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视频课题：高中物理人教版必修二的第六章第五节《宇宙航行》辽宁省优课
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高中物理人教版必修二的第六章第五节《宇宙航行》辽宁省优课
宇宙航行教学设计
一、教材分析
《宇宙航行》为高中物理人教版必修2第六章第五节，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重要实例，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学知识的一个极好素材。教材不但介绍了人造卫星中的一些基本理论，更在其中渗透了很多研究实际物理问题的物理方法。学生通过行星的运动一节已经知道了行星的运动规律，因此在分析人造卫星的运动学特点和动力学特点可采取类比的方法，从而进一步理解应用万有引力定律分析天体运动的方法。因此，本节属于航天部分的重要知识，是学生进一步学习、研究、探索天体物理问题的理论基础。另外，学生通过对人类在宇宙航行领域中的伟大成就及我国在航天领域成就的了解，也将潜移默化地产生对航天科学的热爱，增强学生的民族自信心和自豪感。
二、教学目标 1、知识与技能
（1）了解人造地球卫星的最初构想。
（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）了解同步卫星的特点，掌握卫星变轨问题的处理方法。 2、过程与方法
（1）经历探究人造卫星由设想变成现实的过程，体会猜想、外推的科学方法，对学生科学价值观的形成起到了一定的作用。
（2）经历对卫星变轨问题的研究，对归纳、分析、推导及表达能力的形成起到了促进作用。
3、情感态度与价值观
（1）感受人类探索宇宙的梦想及巨大成就，参透爱国主义教育，树立献身科学的人生观和价值观。
（2）认识到天体运动问题实质是牛顿第二定律的应用，能对已有知识进行组织和归类，学会构建知识体系。
三、教学方法
“问题-探究”教学，启发式教学，多媒体辅助教学。
四、教学重点难点
（1）第一宇宙速度的推导，了解第二、第三宇宙速度。 （2）卫星变轨问题的研究，发射速度与轨道半径之间的关系。 （3）人造卫星运行速度与卫星发射速度的区别。
五、学情分析
从学生年龄特征来看，学生处于高一年级，17岁已经对本节知识有一定的接受能力，但比较起成年人来还不及，尤其是对知识体系条理性掌握，对易混淆知识的辨别能力还欠缺。从学生的知识基础来看，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。因此教案设计上采用“问题-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
六、课前准备
学生的学习准备：预习人造卫星的发射、第一宇宙速度的计算。 (1)通过网络查阅有关“牛顿对发射人造卫星的理论设想”。 (2)通过网络查阅有关“人类航天事业的发展史”。
(3)通过网络查阅有关“神州五号、六号、七号载人飞船”的发射和运行情况。 教师的教学准备：多媒体课件制作，提前两天布置学习任务
七、课时安排
1课时
八、教学过程 （一）引入新课
教师：探索宇宙的奥秘，奔向广阔而遥远的太空，是人类自古以来的梦想，从古代神话传说的嫦娥奔月到明代学者万户飞天，以及哈利布特电影里骑着扫把的巫师们，他们都有同一个梦想，那就是飞天梦。播放嫦娥一号点火发射视频片段： [百度搜索]：http://www.tudou.com/programs/view/1y2SaKkgPy8/
本节课，我们就来学习将地表面物体发射出去，通过不断的变轨，到达最终的运行速度。
（二）发射
1、引导学生猜想、提出“设想”。
教师：假设地球上有一个无障碍的高速汽车通道，这辆汽车可以以任意v运动，我们来思考一下，这辆汽车有没有可能成为一颗卫星，将其发射出去呢？ 学生：思考并回答
教师引领：同学们回答的很好，能够从供求关系作以解答。地球本身是一个球体，从宏观来看，汽车在做圆周运动，对运动加以分析之后，从动力学的角度来看，
圆周运动满足怎样的动力学特征呢？对汽车进行受力分析， 速度越大，地面对汽车的支持力越小，当汽车达到一定值时，支持力为0，此时汽车刚要离开地球表面，成为一颗卫星，刚才的假设是可以成立的。 2、三种宇宙速度
教师：如果给你地球的质量，引力常量，地球的半径，地球表面的重力加速度，同学们能不能去试着求出刚才那辆汽车的速度是多大呢？ 学生自主推导：
问题一：已知Ｇ=6.67×10-11Nm2/kg2 , 地球质量M=5.89×1024kg, 地球半径R=6400km,地球表面的重力加速度g=9.8m/s2，求此时汽车的速度是多少？
Rvm
RMmG2
2 RGMv 代入数据得v=7.9km/s
忽略地球自转，重力提供物体作圆周运动的向心力
gRv
万有引力提供物体作圆周运动的向心力 代入数据得v=7.9km/s
教师：那么同学们会不会有这样的顾虑呢？有一天我们乘坐的汽车开着开着就变成一颗卫星，绕地球做匀速率圆周运动了？ 学生：不会，我们乘坐的汽车速度太小了。
教师：确实如此，7.9km/s等于28440km/h，我们乘坐的汽车是不能成为一颗卫星的。
教师提出问题：那么如果卫星的发射速度比7.9km/s大点了，又会怎么样呢？请同学们阅读教材中间的部分，说说你学到了什么？ 学生阅读并回答：
如果卫星的发射速度比7.9km/s大一点，地球的引力将不足以为其提供做圆周运动的向心力，先做离心运动，最终绕地球运动的轨迹是椭圆而不是圆。若物体的发射速度达到或超过11.2km/s时，物体将摆脱地球引力的束缚，离开地球。我们把11.2km/s这个速度称为第二宇宙速度。
如果发射物体的速度更大，达到或超过16.7km/s时，物体还将脱离太阳引力的束缚，飞向太阳系之外宇宙空间，我们把16.7km/s这个速度称为第三宇宙速度。 教师演示：利用多媒体为同学们演示物体发射速度小于7.9km/s、等于7.9km/s、7.9km/s——11.2km/s之间以及大于11.2km/s物体运动的轨迹。
教师总结：通过上面的学习，我们知道了要想发射一颗卫星发射速度不小于7.9km/s，也就是说7.9km/s是最小的发射速度。观察表格中数据可知，发射速度越大，物体飞的越高，最终的轨道半径越大。牛顿在1687年出版的《自然哲学的数学原理》中就是这样设想的。 （三）卫星的变轨问题
教师：第一个问题我们探究的很清晰了，我们来处理第二个问题，卫星的变轨问题。通过刚才的视频，我们看到了发射出去的卫星要到达最终的运行轨道，需要很多次变轨，可以简化为如下模型
(1) 卫星在圆形轨道运行时，
rvmrGMm2
2
与 关系如何？ (2) 卫星在变轨点
rvmrGMm2
2
与关系如何？
(3) 试着去比较一下4321vvvv、、、的大小关系？ 学生探究总结：圆形轨道供等于求，变轨点供大于求 教师适当补充：
(1)第一次变轨点火加速，12vv ， 在椭圆轨道上32vv，第二次变轨点火加速
34vv，在圆形运行轨道上运行41vv
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，被发射物体仅依靠自己的初动能克服地球引力上升一定的高度，进入运行轨道。
运行速度是指卫星在进入轨道后绕地球运行的线速度。半径越大，运行速度越小。 所以7.9km/s既是卫星最小的发射速度也是最大的运行速度。 （四）迁移拓展
地球同步卫星是人为发射的一种卫星，它相对于地球静止于赤道上空。从地球之外看，卫星与地球共同转动，角速度与地球自转角速度相同，故称地球同步卫星，设地球表面的重力加速度为g，地球半径为R，请大家根据所学知识估算它的轨道高度。
（五）梦想成真
学生阅读并汇报通过网络查阅的人类航天发展史中的主要标志性事件： (1)1957年10月4日晚：苏联成功发射第一颗人造地球卫星
(2)1961年4月12日：苏联27岁的宇航员尤里·加加林 乘坐“东方”号宇宙飞船环绕地球一周，成为飞出地球大气层进入外层空间的第一人
(3)1969年7月20日：美国“阿波罗”11号上的宇航员奥尔德林、阿姆斯特朗登上月球，人类第一次将足迹留在地球以外的星球上。
(4)2003年10月15日9时整，我国自行研制的“神舟”五号载人飞船在中国酒泉卫星发射中心发射升空。这是中国首次进行载人航天飞行。乘坐“神舟”五号载人飞船执行任务的航天员是38岁的杨利伟。 （六）课堂小结（学生总结）
(1)通过本节课的学习你学习了哪些知识？ (2)通过本节课的学习你最大的体验是什么？ (3)通过本节课的学习你学会了哪些学习物理的方法？ （七）布置作业
(1)求在地球上发射一颗近地卫星的周期
(2)阅读教科书P46的科学漫步“黑洞”及P43中STS“航天事业改变着人类生活”。
(3)上网查阅：人造卫星的种类及同步卫星的含义和特点 九、板书设计
宇宙航行
一、发射 二、变轨
Rvm
R
MmG22 rvmr
GMm2
2
与 十、教学反思
本节课能始终以学生为主体精心设计学习活动，充分利用好网络资源创设教学情境，调动学生的学习兴趣，及时把握时机，提问、启发、诱导、点拨，激发鼓励学生积极参与，大胆猜想，合作交流，探索研究，经历体验了研究人造卫星发射原理相似的“再发现”过程，引导学生自主推导了第一宇宙速度，并了解三种宇宙速度的含义。在教师的层层设问中，学生自己分析体会人造卫星的变轨特点。整节课学生都处于问题情境当中，在协作、会话交流过程中逐个解决需要学习的问题，最终圆满完成教学任务。但由于教学时间的限制及教学定位的问题，本节课没有就卫星的运行问题进行复习，以及没有对卫星的种类做详细的介绍，有待在后继课程中解决。
第六章万有引力与航天
宇宙航行导学案
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【学习目标】 知识与技能 （1）了解人造地球卫星的最初构想。 （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）了解同步卫星的特点，掌握卫星变轨问题的处理方法。 过程与方法 （1）经历探究人造卫星由设想变成现实的过程，体会猜想、外推的科学方法，对学生科学价值观的形成起到了一定的作用。 （2）经历对卫星变轨问题的研究，对归纳、分析、推导及表达能力的形成起到了促进作用。 情感态度与价值观 （1）感受人类探索宇宙的梦想及巨大成就，参透爱国主义教育，树立献身科学的人生观和价值观。 （2）认识到天体运动问题实质是牛顿第二定律的应用，能对已有知识进行组织和归类，学会构建知识体系。 |
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【学习重点】 1、知道三个宇宙速度的含义和数值，会推导第一宇宙速度。 2、卫星变轨问题的研究，发射速度与轨道半径之间的关系。 |
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【学习难点】 人造卫星运行速度与卫星发射速度的区别 |
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【学习课时】 1课时 |
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【学习过程】 引入新课 思考：假设地球上有一个无障碍的高速汽车通道，这辆汽车可以以任意v运动，我们来思考一下，这辆汽车有没有可能成为一颗卫星，将其发射出去呢？ 结论________________________________________________________________ 1、三种宇宙速度 已知Ｇ=6.67×10-11Nm2/kg2 , 地球质量M=5.89×1024kg, 地球半径R=6400km,地球表面的重力加速度g=9.8m/s2，求此时汽车的速度是多少？
1、卫星在圆形轨道运行时，  关系如何？2、卫星在变轨点 关系如何？3、试着去比较一下  的大小关系？总结：什么是发射速度？发射速度与轨道半径的关系？ 什么是运行速度？运行速度和轨道半径的关系？ 【迁移拓展】 地球同步卫星是人为发射的一种卫星，它相对于地球静止于赤道上空。从地球之外看，卫星与地球共同转动，角速度与地球自转角速度相同，故称地球同步卫星，设地球表面的重力加速度为g，地球半径为R，请大家根据所学知识估算它的轨道高度。 【学以致用】 例题1. 关于第一宇宙的速度，下面说法正确的是（ ） A．它是人造地球卫星绕地球飞行的最小速度 B．它是人造地球卫星在近地圆轨道上的运行速度 C．它是能使卫星进入近地圆形轨道的最小发射速度 D．它是卫星在椭圆轨道上运动时近地点的速度 例题2．关于宇宙速度，下列说法正确的是（ ） A．第一宇宙速度是能使人造地球卫星绕地球飞行的最小发射速度 B．第一宇宙速度是人造地球卫星绕地球飞行的最小速度 C．第二宇宙速度是卫星在椭圆轨道上运行时近地点的速度 D．第三宇宙速度是发射人造地球卫星的最小速度 例题3：1970年4月25日18点，新华社授权向全世界宣布：1970年4月24日，中国成功地发射了第一颗人造卫星，卫星向全世界播送“东方红”乐曲。已知卫星绕地球一圈所用时间T=114分钟，地球半径R=6400km，地球质量M=6×1024kg。试估算这颗卫星的离地平均高度。 |
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