陳賢彪《宇宙航行》教學(xué)設(shè)計(jì)

宇宙航行課時(shí)教學(xué)目標(biāo)：知識(shí)與技能：

（一）知識(shí)與技能

1．通過(guò)觀察思考、合作探究使學(xué)生知道人造地球衛(wèi)星的發(fā)射原理；

2．通過(guò)閱讀、合理誘導(dǎo)與精心研究使學(xué)生掌握三個(gè)宇宙速度，學(xué)會(huì)推導(dǎo)第一宇宙速度的兩個(gè)求解公式；

3．通過(guò)公式分析、練習(xí)反饋使學(xué)生掌握用萬(wàn)有引力定律和圓周運(yùn)動(dòng)知識(shí)求解有關(guān)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的基本問(wèn)題。

（二）過(guò)程與方法

1．通過(guò)對(duì)人造衛(wèi)星的發(fā)射原理和第一宇宙速度公式推導(dǎo)的學(xué)習(xí)，使學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究、分析、歸納的思維過(guò)程；

2．教育學(xué)生在處理實(shí)際問(wèn)題時(shí)，如何忽略次要因素，抓住主要因素，抽象出物理模型。從而對(duì)學(xué)生進(jìn)行物理研究方法的培養(yǎng)。

（三）情感態(tài)度與價(jià)值觀

1．在主動(dòng)學(xué)習(xí)合作探究過(guò)程中，體驗(yàn)和諧、流暢、民主、愉悅的學(xué)習(xí)情境，在滿懷熱望的探究中不斷獲得美的感受和成功的喜悅。

2．介紹我國(guó)航天事業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，激發(fā)學(xué)生的求知欲和熱愛(ài)科學(xué)的激情，增強(qiáng)民族自信心和自豪感，培養(yǎng)愛(ài)國(guó)熱情。教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)：第一宇宙速度的推導(dǎo)；人造衛(wèi)星運(yùn)轉(zhuǎn)的環(huán)行速度與衛(wèi)星發(fā)射速度的區(qū)別。教學(xué)難點(diǎn)：在學(xué)生對(duì)人造衛(wèi)星原理的理解。教學(xué)策略：本節(jié)課的難點(diǎn)在學(xué)生對(duì)人造衛(wèi)星原理的理解。因此教學(xué)設(shè)計(jì)上擬采用理論探究法：通過(guò)舉例讓學(xué)生從已知的“拋體初速度越大，飛得越遠(yuǎn)”這一舊知入手，通過(guò)教師的誘導(dǎo)，創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，讓學(xué)生提出猜想：“若初速度足夠大，又如何？”交流討論、探究、獨(dú)立思維，從而豁然開(kāi)朗的“解疑”，獲得若速度足夠大，萬(wàn)有引力提供物體的向心力，物體就得圍繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，從而成為人造衛(wèi)星這一新知，完成認(rèn)知結(jié)構(gòu)的正向遷移。然后進(jìn)一步探究和思維，順利地完成第一宇宙速度的推導(dǎo)，了解三個(gè)宇宙速度的不同含義，認(rèn)識(shí)客觀世界的規(guī)律，并加強(qiáng)遷移與應(yīng)用。教材分析人教版必修二第六章第五節(jié)《宇宙航行》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，介紹了三個(gè)宇宙速度的含義。本節(jié)內(nèi)容是萬(wàn)有引力定律在天體運(yùn)動(dòng)中的具體運(yùn)用，是航天科學(xué)技術(shù)理論基礎(chǔ)。引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用科學(xué)的思維方法，探究人造衛(wèi)星的發(fā)射原理，進(jìn)行知識(shí)的正向遷移，順利、流暢地推導(dǎo)第一宇宙速度，有助于培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維、邏輯思維和分析推理的能力。另外，學(xué)生通過(guò)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(ài)，增強(qiáng)民族自信心和自豪感。導(dǎo)入新課介紹：1957年前蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星，開(kāi)創(chuàng)了人類(lèi)航天時(shí)代的新紀(jì)元。我國(guó)在70年代發(fā)射第一顆衛(wèi)星以來(lái)，相繼發(fā)射了多顆不同種類(lèi)的衛(wèi)星，掌握了衛(wèi)星回收技術(shù)和“一箭多星”技術(shù)。展示：1.神舟十一號(hào)發(fā)射的視頻。2.神舟五號(hào)發(fā)射及運(yùn)行的視頻。提出問(wèn)題：拋出的石頭會(huì)落地，為什么衛(wèi)星、月亮沒(méi)有落下來(lái)？衛(wèi)星、月亮沒(méi)有落下來(lái)必須具備什么條件？推進(jìn)新課：一、人造衛(wèi)星繞地球運(yùn)行規(guī)律：1．拋物演示實(shí)驗(yàn)：學(xué)生觀察落地點(diǎn)的變化，落地點(diǎn)為什么會(huì)變化？2．牛頓的思考與設(shè)想：

△拋出的速度v越大時(shí)，落地點(diǎn)越遠(yuǎn)，速度不斷增大，將會(huì)出現(xiàn)什么結(jié)果？

△牛頓根據(jù)自己的設(shè)想草擬了一幅極富創(chuàng)意的人造衛(wèi)星原理圖。

△牛頓的設(shè)想由于受技術(shù)條件的限制，物體不可能達(dá)到這樣的速度，但他的思想啟發(fā)了后人，在太空探索中立了頭功。

△展示牛頓的設(shè)想過(guò)程。引出人造地球衛(wèi)星（簡(jiǎn)稱人造衛(wèi)星）的概念。牛頓的思考與設(shè)想：ABCDOV0以平拋運(yùn)動(dòng)為模型的推理過(guò)程【問(wèn)題1】地球近似看成圓，則人造衛(wèi)星環(huán)繞地球旋轉(zhuǎn)時(shí)做的是什么運(yùn)動(dòng)？人造衛(wèi)星做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力由誰(shuí)提供？【問(wèn)題2】

假設(shè)地球質(zhì)量M，衛(wèi)星質(zhì)量為m，衛(wèi)星到地心的距離為r，求衛(wèi)星繞地球表面運(yùn)轉(zhuǎn)的速度、角速度、周期？【問(wèn)題3】

哪條軌道上人造衛(wèi)星的速度最小，周期最大？三、宇宙速度（1）第一宇宙速度【問(wèn)題５】：牛頓設(shè)想中，炮彈至少要以多大的速度發(fā)射，才能在地面附近繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)？地球半徑為6400km。方法一：萬(wàn)有引力提供物體作圓周運(yùn)動(dòng)的向心力問(wèn)題：以多大的速度拋出這個(gè)物體，它才會(huì)繞地球表面運(yùn)動(dòng)，不會(huì)落下來(lái)？(已知Ｇ=6.67×10-11Nm2/kg2,地球質(zhì)量M=5.89×1024kg,地球半徑R=6400km)

若已知地球表面重力加速度g=9.8m/s2，R=6400km方法二：利用重力提供物體作圓周運(yùn)動(dòng)的向心力

v1=7.9km/s．它是人造衛(wèi)星在地面附近繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)所必須具備的速度．是人造衛(wèi)星發(fā)射的最小速度說(shuō)明：（１）如果衛(wèi)星的發(fā)射速度小于第一宇宙速度，衛(wèi)星將落到地面而不能繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)；

（２）如果衛(wèi)星的發(fā)射速度等于這個(gè)速度，衛(wèi)星剛好能在地球表面附近作勻速圓周運(yùn)動(dòng)；

第一宇宙速度（環(huán)繞速度）思考：在地面附近發(fā)射飛行器，如果它的發(fā)射速度大于7.9km/s會(huì)怎么樣呢？在地面附近發(fā)射飛行器，如果發(fā)射速度大于7.9km/s，而小于11.2km/s，那么它繞地球運(yùn)動(dòng)的軌道就不是圓，而是橢圓。成為一顆人造衛(wèi)星

V1=7.9km/s地球V2=11.2km/sV3=16.7km/s在地面附近發(fā)射飛行器，如果發(fā)射速度大于7.9km/s，而小于11.2km/s，那么它繞地球運(yùn)動(dòng)的軌道就不是圓，而是橢圓。成為一顆人造衛(wèi)星

V1=7.9km/s地球V2=11.2km/sV3=16.7km/s如果速度繼續(xù)增加，達(dá)到或大于11.2km/s時(shí)，它就會(huì)克服地球的引力，永遠(yuǎn)離開(kāi)地球，成為繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的一顆人造行星我們把v2=11.2km/s叫做第二宇宙速度

如果人造天體的發(fā)射速度等于或者大于16.7km/s，就可以擺脫太陽(yáng)引力的束縛而邀游太空了。我們把v3=16.7km/s叫做第三宇宙速度（3）發(fā)射速度和衛(wèi)星繞地旋轉(zhuǎn)的速度是不是同一速度？發(fā)射速度大說(shuō)明什么？衛(wèi)星運(yùn)轉(zhuǎn)速度大又說(shuō)明什么？思考：（1）將衛(wèi)星送入低軌道和送入高軌道哪一個(gè)更容易？為什么？（2）所需要的發(fā)射速度，哪一個(gè)更大？為什么？克服地球引力做功【問(wèn)題７】

人造衛(wèi)星的發(fā)射速度與運(yùn)行速度有什么區(qū)別？學(xué)生思考并歸納：（1）發(fā)射速度：發(fā)射速度是指衛(wèi)星在地面附近離開(kāi)發(fā)射裝置的初速度，一旦發(fā)射后再無(wú)能量補(bǔ)充，要發(fā)射一顆人造地球衛(wèi)星，發(fā)射速度不能小于第一宇宙速度。（2）運(yùn)行速度：運(yùn)行速度指衛(wèi)星在進(jìn)入運(yùn)行軌道后繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)的線速度。當(dāng)衛(wèi)星“貼著”地面飛行時(shí)，運(yùn)行速度等于第一宇宙速度，當(dāng)衛(wèi)星的軌道半徑大于地球半徑時(shí)，運(yùn)行速度小于第一宇宙速度第一宇宙速度是最大速度還是最小的速度？

第一宇宙速度是最小的發(fā)射速度,也是最大的環(huán)繞速度

地球質(zhì)量為M，地球半徑為R，衛(wèi)星距地面高為h，衛(wèi)星質(zhì)量為m，試求衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的線速度v，角速度ω與周期T。隨h的增大v減小ω減小T增大人造衛(wèi)星的運(yùn)行規(guī)律：在何軌道上的衛(wèi)星線速度最大？是多少？在何軌道上的衛(wèi)星周期最短？是多少？近地衛(wèi)星線速度最大為7.9km/s，周期最小，為84分鐘提出思考：

高軌道上運(yùn)行的衛(wèi)星速度小，是否發(fā)射也容易呢？二、人造衛(wèi)星的發(fā)射：【問(wèn)題4】

怎樣才能使得一個(gè)物體繞著地球做圓周運(yùn)動(dòng)？【學(xué)生提出：】物體速度越大，射程越遠(yuǎn)，軌跡是拋物線；也有學(xué)生興奮地提出：只要速度足夠大，其射程足夠遠(yuǎn)，可繞地球一周；那就不落地了，不就成了人造衛(wèi)星了嗎？人類(lèi)航天始祖----萬(wàn)戶人類(lèi)航天的始祖是我國(guó)明朝的萬(wàn)戶。在15世紀(jì)的我國(guó)明朝早期，一位名叫“萬(wàn)戶”的官員，在一把椅子的背后裝上47支火箭。當(dāng)然，那是當(dāng)時(shí)能買(mǎi)到的最大的火箭。他自己坐在椅子上，并用繩子綁緊。兩手則各拿一個(gè)大風(fēng)箏。然后他要仆人將47支火箭同時(shí)點(diǎn)燃，想借用火箭的力量把他推向空中。這是美國(guó)人羅伯特·吉姆在1945年出版的《火箭與噴射》一書(shū)中的敘述。英國(guó)、德國(guó)和前蘇聯(lián)的一些火箭專家，在他們的著作中也提到或引用了這件事。可見(jiàn)，萬(wàn)戶是世界上公認(rèn)的“第一個(gè)嘗試?yán)没鸺M(jìn)行飛行的人”。為表彰他的功績(jī)，國(guó)際天文聯(lián)合會(huì)將月球上的一座環(huán)形山命名為“萬(wàn)戶”。夢(mèng)想成真航天科學(xué)的三位先驅(qū)

齊奧爾科夫斯基

于1903年發(fā)表了《利用噴氣工具研究宇宙空間》一文和以他的名字命名的公式，奠定了火箭和液體發(fā)動(dòng)機(jī)的理論基礎(chǔ)還證明了脫離地球引力必須使用多級(jí)火箭。

航天科學(xué)的三位先驅(qū)戈達(dá)德1926年他研制出世界上第一枚液體火箭航天科學(xué)的三位先驅(qū)

馮·布勞恩

第二次世界大戰(zhàn)時(shí)，納粹德國(guó)在波羅的海邊的佩內(nèi)明德建了一個(gè)秘密導(dǎo)彈工廠。馮·布勞恩帶領(lǐng)一批科學(xué)家在那里研制出現(xiàn)代導(dǎo)彈的鼻祖V-2。V-2導(dǎo)彈在二戰(zhàn)中被成批生產(chǎn)并用于實(shí)戰(zhàn)，主要用來(lái)轟炸倫敦。人類(lèi)遨游太空回顧

尤里·加加林

1961年4月12日，蘇聯(lián)宇航員尤里·加加林乘坐東方1號(hào)航天器，繞地球飛行108分鐘后，勝利地完成人類(lèi)歷史上第一次宇宙飛行的任務(wù)，使人類(lèi)遨游太空的夢(mèng)想終于變成現(xiàn)實(shí)。1963年6月16日駕駛宇宙飛船“東方6號(hào)”升空，作圍繞地球48圈的飛行，成為人類(lèi)第一位進(jìn)入太空的女性，并為此榮獲蘇聯(lián)英雄稱號(hào)。人類(lèi)遨游太空回顧人類(lèi)遨游太空回顧尼爾·阿姆斯特朗巴茲·奧爾德林1969年7月20日，美國(guó)宇航員巴茲·奧爾德林（如圖）和尼爾·阿姆斯特朗（頭盔中影像）乘“阿波羅”11號(hào)飛船首次登上月球。人類(lèi)遨游太空回顧布魯斯·麥坎德利斯1984年6月7日，美國(guó)航天飛機(jī)“挑戰(zhàn)者”號(hào)宇航員布魯斯·麥坎德利斯使用載人機(jī)動(dòng)裝置，離開(kāi)航天飛機(jī)320英尺，完成了人類(lèi)首次無(wú)安全索太空行走人類(lèi)遨游太空回顧蒂托2001年4月30日，第一位太空游客、美國(guó)人蒂托（中）快樂(lè)地進(jìn)入國(guó)際空間站，開(kāi)始了他為期一周的太空觀光生活。太空旅游的開(kāi)辟使得普通人也能夠像宇航員一樣暢游星際之間。人類(lèi)遨游太空回顧楊利偉2003年10月15日，中國(guó)自行研制的“神舟”五號(hào)載人飛船，在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空后，準(zhǔn)確進(jìn)入預(yù)定軌道，中國(guó)首位航天員楊利偉被順利送上太空。

一個(gè)人最完美和最強(qiáng)烈的情感來(lái)自面對(duì)不解之謎！-----愛(ài)因斯坦2005年10月12日—17日，神舟六號(hào)載人飛船經(jīng)過(guò)115小時(shí)32分的太空飛行，在完成我們真正意義上有人參與的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)后返航順利著陸，航天員費(fèi)俊龍、聶海勝安全返回。2008年9月25日21點(diǎn)10分，神舟七號(hào)載人航天飛船也成功發(fā)射。我國(guó)探月計(jì)劃

2004年－2007年

為“繞”的階段，主要目標(biāo)是發(fā)射“嫦娥一號(hào)”探測(cè)衛(wèi)星，對(duì)月球進(jìn)行為期1年的全球性、整體性和綜合性探測(cè)。

2007年－2012年

為“落”的階段，主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)月球表面軟著陸與月球巡視探測(cè)。

2012年－2017年

為“回”的階段，主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)月球表面軟著陸并采樣返回。

只有完成了這三個(gè)階段后，中國(guó)才有可能考慮和實(shí)施載人登月。小結(jié)：

一、衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力由萬(wàn)有引力提供:二、三種宇宙速度：

v1=7.9km/s．（會(huì)推導(dǎo)）

v2=11.2km/s

v3=16.7km/s

例1設(shè)地球的質(zhì)量不變,而地球半徑增加為原來(lái)的2倍,那么從地球發(fā)射的第一宇宙速度的大小應(yīng)為原來(lái)的()A.倍B.倍C?.倍D.2倍例2