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1、6.5 宇宙航行一、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，及航天事业的发展及其巨大成果。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个更全面、更深入的认识，对人类进行宇宙航行有一个更为系统的了解，还有助于培养学生
2、利用所学知识分析、解决实际问题的能力。同时，也会让学生产生对航天科学的热爱，增强民族自豪感和自信心。二、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. 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
3、了多媒体素材，对媒体的运用，力求体现引导认知性、体现逻辑性和现实模拟的真实性。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。多媒体素材的使用：图片（由嫦娥奔月、飞天壁画、神舟七号飞船等图片切入课题，增强学生对物理学科的亲切感，诱发学习动机）；Flash课件（1：牛顿关于人造卫星的猜想；2：在动态变化过程中认知三种宇速；3：卫星的运动特征）；视频录像（神七出仓、“嫦娥一号”发射全程：激发学生热情和兴趣，
4、实现对现实的形象模拟，让学生体验科学的整体感）。多媒体素材的目的 ：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、教学观念与模式 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。美国教育家G.玻利亚指出，不要把全部秘诀一古脑地倒给学生，而要让他们先猜想一番，引导他们独立地思考，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
5、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。 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。 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： 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
6、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。四、教学目标及教学重难点教学目标知识与技能. 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、第三宇宙速度及其意义。.掌握人造地球卫星的运行规律，会推导运行速度，角速度，周期，向心加速度与轨道半径的关系。过程与方法.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，培养学生的科学思维。.通过用万有引力定律推导第一宇宙速度，提高学生运用学过的知识分析和解决新问题的能力，培养学生科学探索能力。.通过对卫星运动规律的研究，培养学生归纳、分析和推导及合理表达能力，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
7、惯。情感态度与价值观.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，渗透爱国主义教育。.感知人类探索宇宙的梦想及巨大成就，激发学生学习物理的热情，促使学生树立献身科学的人生观和价值观。.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。教学重点第一宇宙速度的推导；对人造地球卫星原理和运行规律的掌握；研究天体运动的基本思路与方法。教学难点第一宇宙速度是卫星发射的最小速度，是卫星环绕地球运行的最大速度；人造卫星的速度、周期的比较。教学方法和手段以启发式教学、建构主义
8、为指导思想，采用以问题为中心的课堂教学模式，结合多媒体辅助教学。教学设备教室多媒体教学设备：可供实物投影、放像、课件播放等。7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。在我们中国很早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，随着自然科学理论与技术领域的发展，到现在全球共有上千颗人造卫星，其中中国有近60颗，全球有5个国家成功发射月球卫星，中国名列其中，中国航天事
9、业蓬勃发展，在全球亦属名列前茅，早已实现了古人“奔月”与“飞天”的梦想。 今天这节课我们将一起学习宇宙航行，人造卫星方面的基础理论知识，为同学们进一步学习研究天体物理问题打下一定的基础，同时了解感受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【创设情境】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，此时我们还能将地面看作平面吗？若抛出物体的水平初速度足够大,物体将会如何运动?牛顿人造卫星原理图牛顿的设想：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
10、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。 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。设 计 说 明由人类飞天之梦引入课题。通过教师讲演配合图片展示，激发学生的求知欲和民族自豪感，从而使课堂教学在一个良好的心理氛围中开始。选取生活中的典型事例，创设问题情境，并设计出能对学生的智慧构成挑战的问题，激发学生的好奇心，使之转化成强烈的求知欲。让学生了解牛顿300多年前关于人造
11、卫星的设想，体会猜想、外推的科学方法，感受科学家的思想之伟大，培养学生的科学思维。（二）三种宇宙速度问题2（算一算）：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?地球质量M=5.98*1024kg，地球R=6400km，G=6.67x10-11Nm2/kg2地表 g=9.8m/s2（离地高度忽略不计） 推导方法一：万有引力提供向心力 代入数据得：推导方法二：重力提高向心力（重力近似等于万有引力） 代入数据得：在地球表现万有引力近似等于重力，所以这两种推导方法都是正确的。人们把7.9km/s这个速度叫做第一宇宙速度，它是近地卫星的环绕速度，也是近地卫星的发射速度。概念辨析：发射速
12、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。问题3：如果卫星的发射速度大于，会出现什么情况呢？（鼓励学生大胆猜想）当人造卫星进入地球附近的轨道速度大于而小于时，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，发射速度越大，椭圆轨道越“扁”，离地面的高度越高。如果物体发射的速度更大，达到或超过时，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，达到或超过时，物体将能够摆脱
13、太阳引力的束缚，飞到太阳系外。我们把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。）教师适当地提示、引导，以学生为主体，让学生动脑、动手，利用所学知识推导第一宇宙速度，突出重点。同时，让学生学会学习，锻炼学生利用所学知识分析和解决新问题的能力，培养学生科学探索能力。让学生了解当卫星的发射速度大于第一宇宙速度的三种可能。 定性了解第二、第三宇宙速度及其物理意义。问题4：比较发射地轨道卫星与高轨道卫星哪一个更困难？所需的发射速度哪一个更大？为什么？比较卫星在高轨道与低轨道上绕地球做匀速圆周运行时的环绕速度哪个大？为什么？结论：卫星轨道越高所需发射速度越大，而到
14、轨道后的环绕速度越小。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。（三）卫星的运行规律探一探：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、周期T、向心加速度a与轨道半径r的关系?学生板演：得： 师生总结：卫星运行的运行速度，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、 、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。）应用一：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
15、生活中到处有物理，反对伪科学。）求近地卫星的周期：地球质量M=5.98*1024kg，地球R=6400km，G=6.67x10-11Nm2/kg2地表 g=9.8m/s2（离地高度忽略不计）播放“嫦娥一号”探月卫星发射的3D模拟动画，让学生了解卫星发射的全过程，为课堂练习提供问题情境。（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。）通过争辩克服难点：卫星的发射速度及运行速度与卫星轨道半径的关系帮助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，培养学生归纳、分析和推导及合理表达能力。加强学生对知识的迁移与应用，加深学生对天体运动的动力学关系的正确理解，实现练习与课堂内容的高度统一。（四）梦想成真人类航天历程播放视频素材人类航天50年短片及展示精美照片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，渗透爱国主义教育。三、课堂小
