《宇宙航行》的教學(xué)設(shè)計(jì)
一、設(shè)計(jì)思想
宇宙航行不但介紹了人造衛(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(wèn)題的物理方法。因此，本節(jié)課是“萬(wàn)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(wèn)題的理論基礎(chǔ)。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，增強(qiáng)民族自信心和自豪感。
學(xué)生已學(xué)過(guò)平拋運(yùn)動(dòng)、勻速圓周運(yùn)動(dòng)、萬(wàn)有引力定律等基本理論，具備了解決問(wèn)題的基本工具。
本節(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(wàn)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。
本節(jié)課的難點(diǎn)在于對(duì)人造衛(wèi)星原理的理解，因此教學(xué)設(shè)計(jì)上采用理論探究法，在設(shè)計(jì)中突出發(fā)揮學(xué)生的主體作用，課堂中通過(guò)設(shè)疑→思考→啟發(fā)→引導(dǎo)這樣一條主線，激發(fā)鼓勵(lì)學(xué)生的大膽思考、積極參與，讓學(xué)生通過(guò)自己的分析研究來(lái)掌握獲取相關(guān)的知識(shí)和方法。
二、教學(xué)目標(biāo)
�。ㄒ唬┲R(shí)和能力目標(biāo)
1．了解人造地球衛(wèi)星的有關(guān)知識(shí)和航天發(fā)展史。
2．知道三個(gè)宇宙速度的含義和數(shù)值，會(huì)推導(dǎo)第一宇宙速度。
3．理解衛(wèi)星的線速度、角速度、周期與軌道半徑的關(guān)系。
�。ǘ┻^(guò)程與方法目標(biāo)
1．在學(xué)習(xí)牛頓對(duì)衛(wèi)星發(fā)射的思考過(guò)程的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探索能力；培養(yǎng)學(xué)生在處理實(shí)際問(wèn)題時(shí)，如何構(gòu)建物理模型的能力。
2．通過(guò)對(duì)衛(wèi)星運(yùn)行的線速度、角速度、周期與軌道半徑的關(guān)系的討論，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用知識(shí)分析解決實(shí)際問(wèn)題的能力。
�。ㄈ┣楦袘B(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)
1．通過(guò)展示人類在宇宙航行領(lǐng)域中的.偉大成就，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的熱情。
2．通過(guò)介紹我國(guó)在航天方面的成就，激發(fā)學(xué)生的愛國(guó)熱情，增強(qiáng)民族自信心和自豪感。
3．感知人類探索宇宙的夢(mèng)想，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)重點(diǎn)
1．第一宇宙速度的推導(dǎo)。
2．衛(wèi)星運(yùn)行的線速度、角速度、周期與軌道半徑的關(guān)系。
四、教學(xué)難點(diǎn)
衛(wèi)星的發(fā)射速度與運(yùn)行速度的關(guān)系。
五、教學(xué)方法
探究、講授、討論。
六、教學(xué)準(zhǔn)備
多媒體。
七、教學(xué)過(guò)程
（一）引入新課
通過(guò)前面的學(xué)習(xí)我們知道了，人類通過(guò)站在地球上的觀測(cè)，認(rèn)識(shí)到了天體做什么樣的運(yùn)動(dòng)，并進(jìn)一步弄清了天體為什么要做這樣的運(yùn)動(dòng)。然而人類并不滿足于只站在地球上探索宇宙的奧秘。本節(jié)課，我們就來(lái)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。（利用幻燈片，向?qū)W生展示一些航天類的圖片，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。）
（二）推進(jìn)新課
牛頓的思考
探究：怎樣才能使得一個(gè)物體繞著地球做圓周運(yùn)動(dòng)？
先讓學(xué)生思考、討論，教師可根據(jù)學(xué)生情況引導(dǎo)學(xué)生思考。
我們知道，在地面上將一個(gè)物體水平拋出，若拋出時(shí)速度越大，則落地點(diǎn)距拋出點(diǎn)的水平距離越大。如果拋出速度很大時(shí)，我們還能將地面看作平面嗎？（不能）
早在16世紀(jì)道的牛頓就曾思考過(guò)這個(gè)問(wèn)題。（播放衛(wèi)星發(fā)射原理動(dòng)畫，并向?qū)W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(diǎn)就越遠(yuǎn)。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(yùn)動(dòng)，成為一顆人造地球衛(wèi)星。
宇宙速度
探究：以多大的速度發(fā)射這個(gè)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(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星呢？
1．第一宇宙速度
物體最終繞地球表面做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，引力為其做圓周運(yùn)動(dòng)提供向心力。
代入數(shù)據(jù)得v=7．9/s
這就是物體在地面附近做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的速度，叫做第一宇宙速度。
如果發(fā)射速度大于第一宇宙速度，結(jié)果會(huì)怎樣呢？
2．第二宇宙速度
當(dāng)拋出物體的速度繼續(xù)增大，地球引力將不足以為其做圓周運(yùn)動(dòng)提供向心力，物體將會(huì)脫離地球引力，離開地球。這個(gè)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(fā)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(yùn)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(huì)受到太陽(yáng)引力的束縛。若拋出的速度足夠大，物體還將脫離太陽(yáng)引力的束縛，飛向太陽(yáng)系之外的宇宙空間。這個(gè)速度v=16．7v/s。這個(gè)速度叫做第三宇宙速度。
衛(wèi)星運(yùn)行的線速度、角速度、周期與軌道半徑的關(guān)系。
探究：目前為止，人類發(fā)射的人造地球衛(wèi)星已經(jīng)有幾千顆了，這些衛(wèi)星運(yùn)行的快慢不同，那么衛(wèi)星運(yùn)行的快慢與什么因素有關(guān)呢？
學(xué)生可能的答案：質(zhì)量、軌道半徑……
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)，則有
可得：
結(jié)論：線速度、角速度、周期都與衛(wèi)星的質(zhì)量無(wú)關(guān)，僅由軌道半徑?jīng)Q定。
當(dāng)衛(wèi)星環(huán)繞地球表面運(yùn)行時(shí)，軌道半徑最小為地球半徑（r=R），此時(shí)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(wèi)星繞地球運(yùn)行的最大速度為7．9/s。
人造衛(wèi)星的發(fā)射速度與運(yùn)行速度
�。úシ沛隙鹨惶�(hào)發(fā)射的模擬視頻，讓學(xué)生了解衛(wèi)星發(fā)射的全過(guò)程，學(xué)生也將對(duì)發(fā)射速度和運(yùn)行速度有一個(gè)了解。）
1．發(fā)射速度
發(fā)射速度是指衛(wèi)星在地面附近離開發(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。
夢(mèng)想成真
學(xué)生先閱讀，然后教師簡(jiǎn)述補(bǔ)充。（借助于多媒體，一邊向?qū)W生展示，一邊介紹，注意情感態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。）
其實(shí)早在六百多年前的明朝，一個(gè)名叫萬(wàn)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(wàn)戶是世界上第一個(gè)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(chuàng)想是世界上第一個(gè)，因此他被世界公認(rèn)為“真正的航天始祖”，為了紀(jì)念這位世界航天始祖，世界科學(xué)家將月球上的一座環(huán)形火山命名為“萬(wàn)戶山”。
19世紀(jì)中葉，俄羅斯學(xué)者，齊奧爾科夫斯基，提出利用噴氣推進(jìn)的多級(jí)火箭，運(yùn)載發(fā)射衛(wèi)星。
19xx年10月4日，世界上第一顆人造衛(wèi)星成功在蘇聯(lián)發(fā)射成功。
19xx年4月12日，世界上第一次載人飛行，蘇聯(lián)。
19xx年7月16日，人類第一次登上月球，美國(guó)。
10xx年，中國(guó)第一顆人造衛(wèi)星發(fā)射成功。
20xx年10月15日，中國(guó)第一次載人飛行。
20xx年，嫦娥一號(hào)成功發(fā)射。
然而人類對(duì)宇宙的探索并不是一帆風(fēng)順的，無(wú)數(shù)探索者用自己的汗水和生命鋪設(shè)了人類通往宇宙的道路。
19xx年1月28日，美國(guó)，挑戰(zhàn)者號(hào)航天飛機(jī)升空后爆炸，七名宇航員遇難。
20xx年2月1日，美國(guó)，哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)返航時(shí)爆炸，七名宇航員遇難。
（三）課堂小結(jié)
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，地球和月亮不過(guò)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(guò)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(wèn)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？這些都是留給大家待以解決的問(wèn)題。
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