《宇宙航行》的教学设计

2021-07-03 教学设计

　　一、设计思想

　　宇宙航行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。

　　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。

　　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。

　　二、教学目标

　　（一）知识和能力目标

　　1．了解人造地球卫星的有关知识和航天发展史。

　　2．知道三个宇宙速度的含义和数值，会推导第一宇宙速度。

　　3．理解卫星的线速度、角速度、周期与轨道半径的关系。

　　（二）过程与方法目标

　　1．在学习牛顿对卫星发射的思考过程的同时，培养学生科学探索能力；培养学生在处理实际问题时，如何构建物理模型的能力。

　　2．通过对卫星运行的线速度、角速度、周期与轨道半径的关系的讨论，培养学生运用知识分析解决实际问题的能力。

　　（三）情感态度与价值观目标

　　1．通过展示人类在宇宙航行领域中的伟大成就，激发学生学习物理的热情。

　　2．通过介绍我国在航天方面的成就，激发学生的爱国热情，增强民族自信心和自豪感。

　　3．感知人类探索宇宙的梦想，促使学生树立献身科学的人生观和价值观。

　　三、教学重点

　　1．第一宇宙速度的推导。

　　2．卫星运行的线速度、角速度、周期与轨道半径的关系。

　　四、教学难点

　　卫星的发射速度与运行速度的关系。

　　五、教学方法

　　探究、讲授、讨论。

　　六、教学准备

　　多媒体。

　　七、教学过程

　　（一）引入新课

　　通过前面的学习我们知道了，人类通过站在地球上的观测，认识到了天体做什么样的运动，并进一步弄清了天体为什么要做这样的运动。然而人类并不满足于只站在地球上探索宇宙的奥秘。本节课，我们就来学习人类是如何走出地球，飞向宇宙，进行宇宙航行的。（利用幻灯片，向学生展示一些航天类的图片，以激发学生的学习兴趣。）

　　（二）推进新课

　　牛顿的思考

　　探究：怎样才能使得一个物体绕着地球做圆周运动？

　　先让学生思考、讨论，教师可根据学生情况引导学生思考。

　　我们知道，在地面上将一个物体水平抛出，若抛出时速度越大，则落地点距抛出点的`水平距离越大。如果抛出速度很大时，我们还能将地面看作平面吗？（不能）

　　早在16世纪道的牛顿就曾思考过这个问题。（播放卫星发射原理动画，并向学生分析）

　　从地球上最高的山峰上将物体水平抛出，速度越大，落地点就越远。如果抛出的速度足够大，物体就不在落回地面，它将绕地球运动，成为一颗人造地球卫星。

　　宇宙速度

　　探究：以多大的速度发射这个物体，物体就刚好不落回地面，成为一颗绕地球表面做匀速圆周运动的卫星呢？

　　1．第一宇宙速度

　　物体最终绕地球表面做匀速圆周运动，引力为其做圆周运动提供向心力。

　　代入数据得v=7．9/s

　　这就是物体在地面附近做匀速圆周运动的速度，叫做第一宇宙速度。

　　如果发射速度大于第一宇宙速度，结果会怎样呢？

　　2．第二宇宙速度

　　当抛出物体的速度继续增大，地球引力将不足以为其做圆周运动提供向心力，物体将会脱离地球引力，离开地球。这个速度为v=11．2/s。我们把v=11．2/s叫做第二宇宙速度。如果发射速度大于第一宇宙速度，而小于第二宇宙速度，它绕地球运行的轨迹就不是圆，而是椭圆。

　　3．第三宇宙速度

　　物体脱离地球引力的束缚后，还会受到太阳引力的束缚。若抛出的速度足够大，物体还将脱离太阳引力的束缚，飞向太阳系之外的宇宙空间。这个速度v=16．7v/s。这个速度叫做第三宇宙速度。

　　卫星运行的线速度、角速度、周期与轨道半径的关系。

　　探究：目前为止，人类发射的人造地球卫星已经有几千颗了，这些卫星运行的快慢不同，那么卫星运行的快慢与什么因素有关呢？

　　学生可能的答案：质量、轨道半径……

　　我们将不同轨道上的卫星绕地球运动都看成是匀速圆周运动，则有

　　可得：

　　结论：线速度、角速度、周期都与卫星的质量无关，仅由轨道半径决定。

　　当卫星环绕地球表面运行时，轨道半径最小为地球半径（r=R），此时线速度最大，角速度最大，周期最小。则

　　=7．9/s

　　=1．24×10-3rad/s

　　=84in

　　即卫星绕地球运行的最大速度为7．9/s。

　　人造卫星的发射速度与运行速度

　　（播放嫦娥一号发射的模拟视频，让学生了解卫星发射的全过程，学生也将对发射速度和运行速度有一个了解。）

　　1．发射速度

　　发射速度是指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，要发射一颗人造地球卫星，发射速度不能小于第一宇宙速度。

　　2．运行速度

　　运行速度指卫星在进入运行轨道后绕地球做圆周运动的线速度。当卫星“贴着”地面飞行时，运行速度等于第一宇宙速度，当卫星的轨道半径大于地球半径时，运行速度小于第一宇宙速度。

　　梦想成真

　　学生先阅读，然后教师简述补充。（借助于多媒体，一边向学生展示，一边介绍，注意情感态度与价值观目标的实现。）

　　其实早在六百多年前的明朝，一个名叫万户的人就曾有“飞天”的壮举，但最终未能成功，并为之付出了生命。万户是世界上第一个利用火箭向太空搏击的英雄。他的努力虽然失败了，但他借助火箭推力升空的创想是世界上第一个，因此他被世界公认为“真正的航天始祖”，为了纪念这位世界航天始祖，世界科学家将月球上的一座环形火山命名为“万户山”。

　　19世纪中叶，俄罗斯学者，齐奥尔科夫斯基，提出利用喷气推进的多级火箭，运载发射卫星。

　　19xx年10月4日，世界上第一颗人造卫星成功在苏联发射成功。

　　19xx年4月12日，世界上第一次载人飞行，苏联。

　　19xx年7月16日，人类第一次登上月球，美国。

　　10xx年，中国第一颗人造卫星发射成功。

　　20xx年10月15日，中国第一次载人飞行。

　　20xx年，嫦娥一号成功发射。

　　然而人类对宇宙的探索并不是一帆风顺的，无数探索者用自己的汗水和生命铺设了人类通往宇宙的道路。

　　19xx年1月28日，美国，挑战者号航天飞机升空后爆炸，七名宇航员遇难。

　　20xx年2月1日，美国，哥伦比亚号航天飞机返航时爆炸，七名宇航员遇难。

　　（三）课堂小结

　　尽管人类已经跨入太空，登上月球，但是，相对于宇宙之宏大，地球和月亮不过是茫茫宇宙中的两粒尘埃；相对于宇宙之久长，人类历史不过是宇宙年轮上一道小小的刻痕。宇宙留给人们的思考和疑问深邃而广阔。宇宙有没有边界？有没有起始和终结？地外文明在哪里？这些都是留给大家待以解决的问题。