学习了卫星发射的原理，学习了三个宇宙速度，第一宇宙速度是重点，要掌握其两种推导方法，并且知道第一宇宙速度是最小发射速度及最大环绕速度；之后我们探究了卫星运行规律，得出了运行速度、角速度、周期、向心加速度与轨道半径的关系。在处理问题的过程中不要死记结论，要先建立模型，立足于万有引力提供向心力的解题指导思想；最后我们观看了“嫦娥一号”的发射过程及人类航天事业的发展历程，也感受了中国航天事业的崛起。从寰宇响彻的“东方红”到太空授课的王亚萍；从“神一”到“神十”，从无人飞行到载人航天，从梦想到实现，中国一直在为太空增色添彩！

四、布置作业

（1）阅读教材中的“科学漫步”和“STS”材料；

（2）上网查阅：人造卫星的种类、同步卫星的含义及特点。

（3）课后思考题：据某报报道，某国发射了一颗周期为80分钟的人造地球卫星，用你学过的知识判断这则新闻的真伪。

（选题目的：加强科学、社会、生活的联系，让学生感觉到生活中到处有物理，反对伪科学。）

板书设计： 6-5 宇宙航行

一、牛顿的设想

二、宇宙速度

第一宇宙速度：7.9 km/s

卫星最小发射速度，最大环绕速度

第二宇宙速度：11.2 km/s小行星

第三宇宙速度：16.7 km/s脱离太阳

三、 卫星的运行规律

四、 梦想成真

参考文献：

[1]张前军.《宇宙航行》多媒体教学设计[J].物理教学探讨，2011，（12）：64.

（栏目编辑 邓 磊）

问题4 卫星到达预定轨道后，遵循怎样的运行规律呢？地球质量M，万有引力常量G均为定值，设卫星轨道半径为r，试分析卫星运行速度v、角速度ω、周期T、向心加速度a与轨道半径r的关系。

师生总结：卫星运行的速度、角速度、周期、向心加速度均与卫星质量无关，仅由卫星半径决定。卫星轨道半径r越大，则T越大，而v、 ω、a均越小。（同一轨道上运行的卫星，他们的质量可以是不一样的）

例题2 如图2所示，a、b、c是地球大气层外圆形轨道上运行的三颗人造地球卫星，a、b质量相同，且小于c的质量，则（ ）

A.b、c的角速度相等，且大于a的角速度

B.b、c周期相等，且大于a周期

C.b、c向心加速度相等， 且大于a的向心加速度

D.b、c的线速度大小相等，且小于a的线速度

概念辨析：发射速度与环绕速度。

发射速度：卫星在地面附近离开发射装置的初速度，一旦发射后再无能量补充，被发射物仅依靠自己的初动能克服地球引力上升。

环绕速度：卫星在进入运行轨道后绕地球做圆周运动的线速度。

分析人造卫星发射速度范围：

7.9 km/s≤v<11.2 km/s。

人造卫星运行速度范围：v≤7.9 km/s。

得出结论：第一宇宙速度是人造卫星的最小发射速度，也是人造卫星最大运行速度。

（四）梦想成真——人类航天历程

播放视频素材《人类航天发展史》短片，了解人类探索太空的艰辛过程，感受科技发展对人类社会进步的巨大推动作用。通过对我国航天事业发展史的了解，培养学生的爱国情感与科学精神。

三、课堂小结

这堂课我们从牛顿的设想入手学习了卫星发射的原理，学习了三个宇宙速度，第一宇宙速度是重点，要掌握其两种推导方法，并且知道第一宇宙速度是最小发射速度及最大环绕速度；之后我们探究了卫星运行规律，得出了运行速度、角速度、周期、向心加速度与轨道半径的关系。在处理问题的过程中不要死记结论，要先建立模型，立足于万有引力提供向心力的解题指导思想；最后我们观看了“嫦娥一号”的发射过程及人类航天事业的发展历程，也感受了中国航天事业的崛起。从寰宇响彻的“东方红”到太空授课的王亚萍；从“神一”到“神十”，从无人飞行到载人航天，从梦想到实现，中国一直在为太空增色添彩！

四、布置作业

（1）阅读教材中的“科学漫步”和“STS”材料；

（2）上网查阅：人造卫星的种类、同步卫星的含义及特点。

（3）课后思考题：据某报报道，某国发射了一颗周期为80分钟的人造地球卫星，用你学过的知识判断这则新闻的真伪。

（选题目的：加强科学、社会、生活的联系，让学生感觉到生活中到处有物理，反对伪科学。）

板书设计： 6-5 宇宙航行

一、牛顿的设想

二、宇宙速度

第一宇宙速度：7.9 km/s

卫星最小发射速度，最大环绕速度

第二宇宙速度：11.2 km/s小行星

第三宇宙速度：16.7 km/s脱离太阳

三、 卫星的运行规律

四、 梦想成真

参考文献：

[1]张前军.《宇宙航行》多媒体教学设计[J].物理教学探讨，2011，（12）：64.

（栏目编辑 邓 磊）

问题4 卫星到达预定轨道后，遵循怎样的运行规律呢？地球质量M，万有引力常量G均为定值，设卫星轨道半径为r，试分析卫星运行速度v、角速度ω、周期T、向心加速度a与轨道半径r的关系。

师生总结：卫星运行的速度、角速度、周期、向心加速度均与卫星质量无关，仅由卫星半径决定。卫星轨道半径r越大，则T越大，而v、 ω、a均越小。（同一轨道上运行的卫星，他们的质量可以是不一样的）

例题2 如图2所示，a、b、c是地球大气层外圆形轨道上运行的三颗人造地球卫星，a、b质量相同，且小于c的质量，则（ ）

A.b、c的角速度相等，且大于a的角速度

B.b、c周期相等，且大于a周期

C.b、c向心加速度相等， 且大于a的向心加速度

D.b、c的线速度大小相等，且小于a的线速度

概念辨析：发射速度与环绕速度。

发射速度：卫星在地面附近离开发射装置的初速度，一旦发射后再无能量补充，被发射物仅依靠自己的初动能克服地球引力上升。

环绕速度：卫星在进入运行轨道后绕地球做圆周运动的线速度。

分析人造卫星发射速度范围：

7.9 km/s≤v<11.2 km/s。

人造卫星运行速度范围：v≤7.9 km/s。

得出结论：第一宇宙速度是人造卫星的最小发射速度，也是人造卫星最大运行速度。

（四）梦想成真——人类航天历程

播放视频素材《人类航天发展史》短片，了解人类探索太空的艰辛过程，感受科技发展对人类社会进步的巨大推动作用。通过对我国航天事业发展史的了解，培养学生的爱国情感与科学精神。

三、课堂小结

这堂课我们从牛顿的设想入手学习了卫星发射的原理，学习了三个宇宙速度，第一宇宙速度是重点，要掌握其两种推导方法，并且知道第一宇宙速度是最小发射速度及最大环绕速度；之后我们探究了卫星运行规律，得出了运行速度、角速度、周期、向心加速度与轨道半径的关系。在处理问题的过程中不要死记结论，要先建立模型，立足于万有引力提供向心力的解题指导思想；最后我们观看了“嫦娥一号”的发射过程及人类航天事业的发展历程，也感受了中国航天事业的崛起。从寰宇响彻的“东方红”到太空授课的王亚萍；从“神一”到“神十”，从无人飞行到载人航天，从梦想到实现，中国一直在为太空增色添彩！

四、布置作业

（1）阅读教材中的“科学漫步”和“STS”材料；

（2）上网查阅：人造卫星的种类、同步卫星的含义及特点。

（3）课后思考题：据某报报道，某国发射了一颗周期为80分钟的人造地球卫星，用你学过的知识判断这则新闻的真伪。

（选题目的：加强科学、社会、生活的联系，让学生感觉到生活中到处有物理，反对伪科学。）

板书设计： 6-5 宇宙航行

一、牛顿的设想

二、宇宙速度

第一宇宙速度：7.9 km/s

卫星最小发射速度，最大环绕速度

第二宇宙速度：11.2 km/s小行星

第三宇宙速度：16.7 km/s脱离太阳

三、 卫星的运行规律

四、 梦想成真

参考文献：

[1]张前军.《宇宙航行》多媒体教学设计[J].物理教学探讨，2011，（12）：64.

（栏目编辑 邓 磊）