宇宙航行教學(xué)設(shè)計(jì)與反思 金迎時(shí) 吉林省乾安縣第四中學(xué) 131400注：在首屆“全國(guó)中學(xué)物理新課程高效課堂教學(xué)設(shè)計(jì)群英大賽”中榮獲二等獎(jiǎng)。一、設(shè)計(jì)思路1. “宇宙航行”是人教版普通高中物理教材必修2第六章“萬有引力與航天”的第五節(jié)內(nèi)容，介紹了萬有引力的實(shí)踐性成就，萬有引力理論使人類實(shí)現(xiàn)“飛天”夢(mèng)想。本節(jié)課是一節(jié)知識(shí)應(yīng)用與擴(kuò)展的課程，所以設(shè)計(jì)時(shí)注意加大知識(shí)含量，引起學(xué)生興趣。同時(shí)注意方法的培養(yǎng)，讓學(xué)生養(yǎng)成用萬有引力是天體運(yùn)動(dòng)的向心力這一基本方法研究問題的習(xí)慣，避免套公式的不良習(xí)慣。圍繞第一宇宙速度的討論，讓學(xué)生形成較正確的衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)圖景。2.積極創(chuàng)設(shè)問題情境、啟發(fā)學(xué)生思維；利用電教媒體提供豐富的信息資源和交互平臺(tái)。二、教學(xué)目標(biāo) 1、知識(shí)與技能. 能夠用萬有引力定律和牛頓第二定律推導(dǎo)第一宇宙速度，了解第二、第三宇宙速度及其意義。. 理解衛(wèi)星的運(yùn)行速度、周期與半徑的關(guān)系，建立起關(guān)于各種衛(wèi)星的運(yùn)行狀況的正確圖景。2、過程與方法 .經(jīng)歷探究人造衛(wèi)星由設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的過程，體會(huì)猜想、外推的科學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。.通過用萬有引力定律推導(dǎo)第一宇宙速度，提高學(xué)生運(yùn)用學(xué)過的知識(shí)分析和解決新問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探索能力。. 通過對(duì)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究，幫助學(xué)生建立起關(guān)于各種人造地球衛(wèi)星運(yùn)行狀況的正確圖景。幫助學(xué)生養(yǎng)成用萬有引力是天體運(yùn)動(dòng)的向心力這一基本方法研究問題的習(xí)慣，3、情感與態(tài)度價(jià)值觀.了解人類探索太空的過程，感受科技發(fā)展對(duì)人類進(jìn)步的巨大促進(jìn)作用，通過對(duì)我國(guó)航天事業(yè)發(fā)展史的了解，滲透愛國(guó)主義教育。.感知人類探索宇宙的夢(mèng)想及巨大成就，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的熱情，促使學(xué)生樹立獻(xiàn)身科學(xué)的人生觀和價(jià)值觀。三、教學(xué)重難點(diǎn)重點(diǎn)：第一宇宙速度的推導(dǎo)；對(duì)人造地球衛(wèi)星原理的理解；研究天體運(yùn)動(dòng)的基本思路與方法。難點(diǎn)：第一宇宙速度是衛(wèi)星發(fā)射的最小速度，是衛(wèi)星環(huán)繞地球運(yùn)行的最大速度；人造衛(wèi)星的速度、周期的比較。四、教學(xué)方法和手段以啟發(fā)式教學(xué)、建構(gòu)主義為指導(dǎo)思想，采用以問題為中心的課堂教學(xué)模式，結(jié)合多媒體輔助教學(xué)。五、教學(xué)設(shè)備多媒體教學(xué)輔助課件六、教學(xué)過程（一）引入新課教師：浩瀚的宇宙、閃爍的星空，神秘而美麗的太空一直牽引著人類無限的遐想。隨著科技的發(fā)展，人類終于擺脫了大地的束縛和引力的牽絆，實(shí)現(xiàn)了飛天的夢(mèng)想。我國(guó)航天員也第一次把中國(guó)人的足跡印在飛船艙外的茫茫太空之中。展示神舟飛船圖片及航天員翟志剛太空漫步圖片。本節(jié)課我們就來學(xué)習(xí)人類是如何走出地球、飛向宇宙，進(jìn)行宇宙航行的。（板書課題）設(shè)計(jì)說明：由人類飛天之夢(mèng)的歷史激發(fā)學(xué)生的求知欲和民族自豪感，從而引入課題。（二）新課教學(xué)1.牛頓的設(shè)想教師：提供生活經(jīng)驗(yàn)：我們知道，地球?qū)χ車奈矬w有引力作用，因此拋出的物體要落回地面。在地面上將一個(gè)物體水平拋出，拋出時(shí)速度越大，落地點(diǎn)距拋出點(diǎn)的水平距離越大。（動(dòng)畫模擬演示）思考：地球是個(gè)球體，如果拋出速度很大時(shí)，我們還能將地面看作平面嗎？如果速度繼續(xù)一直增大，會(huì)出現(xiàn)什么情況呢？學(xué)生：思考并回答。教師：將學(xué)生的回答與牛頓的設(shè)想作對(duì)比，作出肯定，使學(xué)生體驗(yàn)思考的快樂。 （多媒體播放“牛頓關(guān)于人造衛(wèi)星的設(shè)想”）設(shè)計(jì)說明：創(chuàng)設(shè)問題情境，經(jīng)歷探究人造衛(wèi)星由設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的過程，體會(huì)猜想、外推的科學(xué)方法，感受科學(xué)家的思想之偉大，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。2、三種宇宙速度教師：從牛頓提出設(shè)想到第一顆人造衛(wèi)星上天，歷時(shí)近三百年。這是因?yàn)榘l(fā)射衛(wèi)星所需的速度太大了，當(dāng)時(shí)人類科技的水平還產(chǎn)生不了這樣大的速度。思考：以多大的速度將物體拋出，它就不再落回地面，它將繞地球運(yùn)動(dòng)，成為人造地球衛(wèi)星？解法一：（學(xué)生1：板書）設(shè)地球和人造地球衛(wèi)星的質(zhì)量分別為和, 衛(wèi)星到地心的距離是,衛(wèi)星的環(huán)繞速度為：,代入數(shù)據(jù)得：。教師：在地面表面附近萬有引力的大小與重力的關(guān)系是什么?學(xué)生：重力近似等于萬有引力教師：你能根據(jù)這一關(guān)系，從另一角度求這個(gè)速度嗎？解法二：（學(xué)生2：板書）代入數(shù)據(jù)得：教師：這就是人造衛(wèi)星在地面附近繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)所必須具有的速度，叫第一宇宙速度，又叫環(huán)繞速度，它是發(fā)射一個(gè)物體、使其成為地球衛(wèi)星的最小速度。若以第一宇宙速度發(fā)射一個(gè)物體，物體將在貼著地球表面的軌道上繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。討論與交流：如果衛(wèi)星的發(fā)射速度大于，會(huì)出現(xiàn)什么情況呢？（鼓勵(lì)學(xué)生大膽猜想）（動(dòng)畫演示宇宙速度課件，加深學(xué)生理解。）學(xué)生思考回答，教師進(jìn)行總結(jié)說明。設(shè)計(jì)說明：教師適當(dāng)?shù)靥崾尽⒁龑?dǎo)，讓學(xué)生動(dòng)腦、動(dòng)手，利用所學(xué)知識(shí)推導(dǎo)第一宇宙速度。同時(shí)，鍛煉學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)分析和解決新問題能力，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探索能力。3、衛(wèi)星的運(yùn)行規(guī)律（動(dòng)畫演示衛(wèi)星運(yùn)行課件，建立正確圖景）1、所有衛(wèi)星都在以地心為圓心的圓（或橢圓）軌道上2、“高軌低速長(zhǎng)周期”教師：為簡(jiǎn)單起見，如果我們將不同軌道上的衛(wèi)星繞地球運(yùn)動(dòng)都看成是勻速圓周運(yùn)動(dòng)，請(qǐng)同學(xué)們利用已學(xué)的知識(shí)，探究衛(wèi)星繞地球的運(yùn)行速度、周期與軌道半徑的關(guān)系。學(xué)生3：板演得： 設(shè)計(jì)說明：通過對(duì)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究，幫助學(xué)生建立起關(guān)于各種人造地球衛(wèi)星運(yùn)行狀況的正確圖景，幫助學(xué)生養(yǎng)成用萬有引力是天體運(yùn)動(dòng)的向心力這一基本方法研究問題的習(xí)慣。4.課堂練習(xí) 例1 我國(guó)發(fā)射的第一顆探月衛(wèi)星“嫦娥一號(hào)”的軌道半徑是圓形的，且貼近月球表面。已知月球質(zhì)量約為地球質(zhì)量的，月球的半徑約為地球半徑的，地球上的第一宇宙速度約為，求“嫦娥一號(hào)”探月衛(wèi)星繞月球運(yùn)行的速率？（約）（動(dòng)畫模擬“嫦娥一號(hào)”探月衛(wèi)星發(fā)射，讓學(xué)生了解衛(wèi)星發(fā)射的全過程，為課堂練習(xí)提供問題情境。） 例2 如圖所示，a、b、c是地球大氣層外圓形軌道上運(yùn)行的三顆人造地球衛(wèi)星，a、b質(zhì)量相同，且小于c的質(zhì)量，則（ BD ） A.b所需向心力最大 B.b、c周期相等，且大于a周期 C.b、c向心加速度相等，且大于a的向心加速度 D.b、c的線速度大小相等，且小于a的線速度設(shè)計(jì)說明：加強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的遷移與應(yīng)用，加深學(xué)生對(duì)天體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)關(guān)系的正確理解，實(shí)現(xiàn)練習(xí)與課堂內(nèi)容的高度統(tǒng)一。5.夢(mèng)想成真教師：探索宇宙的奧秘，奔向廣闊而遙遠(yuǎn)的太空，是人類自古以來的夢(mèng)想。讓學(xué)生閱讀材料“夢(mèng)想成真”內(nèi)容。（以人類載人航天50周年紀(jì)念為切入點(diǎn)，通過圖片及視頻展示，了解人類探索太空的歷史。）教師：盡管人類已經(jīng)跨入太空，登上月球，但是，相對(duì)于宇宙之宏大，地球和月球不過是茫茫宇宙中的兩粒塵埃；相對(duì)于宇宙之久長(zhǎng)，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(jié)？地外文明在哪里？這些都是留給大家將來去解決的問題。設(shè)計(jì)說明：讓學(xué)生了解人類探索太空的過程，感知人類探索宇宙的夢(mèng)想及成就。激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的熱情，促使學(xué)生樹立獻(xiàn)身科學(xué)的人生觀和價(jià)值觀。（三）課堂小結(jié) 1. 三種宇宙速度： v1=7.9km/s（會(huì)推導(dǎo)）；v2=11.2 km/s； v3=16.7 km/s2. 衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力由萬有引力提供:（四）布置作業(yè)1閱讀教材中的“科學(xué)漫步”和“STS”材料；2上網(wǎng)查閱：人造衛(wèi)星的種類、同步衛(wèi)星的含義及特點(diǎn)。將學(xué)生分組，每個(gè)小組任選一個(gè)主題進(jìn)行研究，并利用互聯(lián)網(wǎng)搜集查找相關(guān)資料，制作匯報(bào)PPT或海報(bào)，下節(jié)課進(jìn)行交流共享。專題學(xué)習(xí)網(wǎng)站： 中國(guó)載人航天工程網(wǎng)：； 中國(guó)探月網(wǎng)： 板書設(shè)計(jì)： 宇宙航行一、牛頓的設(shè)想二、宇宙速度 第一宇宙速度：第二宇宙速度： 第三宇宙速度：。三、衛(wèi)星的運(yùn)行規(guī)律教學(xué)反思 這一節(jié)重點(diǎn)講述了人造衛(wèi)星的發(fā)射原理，推導(dǎo)了第一宇宙速度,并介紹了第二、第三宇宙速度。人造衛(wèi)星是萬有引力定律在天文學(xué)上應(yīng)用的一個(gè)實(shí)例，是人類征服自然的見證，體現(xiàn)了知識(shí)的力量，是學(xué)生學(xué)習(xí)了解現(xiàn)代科技知識(shí)的一個(gè)極好素材。教材不但介紹了人造衛(wèi)星中一些基本理論，更是在其中滲透了很多研究實(shí)際物理問題的物理方法。因此，本節(jié)課是“萬有引力定律與航天”中的重點(diǎn)內(nèi)容，是學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)研究天體物理問題的理論基礎(chǔ)。另外，學(xué)生通過對(duì)人造衛(wèi)星、宇宙速度的了解，也將潛移默化地產(chǎn)生對(duì)航天科學(xué)的熱愛，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)科學(xué)的興趣。