《宇宙航行》的教學設計

教學設計時間：2021-08-31 手機版

《宇宙航行》的教學設計

　　一、設計思想

　　宇宙航行不但介紹了人造衛星中一些基本理論，更是在其中滲透了很多研究實際物理問題的物理方法。因此，本節課是“萬有引力定律與航天”中的重點內容，是學生進一步學習研究天體物理問題的理論基礎。另外，學生通過對人造衛星、宇宙速度的了解，也將潛移默化地產生對航天科學的熱愛，增強民族自信心和自豪感。

　　學生已學過平拋運動、勻速圓周運動、萬有引力定律等基本理論，具備了解決問題的基本工具。

　　本節重點講述了人造衛星的發射原理，推導了第一宇宙速度，并介紹了第二、第三宇宙速度。人造衛星是萬有引力定律在天文學上應用的一個實例，是人類征服自然的見證，體現了知識的力量，是學生學習了解現代科技知識的一個極好素材。

　　本節課的難點在于對人造衛星原理的理解，因此教學設計上采用理論探究法，在設計中突出發揮學生的主體作用，課堂中通過設疑→思考→啟發→引導這樣一條主線，激發鼓勵學生的大膽思考、積極參與，讓學生通過自己的分析研究來掌握獲取相關的知識和方法。

　　二、教學目標

　　（一）知識和能力目標

　　1．了解人造地球衛星的有關知識和航天發展史。

　　2．知道三個宇宙速度的含義和數值，會推導第一宇宙速度。

　　3．理解衛星的線速度、角速度、周期與軌道半徑的關系。

　　（二）過程與方法目標

　　1．在學習牛頓對衛星發射的思考過程的.同時，培養學生科學探索能力；培養學生在處理實際問題時，如何構建物理模型的能力。

　　2．通過對衛星運行的線速度、角速度、周期與軌道半徑的關系的討論，培養學生運用知識分析解決實際問題的能力。

　　（三）情感態度與價值觀目標

　　1．通過展示人類在宇宙航行領域中的偉大成就，激發學生學習物理的熱情。

　　2．通過介紹我國在航天方面的成就，激發學生的愛國熱情，增強民族自信心和自豪感。

　　3．感知人類探索宇宙的夢想，促使學生樹立獻身科學的人生觀和價值觀。

　　三、教學重點

　　1．第一宇宙速度的推導。

　　2．衛星運行的線速度、角速度、周期與軌道半徑的關系。

　　四、教學難點

　　衛星的發射速度與運行速度的關系。

　　五、教學方法

　　探究、講授、討論。

　　六、教學準備

　　多媒體。

　　七、教學過程

　　（一）引入新課

　　通過前面的學習我們知道了，人類通過站在地球上的觀測，認識到了天體做什么樣的運動，并進一步弄清了天體為什么要做這樣的運動。然而人類并不滿足于只站在地球上探索宇宙的奧秘。本節課，我們就來學習人類是如何走出地球，飛向宇宙，進行宇宙航行的。（利用幻燈片，向學生展示一些航天類的圖片，以激發學生的學習興趣。）

　　（二）推進新課

　　牛頓的思考

　　探究：怎樣才能使得一個物體繞著地球做圓周運動？

　　先讓學生思考、討論，教師可根據學生情況引導學生思考。

　　我們知道，在地面上將一個物體水平拋出，若拋出時速度越大，則落地點距拋出點的水平距離越大。如果拋出速度很大時，我們還能將地面看作平面嗎？（不能）

　　早在16世紀道的牛頓就曾思考過這個問題。（播放衛星發射原理動畫，并向學生分析）

　　從地球上最高的山峰上將物體水平拋出，速度越大，落地點就越遠。如果拋出的速度足夠大，物體就不在落回地面，它將繞地球運動，成為一顆人造地球衛星。

　　宇宙速度

　　探究：以多大的速度發射這個物體，物體就剛好不落回地面，成為一顆繞地球表面做勻速圓周運動的衛星呢？

　　1．第一宇宙速度

　　物體最終繞地球表面做勻速圓周運動，引力為其做圓周運動提供向心力。

　　代入數據得v=7．9/s

　　這就是物體在地面附近做勻速圓周運動的速度，叫做第一宇宙速度。

　　如果發射速度大于第一宇宙速度，結果會怎樣呢？

　　2．第二宇宙速度

　　當拋出物體的速度繼續增大，地球引力將不足以為其做圓周運動提供向心力，物體將會脫離地球引力，離開地球。這個速度為v=11．2/s。我們把v=11．2/s叫做第二宇宙速度。如果發射速度大于第一宇宙速度，而小于第二宇宙速度，它繞地球運行的軌跡就不是圓，而是橢圓。

　　3．第三宇宙速度

　　物體脫離地球引力的束縛后，還會受到太陽引力的束縛。若拋出的速度足夠大，物體還將脫離太陽引力的束縛，飛向太陽系之外的宇宙空間。這個速度v=16．7v/s。這個速度叫做第三宇宙速度。

　　衛星運行的線速度、角速度、周期與軌道半徑的關系。

　　探究：目前為止，人類發射的人造地球衛星已經有幾千顆了，這些衛星運行的快慢不同，那么衛星運行的快慢與什么因素有關呢？

　　學生可能的答案：質量、軌道半徑……

　　我們將不同軌道上的衛星繞地球運動都看成是勻速圓周運動，則有

　　可得：

　　結論：線速度、角速度、周期都與衛星的質量無關，僅由軌道半徑決定。

　　當衛星環繞地球表面運行時，軌道半徑最小為地球半徑（r=R），此時線速度最大，角速度最大，周期最小。則

　　=7．9/s

　　=1．24×10-3rad/s

　　=84in

　　即衛星繞地球運行的最大速度為7．9/s。

　　人造衛星的發射速度與運行速度

　　（播放嫦娥一號發射的模擬視頻，讓學生了解衛星發射的全過程，學生也將對發射速度和運行速度有一個了解。）

　　1．發射速度

　　發射速度是指衛星在地面附近離開發射裝置的初速度，一旦發射后再無能量補充，要發射一顆人造地球衛星，發射速度不能小于第一宇宙速度。

　　2．運行速度

　　運行速度指衛星在進入運行軌道后繞地球做圓周運動的線速度。當衛星“貼著”地面飛行時，運行速度等于第一宇宙速度，當衛星的軌道半徑大于地球半徑時，運行速度小于第一宇宙速度。

　　夢想成真

　　學生先閱讀，然后教師簡述補充。（借助于多媒體，一邊向學生展示，一邊介紹，注意情感態度與價值觀目標的實現。）

　　其實早在六百多年前的明朝，一個名叫萬戶的人就曾有“飛天”的壯舉，但最終未能成功，并為之付出了生命。萬戶是世界上第一個利用火箭向太空搏擊的英雄。他的努力雖然失敗了，但他借助火箭推力升空的創想是世界上第一個，因此他被世界公認為“真正的航天始祖”，為了紀念這位世界航天始祖，世界科學家將月球上的一座環形火山命名為“萬戶山”。

　　19世紀中葉，俄羅斯學者，齊奧爾科夫斯基，提出利用噴氣推進的多級火箭，運載發射衛星。

　　19xx年10月4日，世界上第一顆人造衛星成功在蘇聯發射成功。

　　19xx年4月12日，世界上第一次載人飛行，蘇聯。

　　19xx年7月16日，人類第一次登上月球，美國。

　　10xx年，中國第一顆人造衛星發射成功。

　　20xx年10月15日，中國第一次載人飛行。

　　20xx年，嫦娥一號成功發射。

　　然而人類對宇宙的探索并不是一帆風順的，無數探索者用自己的汗水和生命鋪設了人類通往宇宙的道路。

　　19xx年1月28日，美國，挑戰者號航天飛機升空后爆炸，七名宇航員遇難。

　　20xx年2月1日，美國，哥倫比亞號航天飛機返航時爆炸，七名宇航員遇難。

　　（三）課堂小結

　　盡管人類已經跨入太空，登上月球，但是，相對于宇宙之宏大，地球和月亮不過是茫茫宇宙中的兩粒塵埃；相對于宇宙之久長，人類歷史不過是宇宙年輪上一道小小的刻痕。宇宙留給人們的思考和疑問深邃而廣闊。宇宙有沒有邊界？有沒有起始和終結？地外文明在哪里？這些都是留給大家待以解決的問題。