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視頻標簽：宇宙航行
所屬欄目：高中物理優質課視頻
視頻課題：高中物理人教版必修二的第六章第五節《宇宙航行》遼寧省優課
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高中物理人教版必修二的第六章第五節《宇宙航行》遼寧省優課
宇宙航行教學設計
一、教材分析
《宇宙航行》為高中物理人教版必修2第六章第五節，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重要實例，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學知識的一個極好素材。教材不但介紹了人造衛星中的一些基本理論，更在其中滲透了很多研究實際物理問題的物理方法。學生通過行星的運動一節已經知道了行星的運動規律，因此在分析人造衛星的運動學特點和動力學特點可采取類比的方法，從而進一步理解應用萬有引力定律分析天體運動的方法。因此，本節屬于航天部分的重要知識，是學生進一步學習、研究、探索天體物理問題的理論基礎。另外，學生通過對人類在宇宙航行領域中的偉大成就及我國在航天領域成就的了解，也將潛移默化地產生對航天科學的熱愛，增強學生的民族自信心和自豪感。
二、教學目標 1、知識與技能
（1）了解人造地球衛星的最初構想。
（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）了解同步衛星的特點，掌握衛星變軌問題的處理方法。 2、過程與方法
（1）經歷探究人造衛星由設想變成現實的過程，體會猜想、外推的科學方法，對學生科學價值觀的形成起到了一定的作用。
（2）經歷對衛星變軌問題的研究，對歸納、分析、推導及表達能力的形成起到了促進作用。
3、情感態度與價值觀
（1）感受人類探索宇宙的夢想及巨大成就，參透愛國主義教育，樹立獻身科學的人生觀和價值觀。
（2）認識到天體運動問題實質是牛頓第二定律的應用，能對已有知識進行組織和歸類，學會構建知識體系。
三、教學方法
“問題-探究”教學，啟發式教學，多媒體輔助教學。
四、教學重點難點
（1）第一宇宙速度的推導，了解第二、第三宇宙速度。 （2）衛星變軌問題的研究，發射速度與軌道半徑之間的關系。 （3）人造衛星運行速度與衛星發射速度的區別。
五、學情分析
從學生年齡特征來看，學生處于高一年級，17歲已經對本節知識有一定的接受能力，但比較起成年人來還不及，尤其是對知識體系條理性掌握，對易混淆知識的辨別能力還欠缺。從學生的知識基礎來看，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。因此教案設計上采用“問題-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
六、課前準備
學生的學習準備：預習人造衛星的發射、第一宇宙速度的計算。 (1)通過網絡查閱有關“牛頓對發射人造衛星的理論設想”。 (2)通過網絡查閱有關“人類航天事業的發展史”。
(3)通過網絡查閱有關“神州五號、六號、七號載人飛船”的發射和運行情況。 教師的教學準備：多媒體課件制作，提前兩天布置學習任務
七、課時安排
1課時
八、教學過程 （一）引入新課
教師：探索宇宙的奧秘，奔向廣闊而遙遠的太空，是人類自古以來的夢想，從古代神話傳說的嫦娥奔月到明代學者萬戶飛天，以及哈利布特電影里騎著掃把的巫師們，他們都有同一個夢想，那就是飛天夢。播放嫦娥一號點火發射視頻片段： [百度搜索]：http://www.tudou.com/programs/view/1y2SaKkgPy8/
本節課，我們就來學習將地表面物體發射出去，通過不斷的變軌，到達最終的運行速度。
（二）發射
1、引導學生猜想、提出“設想”。
教師：假設地球上有一個無障礙的高速汽車通道，這輛汽車可以以任意v運動，我們來思考一下，這輛汽車有沒有可能成為一顆衛星，將其發射出去呢？ 學生：思考并回答
教師引領：同學們回答的很好，能夠從供求關系作以解答。地球本身是一個球體，從宏觀來看，汽車在做圓周運動，對運動加以分析之后，從動力學的角度來看，
圓周運動滿足怎樣的動力學特征呢？對汽車進行受力分析， 速度越大，地面對汽車的支持力越小，當汽車達到一定值時，支持力為0，此時汽車剛要離開地球表面，成為一顆衛星，剛才的假設是可以成立的。 2、三種宇宙速度
教師：如果給你地球的質量，引力常量，地球的半徑，地球表面的重力加速度，同學們能不能去試著求出剛才那輛汽車的速度是多大呢？ 學生自主推導：
問題一：已知Ｇ=6.67×10-11Nm2/kg2 , 地球質量M=5.89×1024kg, 地球半徑R=6400km,地球表面的重力加速度g=9.8m/s2，求此時汽車的速度是多少？
Rvm
RMmG2
2 RGMv 代入數據得v=7.9km/s
忽略地球自轉，重力提供物體作圓周運動的向心力
gRv
萬有引力提供物體作圓周運動的向心力 代入數據得v=7.9km/s
教師：那么同學們會不會有這樣的顧慮呢？有一天我們乘坐的汽車開著開著就變成一顆衛星，繞地球做勻速率圓周運動了？ 學生：不會，我們乘坐的汽車速度太小了。
教師：確實如此，7.9km/s等于28440km/h，我們乘坐的汽車是不能成為一顆衛星的。
教師提出問題：那么如果衛星的發射速度比7.9km/s大點了，又會怎么樣呢？請同學們閱讀教材中間的部分，說說你學到了什么？ 學生閱讀并回答：
如果衛星的發射速度比7.9km/s大一點，地球的引力將不足以為其提供做圓周運動的向心力，先做離心運動，最終繞地球運動的軌跡是橢圓而不是圓。若物體的發射速度達到或超過11.2km/s時，物體將擺脫地球引力的束縛，離開地球。我們把11.2km/s這個速度稱為第二宇宙速度。
如果發射物體的速度更大，達到或超過16.7km/s時，物體還將脫離太陽引力的束縛，飛向太陽系之外宇宙空間，我們把16.7km/s這個速度稱為第三宇宙速度。 教師演示：利用多媒體為同學們演示物體發射速度小于7.9km/s、等于7.9km/s、7.9km/s——11.2km/s之間以及大于11.2km/s物體運動的軌跡。
教師總結：通過上面的學習，我們知道了要想發射一顆衛星發射速度不小于7.9km/s，也就是說7.9km/s是最小的發射速度。觀察表格中數據可知，發射速度越大，物體飛的越高，最終的軌道半徑越大。牛頓在1687年出版的《自然哲學的數學原理》中就是這樣設想的。 （三）衛星的變軌問題
教師：第一個問題我們探究的很清晰了，我們來處理第二個問題，衛星的變軌問題。通過剛才的視頻，我們看到了發射出去的衛星要到達最終的運行軌道，需要很多次變軌，可以簡化為如下模型
(1) 衛星在圓形軌道運行時，
rvmrGMm2
2
與 關系如何？ (2) 衛星在變軌點
rvmrGMm2
2
與關系如何？
(3) 試著去比較一下4321vvvv、、、的大小關系？ 學生探究總結：圓形軌道供等于求，變軌點供大于求 教師適當補充：
(1)第一次變軌點火加速，12vv ， 在橢圓軌道上32vv，第二次變軌點火加速
34vv，在圓形運行軌道上運行41vv
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，被發射物體僅依靠自己的初動能克服地球引力上升一定的高度，進入運行軌道。
運行速度是指衛星在進入軌道后繞地球運行的線速度。半徑越大，運行速度越小。 所以7.9km/s既是衛星最小的發射速度也是最大的運行速度。 （四）遷移拓展
地球同步衛星是人為發射的一種衛星，它相對于地球靜止于赤道上空。從地球之外看，衛星與地球共同轉動，角速度與地球自轉角速度相同，故稱地球同步衛星，設地球表面的重力加速度為g，地球半徑為R，請大家根據所學知識估算它的軌道高度。
（五）夢想成真
學生閱讀并匯報通過網絡查閱的人類航天發展史中的主要標志性事件： (1)1957年10月4日晚：蘇聯成功發射第一顆人造地球衛星
(2)1961年4月12日：蘇聯27歲的宇航員尤里·加加林 乘坐“東方”號宇宙飛船環繞地球一周，成為飛出地球大氣層進入外層空間的第一人
(3)1969年7月20日：美國“阿波羅”11號上的宇航員奧爾德林、阿姆斯特朗登上月球，人類第一次將足跡留在地球以外的星球上。
(4)2003年10月15日9時整，我國自行研制的“神舟”五號載人飛船在中國酒泉衛星發射中心發射升空。這是中國首次進行載人航天飛行。乘坐“神舟”五號載人飛船執行任務的航天員是38歲的楊利偉。 （六）課堂小結（學生總結）
(1)通過本節課的學習你學習了哪些知識？ (2)通過本節課的學習你最大的體驗是什么？ (3)通過本節課的學習你學會了哪些學習物理的方法？ （七）布置作業
(1)求在地球上發射一顆近地衛星的周期
(2)閱讀教科書P46的科學漫步“黑洞”及P43中STS“航天事業改變著人類生活”。
(3)上網查閱：人造衛星的種類及同步衛星的含義和特點 九、板書設計
宇宙航行
一、發射 二、變軌
Rvm
R
MmG22 rvmr
GMm2
2
與 十、教學反思
本節課能始終以學生為主體精心設計學習活動，充分利用好網絡資源創設教學情境，調動學生的學習興趣，及時把握時機，提問、啟發、誘導、點撥，激發鼓勵學生積極參與，大膽猜想，合作交流，探索研究，經歷體驗了研究人造衛星發射原理相似的“再發現”過程，引導學生自主推導了第一宇宙速度，并了解三種宇宙速度的含義。在教師的層層設問中，學生自己分析體會人造衛星的變軌特點。整節課學生都處于問題情境當中，在協作、會話交流過程中逐個解決需要學習的問題，最終圓滿完成教學任務。但由于教學時間的限制及教學定位的問題，本節課沒有就衛星的運行問題進行復習，以及沒有對衛星的種類做詳細的介紹，有待在后繼課程中解決。
第六章萬有引力與航天
宇宙航行導學案
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【學習目標】 知識與技能 （1）了解人造地球衛星的最初構想。 （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）了解同步衛星的特點，掌握衛星變軌問題的處理方法。 過程與方法 （1）經歷探究人造衛星由設想變成現實的過程，體會猜想、外推的科學方法，對學生科學價值觀的形成起到了一定的作用。 （2）經歷對衛星變軌問題的研究，對歸納、分析、推導及表達能力的形成起到了促進作用。 情感態度與價值觀 （1）感受人類探索宇宙的夢想及巨大成就，參透愛國主義教育，樹立獻身科學的人生觀和價值觀。 （2）認識到天體運動問題實質是牛頓第二定律的應用，能對已有知識進行組織和歸類，學會構建知識體系。 |
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【學習重點】 1、知道三個宇宙速度的含義和數值，會推導第一宇宙速度。 2、衛星變軌問題的研究，發射速度與軌道半徑之間的關系。 |
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【學習難點】 人造衛星運行速度與衛星發射速度的區別 |
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【學習課時】 1課時 |
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【學習過程】 引入新課 思考：假設地球上有一個無障礙的高速汽車通道，這輛汽車可以以任意v運動，我們來思考一下，這輛汽車有沒有可能成為一顆衛星，將其發射出去呢？ 結論________________________________________________________________ 1、三種宇宙速度 已知Ｇ=6.67×10-11Nm2/kg2 , 地球質量M=5.89×1024kg, 地球半徑R=6400km,地球表面的重力加速度g=9.8m/s2，求此時汽車的速度是多少？
1、衛星在圓形軌道運行時，  關系如何？2、衛星在變軌點 關系如何？3、試著去比較一下  的大小關系？總結：什么是發射速度？發射速度與軌道半徑的關系？ 什么是運行速度？運行速度和軌道半徑的關系？ 【遷移拓展】 地球同步衛星是人為發射的一種衛星，它相對于地球靜止于赤道上空。從地球之外看，衛星與地球共同轉動，角速度與地球自轉角速度相同，故稱地球同步衛星，設地球表面的重力加速度為g，地球半徑為R，請大家根據所學知識估算它的軌道高度。 【學以致用】 例題1. 關于第一宇宙的速度，下面說法正確的是（ ） A．它是人造地球衛星繞地球飛行的最小速度 B．它是人造地球衛星在近地圓軌道上的運行速度 C．它是能使衛星進入近地圓形軌道的最小發射速度 D．它是衛星在橢圓軌道上運動時近地點的速度 例題2．關于宇宙速度，下列說法正確的是（ ） A．第一宇宙速度是能使人造地球衛星繞地球飛行的最小發射速度 B．第一宇宙速度是人造地球衛星繞地球飛行的最小速度 C．第二宇宙速度是衛星在橢圓軌道上運行時近地點的速度 D．第三宇宙速度是發射人造地球衛星的最小速度 例題3：1970年4月25日18點，新華社授權向全世界宣布：1970年4月24日，中國成功地發射了第一顆人造衛星，衛星向全世界播送“東方紅”樂曲。已知衛星繞地球一圈所用時間T=114分鐘，地球半徑R=6400km，地球質量M=6×1024kg。試估算這顆衛星的離地平均高度。 |
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