《宇宙航行》教学设计

田郭政

【中图分类号】G633.7 【文献标识码】A

【文章编号】2095-3089（2019）02-0246-02

一、设计思路

本节重点讲述了人造卫星的发射原理，推导了第一宇宙速度，并介绍了第二、第三宇宙速度。人造卫星是万有引力定律在天文学上应用的一个实例，是人类征服自然的见证，体现了知识的力量，是学生学习、了解现代知识的一个极好素材。必修2教材在这一节中不但介绍了人造卫星中一些基本理论，更是在其中渗透了很多研究实际物理问题的物理方法。因此本节课是“万有引力与航天”这一章中的重要内容，是学生进一步学习研究天体物理问题的理论基础。另外，学生通过对人造卫星、宇宙速度的了解，也将潜移默化地产生对航天科学的热爱，增强民族自信心和自豪感。

本节内容涉及人造卫星的运动规律和三个宇宙速度的含义，在处理有关卫星的问题时，可以按匀速圆周运动模型处理，进而结合向心力公式、向心加速度公式及圆周运动公式，推导已知量和未知量的关系。学习宇宙速度时，要对比记忆，明确其物理意义。应掌握推导过程，体会推導第一宇宙速度的物理思想，另外，结合向心运动或离心运动分析卫星轨道如何变化或改变的原因。

教学重点：

理解和推导第一宇宙速度，了解第二、第三宇宙速度。

教学难点：

人造卫星的发射原理及运行规律。

课时安排：

1课时

三维目标：

知识与技能：

1、了解人造卫星的发射原理及运行规律。

2、知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度。

3、通过实例，了解人类对太空的探索历程。

过程与方法：

1、通过万有引力定律和牛顿第二定律推导第一宇宙速度，培养学生运用知识解决问题的能力。

2、通过航天事业的发展史说明物理学的发展对自然科学的促进作用。

情感、态度与价值观：

1、通过对我国航天事业发展的了解，进行爱国主义的教育。

2、感知人类探索宇宙的梦想，促使学生树立献身科学的人生价值观。

二、课前准备

多媒体教学设备、课件

三、教学过程

导入新课

情景导入→

师：同学们好，大家一定不会忘记翟志刚在浩瀚太空挥动五星红旗，那难忘的一幕吧！近几年来，我国的航天事业迅猛发展：神舟号系列飞船、美丽的嫦娥一号……这一幕幕无不让我们中华儿女热血沸腾。现在就让我们重温一次神舟飞船发射时那宏伟的场面。

课件片段一：展示“神舟飞船”的发射。

师：同学们，下面这个场景你是否熟悉呢？

课件片段二：生活视频片段（平抛运动）

问题：这两个场景有什么关系吗？

师：时至今日，数千颗人造卫星正在按照万有引力定律为它们“设定”的轨道绕地球运转着，牛顿早期的预言已经成为现实。

那么，卫星是怎样发射的？它又是怎样运行的呢？本节课我们就来探究宇宙航行的有关知识。

板书标题：宇宙航行

推进新课

一、宇宙速度

1、探究第一宇宙速度

请同学们思考：[投影出示]

问题1：在地面附近的一座高山上，将一物体以 v 0=10m/s的水平速度抛出，假设它落在A点，若后来的速度一次比一次大，情况将会怎样？

引领探究：（画图说明）

（1）速度再大些，落点呢？ 学生回答：远

（2）速度更大，落点呢？ 学生回答：更远

（3）速度非常大，是否可以落到上海？是否可以落到太平洋？试想我们居住的地球是一个足够大的平面吗？那是什么？ 学生回答：落点很远，落到地球的球面上了。

（4）同学们！展开你丰富的想象，大胆猜想。当速度足够大，还会落到地球上吗？情况将会怎样？

预设学生可能会出现两种情况：一种情况绕地球做匀速圆周运动；另一种情况离开地球做离心运动。

教师提出问题：为什么会产生这些情况？

学生活动：讨论。

合作探究：经过提问共同找到结果，提出下一个问题。

问题2：如果速度足够大时，小球恰好绕地球做匀速圆周运动，向心力来自什么？你们能否求出这个速度？

教师活动：在提问学生后，得到了肯定的前提下，此时的物体已成为一颗人造地球卫星。可以告诉学生：

M 地=5.98×1024kg R 地=6.4×10 6m

学生活动：列动力学方程，求出这个速度的大小。（要求一位学生到黑板上做示范）

通过投影显示正确解法。

设地球质量为M，飞行器绕地球做匀速圆周运动的质量为m，飞行器的线速度为v，它到地心的距离为r，飞行器运动所需的向心力是由万有引力提供向心力的。

由万有引力定律和牛顿第二定律，得：

这就是物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动的速度叫做第一宇宙速度。

教师活动：（1）为什么把r代为地球的半径？提问学生（答：由于卫星距地面的高度远小于地球的半径，完全可以说是在“地面附近飞行”，属于近地卫星。）

特别需要强调：r是卫星的轨道半径，是卫星到地心的距离。

（2）这个速度值得我们记住，它叫第一宇宙速度。所有卫星环绕地球做圆周运动的速度都叫环绕速度，通常人们也称它是运行速度。

板书：第一宇宙速度：v 1=7.9km/s

问题3：假如还有绕地球在其它高轨道上运行的卫星，设卫星绕地球的轨道是圆形的，其距地面的高度分别是地球半径的3倍、8倍等，请同学们分别求出它们的运行速度分别是多大？

学生活动：可以分两组来算，学生算出后，与第一宇宙速度进行比较。

教师活动：（1）你是怎样算的？说明比值法最快；

最后由v=GMr，说明它还是一个最大的运行速度。

（2）展示模拟视频。

板书：第一宇宙速度：v 1=7.9km/s最大运行速度

问题4：在地面附近，要想发射一颗卫星，发射速度至少应该是多大？

合作交流：引导学生回到《人造卫星发射原理图》的模拟视频上，问10m/s、2km/s、5km/s、行吗？

出示投影对第一宇宙速度的概括。

板书：第一宇宙速度：v 1=7.9km/s最小发射速度

2、探究第二宇宙速度、第三宇宙速度

问题5：若在地面附近发射飞行器，发射速度大于7.9km/s，它绕地球的轨道将会怎样？那么发射速度达到多大时，它将会摆脱地球的引力呢？

学生活动：阅读课本找答案。

教师活动：这个值也值得我们记住；同时也可以引导学生来分析（从力和运动的关系说明：速度应当是先减小后增大的），让学生说明在发射速度大于7.9km/s，而小于11.2km/s时，小球运动的轨道将是一个椭圆。当发射速度等于或大于11.2km/s时，物体将摆脱地球的引力。

出示投影对第二宇宙速度的概括。

板书：第二宇宙速度：v 2=11.2km/s

问题6：如果发射速度更大些，物体能挣脱太阳引力的束缚吗？

请同学们阅读课文，找到答案。

出示投影对第三宇宙速度的概括。

板书：第三宇宙速度：v 3=16.7km/s

课堂训练（投影显示）

1、关于第一宇宙速度，下面说法正确的是（ ）

A.它是人造地球卫星绕地球飞行的最小速度

B.它是近地圓形轨道上人造地球卫星的运行速度

C.它是卫星在椭圆轨道上运行时在近地点的速度

D.它又叫环绕速度，即卫星绕地球做圆轨道运行的速度都是第一宇宙速度

2、某行星的质量是地球的6倍，半径是地球的1.5倍，此行星的第一宇宙速度约为（ ）

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

二、梦想成真

师：从1957年世界上第一颗人造卫星发射成功，到今天人类已向太空发射了数以千计的包括卫星、空间站在内的航天器。特别是中国这样一个最早产生飞天梦想的伟大民族。从“嫦娥奔月”的动人传说到敦煌飞天的美丽壁画，从明代的万户飞天到如今的“神舟号飞船”、“嫦娥一号”，中华民族探索太空的脚步从来就没有停止过。中国和其他国家一样，在探索宇宙的道路上已经历了艰难的跋涉，且已取得了巨大的成就。下面从几个实例来对比世界航天的辉煌成就和我国征服宇宙太空过程中所取得的伟大成就。

2003年2月1日，哥伦比亚号航天飞机在重返地面的过程中突然发生解体燃烧，航天飞机上的七名宇航员，包括六名美国人及一名以色列人全部遇难。

课件片段三：展示“神舟七号”（这是翟志刚在浩瀚太空挥动中国国旗，令国人自豪和震撼的场面）

学生活动：组织学生发表感想，发表异议。

师：最后，希望同学们以航天英雄为榜样，学习航天人勇于探索、敢于创新的精神，努力学习，为我国的繁荣富强做出应有的贡献。我们共同期盼2020年中国的空间站能够顺利建成，五星红旗永远飘扬在浩瀚的太空。

课堂小结

1、知识小结

记住三个宇宙速度的数值，能够理解和推导第一宇宙速度。通过阅读课文，解决问题，感知人类探索宇宙的梦想，激发学生运用知识解决问题的能力，促使学生树立献身科学的人生观、价值观。

2、规律方法小结

学会运用万有引力定律、牛顿第二定律、圆周运动的知识解决卫星问题

布置作业

1、阅读P 42课后 “科学漫步”和“STS”

2、P 44 “问题与练习”1、2、3

三、活动与探究

请同学们课后上网查阅有关资料了解：

（1）人造卫星的种类。

（2）同步卫星的含义及特点。

学科教学活动是以学生为主体、以教师为主导，促进学生知识、能力、品德三维一体的全面发展，这是本节课设计的基本理念。学生已学过平抛运动、匀速圆周运动、万有引力定律等基本理论，具备了解决问题的方法。本节课的难点在于对人造卫星发射原理的理解，因此教学设计上采用探究法：在设计中突出发挥学生的主体作用，课堂中通过猜想→设疑→思考→启发→引导→教师点评这样一条主线，激发鼓励学生大胆猜想、大胆思考、积极参与，让学生通过自己的分析来掌握获取相关的知识和方法。本节课的重点是第一宇宙速度的理解和推导，因此教学设计上采用师生互动的方式：学生作答→观看模拟视频→教师点评→学生总结，从而调动了广大学生参与课堂活动的积极性，学生充分享受了自己的劳动成果，使学生变得乐学。在情感态度、价值观的教育上采用：对比展示世界航天和中国航天所取得的辉煌成就→学生谈感想、体会→从某个片段中获取信息并用学过的知识解决实际问题。总之，本节课的设计是从新课标的要求、模块的特点、学生的认知结构、学生的主动参与等方面出发，通过教学的实际学生基本上能达到预期的效果。