宇宙航行教学设计

江苏省涟水中学   董存生

一、教材分析

《宇宙航行》系新课程人教版必修2第七章第五节，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科技知识的一个极好素材。教材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“万有引力定律与航天”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。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、教学目标　

（一） 知识与技能

（1）知道人造地球卫星的运行原理，会运用万有引力定律和圆周运动公式分析解答有关卫星运行的原因；

（2）掌握三个宇宙速度，会推导第一宇宙速度；

（3）简单了解航天发展史。

（4）能用所学知识求解卫星基本问题。

（二）过程与方法

（1）培养学生科学探索能力；

（2）培养学生在处理实际问题时，如何 构建物理模型的能力；

（3）学习科学的思维方法培养学生归纳、分析和推导及合理表达能力。

（三）情感态度与价值观

介绍我国航天事业的发展现状，激发学习科学，热爱科学的激情，增强民族自信心和自豪感。

课时安排：一节课

教 具：多媒体课件(flash 8制作)、投影仪、计算机

三、设计理念　

学科教学活动以学生为主体，促进学生知识、能力、品德三维一体的全面发展，这是本课件设计的基本理念。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，具备了解决问题的基本工具。本节课的难点在于对人造卫星原理的理解，因此教学设计上采用理论探究法：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。

四、教学重点、难点

（1）第一宇宙速度的推导；  

（2）人造卫星运转的环行速度与卫星发射速度的区别；  

（3）卫星做圆周运动时，各物理量的关系。

五、教学方法

启发探究式教学、多媒体辅助教学。

六、教学准备：

多媒作，月球绕地球转动演示仪、投影仪、计算机。

七、教学过程　　

（一）创设情境，激发情感，引入新课

1．利用多媒体播放视频：（1）人造卫星发射，（2）人造卫星在圆形轨道上的运行。

2．演示月亮绕地球转动。

提出问题：抛出的石头会落地，为什么卫星、月亮没有落下来？卫星、月亮没有落下来必须具备什么条件？

（二）人造地球卫星

1．抛物演示实验：学生观察落地点的变化，落地点为什么会变化？

2．牛顿的思考与设想：

  △抛出的速度v越大时，落地点越远，速度不断增大，将会出现什么结果？

  △牛顿根据自己的设想草拟了一幅极富创意的人造卫星原理图。

  △牛顿的设想由于受技术条件的，物体不可能达到这样的速度，但他的思想启发了后人，在太空探索中立了头功。

  △动画展示牛顿的设想过程。

引出人造地球卫星（简称人造卫星）的概念。

（三）宇宙速度

如何验证

1、问题的提出：人造卫星为什么不掉下来，人造卫星的线速度有多大。进行提示想想杂技水流星，水到了最高点为什么不掉来，一起探索原因，直到得出结论。围绕线速度问题，让学生猜测高轨道还是低轨道的人造卫星线速度更大。

利用这样的教学设计，力求真正的体现学生的主体地位和老师的主导作用。强调学生自己探究、自行分析的能力，得出结论：

  由此解出

学生证实了刚才的猜测，在这一基础上，让同学们自己研究ω 、T 和半径r的关系，每位同学都能找到： 

，随着半径增大，ω减小

，随着半径增大，T变大

接下去的任务就是如何导出第一宇宙速度，在点评公式时，提示学生，半径是不是有什么特殊的情况，运行的最小半径为多少？让学生以小组为单位进行探究。在理想情况下，运行的半径最小就是靠近地面的人造卫星，半径近似等于地球半径，也就是最大的线速度，学生得出：

可以近似认为r=R，将此代入，地球质量为5.×1024Kg，

半径为R=6.37×106m，G=6.67×10-11N·m2/Kg2

m/s=7.9Km/s

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。

所以这些结论都是由学生在学习小组中探究得到，学生的自信心得到极大的满足，更主要使他们从被动接受变为主动索取，使学生乐学，好学。

学生思考：

（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）发射速度和卫星绕地旋转的速度是不是同一速度？发射速度大说明什么？卫星运转速度大又说明什么？

从能的角度，圆周运动的公式引导学生分析二者的不同。

学生思考：

我们刚研究过，当卫星的轨道半径越大时，卫星绕地球旋转时的速度越小，卫星发射时越难，送入轨道需要消耗的能量越多，发射的速度必须越大，由此我们可以得出要将人造卫星送入轨道的发射速度必须大于多少？学生分析得出v≥7.9km/s

引导：发射速度越大，人造卫星就进入更高的轨道，当速度大到某一值时，卫星就会脱离地球的引力，不再绕地球运动我们把这个速度叫第二宇宙速度，它的大小为v2=11.2km/s。

同时分析飞到太阳系以外的宇宙空间，速度必须等于或大于16.7km/s，这个速度叫第三宇宙速度。

动画展示三个宇宙速度

（四） 让学生具有振兴中华的使命感与责任感

本节课的最后，播放了一段美国登月的视频，让学生发现一些奇妙的物理现象，引导学生发现月球的背景是什么颜色，宇航员行走的模样等等，预计不久的将来，哪个国家也将登上月球，同学们高呼“中国”，那么我们现在能做些什么呢，让同学感想到：我们是祖国的未来的希望，现在需要努力学习科学文化知识，将来为祖国的航天事业做贡献。要培养学生坚韧不拨、勇于探索、协力合作的科学精神以及严谨求实、谦虚谨慎、勇于质疑科学态度；也要培养学习者热爱科学、热爱祖国的情感；努力学习、振兴中华的责任感。这些策略在本案例中得到了体现。

（五）练习反馈，拓展延伸：

［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6时23分安全降落在内蒙古主着陆场。”根据以上消息，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。

［题2］金星的半径是地球的0.95倍，质量是地球的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？ 

1、教师点拨引导学生通过联想得出解题的两种方法，将计算结果与正确结果进行比较。 

2、拓展：将天体运动的椭圆轨道近似为圆。所有环绕中心天体做圆周运动所需向心力，均由中心天体的万有引力提供。 

（六）小结与作业布置

1．阅读教科书上P76的科学漫步“黑洞”

2．上网查阅：（1） 人造卫星的种类（2） 同步卫星的含义及特点

八、综合评价：

这节课始终以学生为主体精心设计学习活动。没有让学生机械的记忆，而且给学生主动探索、自主学习的空间，通过学生的思考、动手、观察、讨论，激发学生的学习热情，使学生由被动接受知识转化为主动的获取知识，让学生真正学会如何学习，使学生的创新潜能得到最大发挥。

2006-11-12