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宇宙航行教学设计


《宇宙航行》教学设计
一.教材分析
人教版必修二第六章第五节 《宇宙航行》 重点讲述了人造卫星的发射原理, 推导了第一宇宙速度,介绍了三个宇宙速度的含义。本节内容是万有引力定律 在天体运动中的具体运用,是航天科学技术理论基础。引导学生运用科学的思 维方法,探究人造卫星的发射原理,进行知识的正向迁移,顺利、流畅地推导 第一宇宙速度,有助于培养学生的发散思维、逻辑思维和分析推理的能力。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。

二.学情分析
通过前面的学习,学生已对平抛运动、曲线运动的特点、万有引力定律已 有一定的了解。在此基础上,通过教师合理诱导,按照迁移规律科学地设计问 题情境,促进学生探究,获得新知。尽管学生对天体运动的知识储备不足,猜 想可能缺乏科学性,表达也许欠妥。但只要始终参与到学习情境中,五官体验 激活思维,大胆猜想,敢于表达,就都能获得发展和提高。

三.教学目标
(一)知识与技能 1.通过观察思考、合作探究使学生知道人造地球卫星的发射原理; 2.通过阅读、合理诱导与精心研究使学生掌握三个宇宙速度,学会推导 第一宇宙速度的两个求解公式; 3.通过公式分析、练习反馈使学生掌握用万有引力定律和圆周运动知识 求解有关卫星运动的基本问题。 (二)过程与方法 1.通过对人造卫星的发射原理和第一宇宙速度公式推导的学习,使学生 经历科学探究、分析、归纳的思维过程; 2.教育学生在处理实际问题时,如何忽略次要因素,抓住主要因素,抽 象出物理模型。从而对学生进行物理研究方法的培养。 (三)情感态度与价值观 1.在主动学习合作探究过程中,体验和谐、流畅、民主、愉悦的学习情 境,在满怀热望的探究中不断获得美的感受和成功的喜悦。 2.介绍我国航天事业的发展现状,激发学生的求知欲和热爱科学的激情, 增强民族自信心和自豪感,培养爱国热情。

四.教学重点
1.人造卫星的发射原理,第一宇宙速度的推导; 2.卫星做圆周运动时,各运动量与轨道半径 r 的关系。

五.教学难点
1.卫星做圆周运动时,各运动量与轨道半径 r 的关系;
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2.人造卫星的运行速度与卫星发射速度的区别。

六.教学准备
多媒体课件、投影仪、计算机

七.教学方法
启发探究式教学、多媒体辅助教学。

八.设计思想
1.教学主线设计 本节课是应用课,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,具备了解决问题的基本工具。所以在设计中突出发挥学生的主体作 用。课堂中通过设疑→思考→启发→引导这样一条主线,激发鼓励学生的大胆 思考、积极参与,让学生通过自己的分析研究来掌握获取相关的知识和方法。 2.教学媒体设计 通过多媒体课件,创设情境,激发求知欲望;增强感性认识,将抽象变得 具体,帮助学生认识科学的本质及内涵。并利用课件板书相关内容,增大课堂 容量。

九.课时安排 十.教学过程

一节课

(一)创设情境,激发情感
1.多媒体演示“神舟六号宇宙飞船发射、运行、返回”视频剪辑。(播 放同时可向学生介绍、讲解有关宇宙飞船发射、运行、返回等过程中的一些知 识。) 2.教师导入:(将音量调小,与课件播放同步) 自古以来飞天一直是全人类的梦想,人类也为此做出了不懈的追求和巨大 的牺牲。我国古代的万户就是其中一个,他曾经将自己用 47 枚火箭捆绑,尝 试飞天,不幸点火后火箭爆炸,万户为此牺牲了。然而,一次次的失败并没有 阻止人类进行太空探索的活动。终于,人类第一颗人造卫星于 1957 年 10 月 4 日从前苏联升空, 中国也于 1970 年发射了第一颗人造卫星。特别是 2003 年 10 月 15 日至 16 日,中国第一次实现载入航天,宇航员杨利伟乘坐“神舟五号” 绕地飞行 14 圈,顺利返回,圆了中国人盼望已久的飞天之梦。2005 年 10 月 12 日,我国“神舟六号”又将两名宇航员费俊龙、聂海胜送入太空,绕地飞行 近五天五夜成功返回,实现了新的突破。所有这些都是每一个中国人的骄傲和 自豪! 3.适时设疑:那么人类是怎样把物体发射出去,送入太空的呢? (让学生开始思考及交流) 4.出示课题:《宇宙航行》。 教师设问,引领学生进入学习活动中。

(二)观察思考,合作探究
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1.诱导观察: (1)课件动画展示:在某一平台上先后以不同水平速度抛出小球。 (2)教师设疑:观察和比较这四条轨迹,你能发现什么? (3)师生小结:得出两个结论,并在课件上出示: ① 物体由于地球引力的作用均落回地面。 ② 物体的初速度越大,飞得越远。 (2)放飞思维,大胆猜想: ①教师设疑:从刚才的四条轨迹图中,你还能联想到什么? ②课件展示牛顿设想,并用动画动态演示: 忽略空气阻力的影响,当抛出物体的初速度足够大时,物体就永远不会落 到地面上来,它将围绕地球运转。 ③教师追问:牛顿的设想可能吗?(引导学生进一步思维) ④师生小结:牛顿设想的运动是完全可能的。当物体的初速度足够大时, 物体将围绕地球做匀速圆周运动,成为一颗人造地球卫星,简称人造卫星。 出示标题一:人造卫星 ── 人造卫星所需的向心力由地球的万有引力提 供。

(三)精心研究,合理推导
1.设疑:要有足够大的速度,才能使抛出的物体成为人造卫星,那么这 个速度多大呢? 出示标题二:宇宙速度(导向第二个研究内容。) 2.课件出示探究内容和已知条件: 已知地球和人造卫星质量分别为 M 和 m, 卫星到地心的距离为 r,求卫星绕 地球做圆周运动的速度 v 。 3.设疑:解题的思路和方法是什么? (教师强调学生不急于解题,先看清已知条件,找出解题思路,引导学生 自己得出:应该用人造卫星围绕地球做圆周运动的向心力由地球的万有引力提 供来求解。) 4.推导卫星运行速度公式: 根据万有引力和圆周运动规律,引导学生分析、研究,并自己独立求出 卫星运行速度 (请两名学生上黑板推导。教师在学生中观察指导答疑,并就黑板上学生 的推导过程引导全班同学进行评价,之后课件再现推导过程,帮助全体学生达 标。) GMm mv 2 ? r r2 ?v ? GM r

公式拓展(学生自我推导,课件再现推导过程) v=ω r ? ω = v ? 角速度 ω =
r
GM r3

ω = 2? ? T= 2? ? 卫星运行周期 T=2π
T

?

r3 GM

5.引导学生对公式进行分析:
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设疑:不同的人造地球卫星,其线速度大小、角速度大小、周期与什么因 素有关?有什么样的关系? 学生思考讨论交流得出结论,并在课件上出示: 不同的人造地球卫星,其线速度大小、角速度大小、周期均与轨道半径 r 有关。人造卫星离地面越高,卫星环绕地球运动的线速度、角速度越小,周期 T 越大。 师生共同合作,借助课件,代入数据,得出第一宇宙速度 v1=7.9km/s。并 简要说明其意义。(v1=7.9km/s 是人造卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动 所必须具有的速度,叫第一宇宙速度。) 设疑:①将卫星送入低轨道和送入高轨道哪一个更容易?为什么? ②所需要的发射速度,哪一个更大?为什么? ③在低轨道和高轨道运行的两颗地球卫星哪一个运行速度大? 引导学生从做功的角度,结合卫星的运行速度公式,思考分析: 当卫星的轨道半径越大时,卫星绕地球的运行速度越小,送入轨道需要消 耗的能量越多,卫星发射时越难,发射速度必须越大,由此我们可以得出要将 人造卫星送入轨道发射速度必须大于多少? 学生分析得出 v≥7.9km/s 6.阅读了解,独立思考: 学生通过阅读,了解卫星的运行速度大于第一宇宙速度的三种可能。并由 教师引导得出第二、第三宇宙速度。 ①课件展示第二、第三宇宙速度的值及含义。 ②课件动态展示在第一宇宙速度及在此基础上卫星发射速度不断增大的 过程中,运动轨迹由围绕地球运动的圆周→椭圆→偏心率逐渐变小的椭圆→ 挣脱地球引力围绕太阳运动→飞出太阳系的变化过程。

(四)联系实际,促进迁移
1.释疑(前后呼应):从牛顿提出设想到第一颗人造卫星上天,历时近 三百年,这是为什么?(学生交流、讨论:当时技术落后,不能达到。教师肯 定学生回答的正确性。) 2.世界航天史和中国航天史(课件动态展示):先进行手动播放(按钮 在日历两侧),播放完一遍后,再将动画设定为自动播放。播放过程中可要求 学生注意我国在航空、航天领域所取得的一些巨大成绩,同时也应实事求是地 看到目前我国与传统航天大国美国、俄罗斯之间仍存在较大的差距,从而进一 步激发学生学习科学,热爱科学的激情。)

(五)练习反馈,拓展延伸
例题 1:“2003 年 10 月 15 日 9 时,我国神舟五号宇宙飞船在酒泉卫星发 射中心成功发射,把我国第一位航天员杨利伟送入太空。飞船绕地球飞行 14 圈后,于 10 月 16 日六时 23 分安全降落在内蒙古主着陆场。”根据以上消息,
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近似地把飞船从发射到降落的全部运动看作绕地球的匀速圆周运动,试估算神 舟五号绕地球飞行时距地面的高度(已知地球的质量为 M =6.0×1024kg,地球 的半径 R =6.4×103km)。 1.学生独立思考,计算周期 T 的大小并推导出高度与地球质量、半径、 周期等物理量之间的关系公式,代入相关数据进行计算得到结果。 2.教师检查,然后师生共同评价、指出问题。使学生学以致用,掌握正 确的解题思路和方法。 例题 2:利用所学知识,推导第一宇宙速度另一表达式 v1=
gR



请两名学生上黑板推导。教师在学生中观察指导答疑,并就黑板上学生的 推导过程引导全班同学进行评价, 之后课件再现推导过程, 帮助全体学生达标。

(六)情感激励,课外探究
1.教师结束语: 浩瀚的宇宙就像一座丰富的宝藏,吸引着人类的目光,激励人们去探索其 博大和神秘。目前,开发太空资源,开创空间产业,实现太空居住,已逐渐成 为航天活动的主旋律。您想了解更多的航天知识吗?想在航天方面发挥自己的 能力吗?请阅读相关书目,上网收集有关航天科学知识。只要我们努力学习, 就一定能实现自己的理想。 2.课外探究参考题: ①人造卫星的种类和资料。 ②同步卫星的含义及特点。

(七)布置作业
1.阅读了解书上 P110 的阅读材料“黑洞” 2.P110—111 NO 2、6、7

(八)板书设计
宇宙航行 1.人造卫星的发射原理 2.宇宙速度 v? GM r
GM r3

①人造卫星的绕行速度 补充:人造卫星的角速度 卫星运行的周期

ω= T=2π

r3 GM

②三个宇宙速度 第一宇宙速度: v1=7.9km/s 第二宇宙速度: v2=11.2km/s 第三宇宙速度:v3 =16.7km/s
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