宇宙航行 教学设计

教学目标

一、知识目标

L能够用万有引力定律和牛顿第二定律推导第一宇宙速度，了解第二、第三宇宙速度；

2.理解卫星的运行速度、周期与半径的关系，了解同步卫星的特点；建立起关于各种卫星的运行状况 的正确图景；

二、过程与方法

L经历探究人造卫星由设想变为现实的过程，体会猜想、外推的科学方法；

2.通过对卫星绕行星运动的研究，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；

三、情感目标

L了解人类探索太空的过程，感受科技发展对人类进步的巨大促进作用，通过对我国航天事业发展史 的了解，激发学习兴趣，渗透爱国主义教育。

2.认识到天体运动的实质是牛顿第二定律的具体应用，能对已有的知识进行组织和归类，学会构建知 识体系，能从整体的角度看问题，形成对知识的整体感。

教学重点

1.研究天体运动的基本思路与方法；

2.第一宇宙速度的推导；人造卫星的速度、周期的比较；同步卫星的特点。

教学难点

1.第一宇宙速度是卫星发射的最小速度，是卫星环绕运行的最大速度；

2.同步卫星的特点

电教设计

本课的教学设计中教师的主体作用表现为：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丰富的信息资源和交互平台。

本节课电教设计含：二个课件（1 ：将卫星的运动与行星的运动作一类比；2：在动态变化过程中 认知三种宇速；）；图片3张（配合分析宇宙速度）；录像一段（人造卫星与空间技术的发展史：使学 生在物理学史中感知知识，培养创新思维、探索精神和科学的整体感。）;投影片若干（巩固练习，加大 信息密度和课堂容量。）

在每个环节，先用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。

教学过程

一、引入新课

1.简述新闻背景

氛围中开始。［师］点击展示幻灯片1、2。

2.由人类飞天之梦的历史引入课题。

二、新授

1.牛顿的设想

教师：提供生活经验：

1）地球对周围物体有引力作用，因此抛出的物体要落回地面。但是抛出的初速度越大，物体就会飞 得越远。

2）地球是球体。

教师：牛顿说：“没有大胆的猜测就不可能作出伟大的发现。”你对此能作怎样的猜想？

教师：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。

陈述牛顿的设想：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。点击FIaSh课件说明。

教师：科学是一种假设，在已有事实的基础上合理外推，科学地假设，是认识未知事物的一种科学的 方法。

教师：物体从受到重力，而不掉下来，这一点跟用绳系住一个物体恰好经过最高点，重力提供向心力 的情况相似。

2、三种宇宙速度

为什么物理大师牛顿关于卫星的设想提出后很长时间未能实现呢？是因为发射卫星所需的速度太大 了，当时人类科技的水平还产生不了这样大的速度。

在地面发射卫星需要的最小速度值为7. 9km∕s,这个速度是怎么计算出来的呢？

解法一：

学生1：（板书）设地球和人造地球卫星的质量分别为m'和叫 卫星到地心的距离是r ,卫星的环绕 速度为v：

VLm    

/6.67× W11 × 5 ×10* ,

=J 2    ElS

V 6 37 XlO6

=7 9Λw∕ ε

Gmm / va

解法二：

教师：在地面附近绕地球做匀速圆周运动的卫星的向心力，就是地球对卫星的万有引力,此时万有引 力的大小与重力的关系是什么？

教师：你能根据这一关系，从另一角度求这个速度吗？

学生2：（板书）：

mg = m —

R

V1 =TgΛ

=√9 8×6 4×10ew∕s

=7 9km f s

这就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。第一宇宙速 度是发射一个物体，使其成为地球卫星的最小速度。若以第一宇宙速度发射一个物体，物体将在贴着地球 表面的轨道上做匀速圆周运动。

（说明：此值沿水平方向离开地面时一次性所需速度的理论值，实际值要复杂些。不利的一面是大气 阻力：有利的一面是地球的自转。）

若求火星的第一宇宙速度，如何求？进一步理解表达式的内涵。

当人造地球卫星进入地球附近的轨道速度大于7. 9km∕s,而小于11.2km∕s时它绕地球运动的轨迹就不 再是圆，而是椭圆.，且卫星做变速率的运动。

如果物体发射的速度更大，达到或超过11.2km∕s时，物体将能够摆脱地球引力的束缚，成为绕太阳运动 的人造小行星。

11.2km∕s这个速度称为第二宇宙速度。也叫脱离速度。

如果物体的发射速度再大，达到或超过16.7km∕s时，物体将能够摆脱太阳引力的束缚，飞到太阳系 外。

16.7km∕s这个速度称为第三宇宙速度。也叫逃逸速度。

（过渡）实际的卫星并不是在地表水平发射的，而是用火箭送到一定的高度，再沿以地心为圆心的圆 周的切线运行。此时卫星的绕地球的速度又怎么求呢？

3、卫星的运行参数

问题：卫星的速度、周期跟轨道半径的关系推导

说明：1）卫星的运行快慢与其本身质量无关，仅由轨道半径决定。轨道半径越大，运行速度越小： 轨道半径越小，运行速度越大。换句话说，离行星越近的卫星运动速度越大。则第一宇宙速度是所有豆绕 地球做圆周运动的卫星的最大速度。由图表资料说明。

GMm vj (2π Y

-≡wτ≡wMr

Igm R

v = V-oc√7

教师：同一轨道上的不同质量的卫星是否会相撞？

教师：是否离地越远的卫星发射越容易呢？

（说明：发射速度和运行速度不同，向高轨道发射卫星，火箭要克服地球对它的引力做的功更多。）

4、常用卫星

阅读书后STS《航天事业改变着人类生活》

教师：地球外有数千颗卫星，这些的卫星都环绕地心运动。运行轨道与地球上的经线能否共面？纬线 呢？

按用途划分，补充介绍卫星大致的种类

L科学探测卫星：空间物理环境探测

2.技术试验：进行新技术试验

3.资源卫星：勘测和研究地球自然资源

4.侦察卫星：窃取军事情报

5.气象卫星：对地球及其大气层进行气象观测

6.（重点介绍）通信卫星：从地球上看静止不动。

教师：是真的不动么？强调只是相对静止，地球在自转，卫星与地球同步自转。

这种卫星绕地球运动的角速度与地球自转的速度相同，所以从地面上看，它总在某地的正上方，因此 叫同步卫星。这种卫星一般用于通讯，又叫同步通讯卫星。

教师：我们平时看电视实况转播时总听到解说员讲：正在通过太平洋上空或印度洋上空的通讯卫星转 播电视实况，为什么北京上空没有同步卫星呢？

①轨道平面：与赤道共面

若在北纬或南纬某地上空真有一颗同步卫星，那么这颗卫星轨道平面的中心应是地轴上的某点，而不 是地心，其需要的向心力也指向这一点。而地球所能够提供的引力只能指向地心，所以北纬或南纬某地上 空是不可能有同步卫星的。

②同步卫星的周期是多少呢？ T=24h

由于同步卫星的周期与地球自转周期相同，所以此卫星离地球的距离只能是一个定值。换句话说，所 有地球的同步卫星只能分布在赤道正上方的一条圆弧上，而为了卫星之间不相互干扰，大约3度角左右才 能放置一颗卫星，地球的同步通讯卫星只能有120颗。可见，空间位置也是一种资源。（可视时间让学生 推导同步卫星的高度）

③轨道半径：r=4.22X104km=6.6R地

④运动速度：V=3. lkm∕s

5、深化与提高

［例1］书后练习Tl,拓展求卫星的周期、线速度、加速度。（选题目的：展现新中国科技成就，增 强自豪感和对物理科学的亲近感。）

［例2］书后练习T3,（选题目的：理清概念，学会正确选择公式。））

［例3］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就有物理，反对伪科学。）

［例4］正在轨道上运行的卫星，上面一根天线突然脱落，问天线将做何种运动？（选题目的：加强对 力和运动关系的认识。）

［例5］某人造地球卫星距地面高h,地球半径为R,质量为M,地面重力加速度为g°,引力常量为G。

（1）分别用h、R、M、G表示出卫星的周期T、线速度V、加速度ω,

（2）分别用h、R、软表示出卫星的周期T、线速度V、加速度ω°

选题目的：理解重力（重力加速度）随高度的变化而变化，熟练运用不同位置万有引力或重力的表达 式解决天体运动问题。

三、课堂小结

本节课我们学习了如何用万有引力定律来研究卫星运动的问题；深化了对万有引力是向心力这一研究 天体运动的基本方法掌握；了解了卫星的发射与运行的一些情况；知道了第一宇宙速度是卫星发射的最小 速度，是卫星绕地球运行的最大速度。

最后在一段有关《人造卫星与空间技术的发展史》的纪录片中，结束本课学习，作业公布于黑板。

四、布置作业

L复习并整理本课内容

2.完成专用作业纸（实现练习与课堂内容的高度统一，加强练习的针对性，并实现作业分层要求。）

翔宇教育集团高一物理专用作业纸设计人：毕文龙

7.5宇宙航行

班级：姓名：学号：成绩：

一、知识回顾

天体运行及人造卫星问题的研究方法都是：将做环绕运动的天体的运动近似地看作 运动，而

力提供其向心力。

二、精选练习

L若人造卫星绕地球做匀速圆周运动，则离地面越近的卫星（）

A、速度越大B、角速度越大C、向心加速度越大D、周期越长

2、有两颗人造地球卫星，它们的质量之比是∏h: m2=h 2,运动速度之比％： V2=I: 2,则它们的周期 之比为;轨道半径之比为:向心加速度之比为；所受向心力之比为

3、在某个行星的表面以速度竖直上抛一个物体V。，测得上升的最大高度为H；己知该行星的直径为 D.若要给这个行星发射一颗在行星表面附近运转的卫星，其运动速度多大？

4、天文学家根据天文学观察宣布了如下成果：银河系中心可能存在一个大黑洞，距黑洞6X IOlm的 星体以的速率200km∕s绕其旋转；接近黑洞的所有物质，即使速度等于光速也挣脱不了其引力作用。计算 黑洞的最大半径；

5、金星的半径是地球的0.95倍，质量为地球的0.82倍,金星表面的自由落体加速度是多大?金星的 第一宇宙速度是多大？

6、某小报登载：X年X月，X国发射了一颗质量Iookg……,周期为Ih的人造环月卫星。一位同学 记不住引力常量G的数值且手边没有可查找的资料，但他记得月球半径为地球半径的1/4,月球表面重力 加速度为地球表面重力加速度的1/6,经过推理，他认定该报道是假新闻。试写出他的认证方案。（R地 =6. 4× 106km）

思考与困惑:

教学说明

1.设计思路：本节课是一节知识应用与扩展的课程，所以设计时注意加大知识含量，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，避免套 公式的不良习惯。围绕第一宇宙速度的讨论，让学生形成较正确的卫星运动图景。

2.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。媒体的运用力力求体现引导认知性、 体现逻辑性和现实模拟的真实性上。

板书设计

人造卫星、宇宙速度

一、牛顿的设想

二、第一宇宙速度的推导

推导1 推导2

三、卫星的运行规律

四、同步卫星的特点

五、作业布置

教学设计思路

一、教学观念与模式

怎样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，这是一个困扰了我很久的问题。

传统的教学观将知识当成定论，把学习看成是知识由外到内的输入，同时低估了学习者的认知能力、知识 经验和差异性，并在教学中表现出简单化的倾向。美国教育家G.玻利亚指出，不要把你的全部秘诀一古脑 地倒给学生，而要让他们先猜想一番，引导他们地思考，找出尽可能多的东西，然后再讲给他们听。 在这种教育思想的启发下，我努力寻求一种能够很好地将思维发展与知识认知有机结合的课堂教学模式， 并力图体现强调学习的构建性和学习者的学习潜能，关注知识的内部生成的现代教学观。

二、电教设计

1、素材的选择

图片3张（由最新科技新闻引入课题，增强学生对物理学科的亲切感，诱发学习动机）：

二个课件（1：在动态变化过程中认知三种宇速2：卫星的运动特征）；

录像一段（人造卫星与空间技术的发展史：使学生在物理学史中感知知识，培养创新思维、探索精神 和科学的整体感。）：

投影片若干（巩固练习，加大信息密度和课堂容量。）

2、媒体的目的

提供物理事实，创设物理情境（辅助教学，图片、视频与动画结合）；

转化模型，形成表象，认识重要的概念和规律（充分运用动画的解析功能，突破难点）；

提供应用物理知识的典型示例（重在物理过程分析，突出重点）。

三、教师、学生、教材、媒体的关系

本课的教学设计中教师的主体作用表现为：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。而教材及电教媒体则为这一切提供丰富的信息资源和交互平台。

值得注意的是运用媒体时，切不可将课堂教学当成信息的堆积与单纯的呈现，课堂的主动权必须牢牢 地抓在教师的手中。无论在内容选题还是展示过程，主动权都交给教师，将有利于教师设计创造性的教学 方案，并根据学生的观察、思维活动给予启发和指导。教师应充分考虑学生学习过程中的思维规律，把教 学的重点放在模型转化、状态分析、过程发展等方面，突出多媒体技术在这些方面的优势。

以问题为中心的课堂教学模式已经比较成熟，本课即围绕这样几个中心问题展开：

1.为什么在物理大师牛顿提出卫星的设想后的很长时间内未能实现？回答第一宇宙速度的大小与推 导。

2.为什么同轨卫星不相撞？第一宇速为何是发射卫星的最小速度，是环绕运动卫星的最大速度？ r越 大卫星发射越容易么？回答卫星的运行规律。

3.为什么同步卫星不能在北京的正上方？同步卫星的资源又是很有限的？ PI答同步卫星的特点。

这样，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。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，学生的认识才能够实现由感性认识上 升为理性认识的二次飞跃。只有学生成为课堂的认知主体，并与教材、媒体和教师和谐地进行作用时，这 些要素才构成优化的课堂教学系统。

教学过程流程图

开始

点 评

宇宙航行这一节的理论较为抽象，以往的教学设计都是以理论推导为主，然后通过练习不断纠正学生 的错误观念，达到强化教学目标的目的。本教学设计中，教师则跳出了这一误区，根据教与学的实际创新 性提出了自己的教学思路。其突出的特点有如下几方面：

1.现代教育观与传统教育观相比实现了几个转变，即从强调知识的量转为强调知识的质，从强调记 忆转为强调思维，从注重学习的结果转向注重学习过程，更重视知识的来源、学科背景和探究过程。本课 通过创设一系列真实的问题情境，引导学生地猜想和分析，这种教学模式很好地将思维发展与知识认 知有机地结合起来，充分体现了新课程关注知识的内部生成的现代教学观念。

2.本节属于知识应用与扩展的课程，教师在设计时注重加强了知识的容量，并十分注意调动学生的 学习热情。用最新科技新闻图片引入课题，增强学生对物理学科的亲切感，诱发了学习动机，选用的天体 运动的动画非常直观，突出了多媒体技术在转化模型、形成表象、动态解析、过程展示方面的优势。课的 最后以人造卫星与空间技术的发展史的录象让学生在物理学史中感受物理知识，凸显了知识的历史感和时 代特征。

3.本课围绕几个中心问题展开教与学，思路简明、清晰。教师不但注重培养学生分析解决问题的能 力，还通过鼓励学生如同大师一样地大胆猜想来培养学生提出问题的能力。学生在提出与解决问题的过程 中，不断地体验着探索的快乐，在不知不觉中对知识的理解由浅入深，科学的能力也潜移默化地得到了提 高，这样也就保证了知识、过程和情感三维教学目标的实现。

本节课教者很好地处理好了学生、教师与媒体的关系，优化了课堂教学结构。教学设计的过程中处处 从学生的学习实际出发，处处以学生的发展为主，并实现课程资源与学习者间的和谐作用，较好地达成了 教学目标，是一节很成功的课。