物理《人造衛(wèi)星 宇宙速度》教學(xué)設(shè)計(jì)

1、物理：人造衛(wèi)星宇宙速度教學(xué)設(shè)計(jì)北京服裝學(xué)院附中物理組吳愛(ài)兄一、設(shè)計(jì)基本理念與特點(diǎn) 學(xué)科教學(xué)活動(dòng)要以學(xué)生為主體，促進(jìn)學(xué)生知識(shí)、技能、品德三維一體的全面發(fā)展。在本節(jié)課之前，學(xué)生已掌握了平拋運(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。教材中把理解人造衛(wèi)星的發(fā)射原理作為重點(diǎn)與難點(diǎn)，但是根據(jù)新課程的教學(xué)理念主要是培養(yǎng)學(xué)生分析為題解決問(wèn)題的能力，而且近幾年的高考也將人造衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)分析作為重點(diǎn)。所以在本屆課的教學(xué)設(shè)計(jì)中，筆者大膽的改變傳統(tǒng)的教材思路，先分析人造衛(wèi)星的運(yùn)行特點(diǎn)，在解釋人造衛(wèi)星的發(fā)射原理。因此課堂中對(duì)人造衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)主要采?。悍治霈F(xiàn)象發(fā)現(xiàn)規(guī)律思考原

2、理解釋問(wèn)題的思路，對(duì)于人造衛(wèi)星的發(fā)射原理主要采?。涸O(shè)疑思考啟發(fā)引導(dǎo)這樣一條主線(xiàn)，在設(shè)計(jì)中突出發(fā)揮學(xué)生的主體作用，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)背景分析 （1）教材分析 人造衛(wèi)星  宇宙速度系新課程教課版必修2第三章第4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)非常重要實(shí)例，是人類(lèi)征服自然的見(jiàn)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

3、多研究實(shí)際物理問(wèn)題的物理方法。學(xué)生通過(guò)行星的運(yùn)動(dòng)一節(jié)已經(jīng)知道了行星的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，因此在分析人造衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)學(xué)特點(diǎn)，和動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)可采取類(lèi)比的方法，近而進(jìn)一步理解應(yīng)用萬(wàn)有引力定律分析天體運(yùn)動(dòng)的方法。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、探索天體物理問(wèn)題的理論基礎(chǔ)。另外，學(xué)生通過(guò)對(duì)人類(lèi)在宇宙航行領(lǐng)域中的偉大成就及我國(guó)在航天領(lǐng)域成就的了解，增強(qiáng)學(xué)生的民族自信心和自豪感。 （2）學(xué)情分析 學(xué)生已掌握了運(yùn)動(dòng)的合成與分解、牛頓運(yùn)動(dòng)定律、圓周運(yùn)動(dòng)等章節(jié)的理論。并在本章之前學(xué)習(xí)了天體的運(yùn)動(dòng)，和萬(wàn)有引力定律的知識(shí)，能運(yùn)用萬(wàn)有引力定律揭示一些天體運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)。學(xué)生可

4、以類(lèi)比行星運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)原理自己分析人造衛(wèi)星的規(guī)律。另外學(xué)生也可以利用前面的知識(shí)和對(duì)宇宙奧秘的好奇心來(lái)探索人造衛(wèi)星的發(fā)射及宇宙速度。學(xué)生可以通過(guò)聯(lián)想上一章所學(xué)的對(duì)平拋物體的運(yùn)動(dòng)的處理方法來(lái)探究牛頓的思考，以地心為參考系平拋出去的物體從空間運(yùn)動(dòng)效果上可分解為指向地心的自由落體運(yùn)動(dòng)和繞地心的勻速圓周運(yùn)動(dòng)。而這兩個(gè)分運(yùn)動(dòng)都是變速度運(yùn)動(dòng)，它們都需要一個(gè)指向地心的力來(lái)維持它們各自的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。因此萬(wàn)有引力就有要改變兩個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的效果，即要既要產(chǎn)生自由落體加速度又要產(chǎn)生向加速度。當(dāng)萬(wàn)有引力只能提供向心力時(shí)，自由落體加速度就變成零，這樣平拋出去的物體就落不下來(lái)了，從而得到第一宇宙速度。再根據(jù)圓周運(yùn)動(dòng)和機(jī)械運(yùn)動(dòng)的知

5、識(shí)可知道速度再大一些會(huì)做橢圓運(yùn)動(dòng)或擺脫地球?qū)λ募s束。這樣，人們就可以到更遠(yuǎn)的地方去探索宇宙的奧秘了 （3）教學(xué)重點(diǎn)，難點(diǎn) 教學(xué)重點(diǎn)： 衛(wèi)星運(yùn)行的動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)規(guī)律，第一宇宙速度的推導(dǎo)。 教學(xué)難點(diǎn)： ·衛(wèi)星的運(yùn)行速度與發(fā)射速度的區(qū)別； ·第一宇宙速度是衛(wèi)星發(fā)射的最小速度，是衛(wèi)星運(yùn)行的最大速度。 三、教學(xué)目標(biāo) （一）知識(shí)與技能 （1）了解人造衛(wèi)星的有關(guān)知識(shí) （2）分析人造衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 （3）掌握三個(gè)宇宙速度的物理意義， （4）會(huì)推導(dǎo)第一宇宙速度； （

6、5）簡(jiǎn)單了解航天發(fā)展史； （6）能用所學(xué)知識(shí)求解衛(wèi)星基本問(wèn)題。 （二）過(guò)程與方法 （1）培養(yǎng)學(xué)生觀(guān)察數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)的能力； （2）培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)推理、探索能力； （3）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； （4）學(xué)習(xí)科學(xué)的思維方法培養(yǎng)學(xué)生歸納、分析和推導(dǎo)及合理表達(dá)能力。 （三）情感態(tài)度與價(jià)值觀(guān) 介紹世界及我國(guó)航天事業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，激發(fā)學(xué)習(xí)科學(xué)，熱愛(ài)科學(xué)的激情，增強(qiáng)民族自信心和自豪感。 【教學(xué)方式】 演示、講授、合作交流。 【教學(xué)手段】 多媒體設(shè)備、清華同方

7、物理課件。 四、教學(xué)過(guò)程與教學(xué)資源設(shè)計(jì) 第一環(huán)節(jié)：新課引入 教師：（ppt 關(guān)于嫦娥奔月，萬(wàn)戶(hù)，宇宙蒼穹的圖片 ） 有一個(gè)傳說(shuō)凄慘而美麗，有一個(gè)假設(shè)大膽但無(wú)知，有一種追求幾代人一直在繼續(xù) 學(xué)生：欣賞圖片。 教師：仰望星空，浩瀚的宇宙蒼穹給人以無(wú)限遐想，千百年來(lái)，人類(lèi)一直向往能插上翅膀飛出地球，去探索宇宙的奧秘，李白的“俱懷逸興壯思飛，欲上青天攬明月”是怎樣的一種豪情？到今天這一夢(mèng)想實(shí)現(xiàn)了嗎？ 學(xué)生：實(shí)現(xiàn)了。（激起學(xué)生興趣） 教師：世界上第一顆人造衛(wèi)星的發(fā)射，揭開(kāi)了人類(lèi)探索宇宙的新篇章。 提問(wèn)（1）：1世界

8、上第一顆人造衛(wèi)星是哪一年由哪一國(guó)家發(fā)射的？ 2我國(guó)哪一年發(fā)射了自己的人造衛(wèi)星？ 3迄今我國(guó)共發(fā)射了多少顆人造衛(wèi)星？ 學(xué)生：踴躍回答 教師：從1970年4月24日東方紅一號(hào)的成功發(fā)射，到2007年10月24日嫦娥一號(hào)發(fā)射 我國(guó)發(fā)射人造衛(wèi)星和其他探測(cè)器60多個(gè)，他們分別在通信，氣象，探測(cè)，導(dǎo)航等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。 （通過(guò)展示圖片介紹我國(guó)發(fā)射人造衛(wèi)星的基本情況，包括數(shù)量，種類(lèi)，用途。） 學(xué)生：觀(guān)看圖片，了解我國(guó)航天技術(shù)的發(fā)展情況 本環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)目的： 1通過(guò)教師的語(yǔ)言魅力，和圖片激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣 

9、2通過(guò)介紹我國(guó)的航天技術(shù)的發(fā)展激發(fā)學(xué)生的愛(ài)國(guó)熱情 3隨著網(wǎng)絡(luò)的普及學(xué)生已可以通過(guò)網(wǎng)路了解一些新事物，所以對(duì)于人造衛(wèi)星的介紹不宜過(guò)多，可以作為課下研究性學(xué)習(xí)的作業(yè)布置給學(xué)生，這里的介紹只是為了提高學(xué)生的興趣。 在輕松的環(huán)境中引入新課。 第二環(huán)節(jié)：人造衛(wèi)星規(guī)律的探究 過(guò)渡 教師：現(xiàn)在我們地球上空有這么多衛(wèi)星，他們運(yùn)行的速度一樣嗎？他們是怎樣被發(fā)射升空的今天我們就通過(guò)的學(xué)習(xí)來(lái)解決這一問(wèn)題。 教師：這是我國(guó)目前發(fā)射的部分衛(wèi)星的運(yùn)行規(guī)律的數(shù)據(jù)。 提問(wèn)觀(guān)察數(shù)據(jù)思考： 1不同衛(wèi)星的其運(yùn)行軌道相同嗎？ 2不同的衛(wèi)星運(yùn)行時(shí)

10、有什么規(guī)律？ 3你能試著用你學(xué)過(guò)的知識(shí)解釋為什么有這樣的規(guī)律嗎？ 衛(wèi)星名稱(chēng)衛(wèi)星質(zhì)量（kg）軌道近地點(diǎn)（km）軌道遠(yuǎn)地點(diǎn)（km）運(yùn)行周期（h）返回型遙感衛(wèi)星2100205 315 148東方紅2號(hào)甲通信衛(wèi)星44135786 35863 239東方紅2號(hào)試驗(yàn)通信衛(wèi)星46135469 35782 2376返回型遙感衛(wèi)星2100175 400 15風(fēng)云1號(hào)A750900 901 17巴達(dá)爾150210 992 157大氣1號(hào)873 900 1712 學(xué)生：1觀(guān)察數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)規(guī)律。 2合作交流，類(lèi)比行星運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)分析人造衛(wèi)星的運(yùn)行特點(diǎn)。 3試著從力和運(yùn)動(dòng)的角

11、度分析問(wèn)題。 教師引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)。 人造衛(wèi)星運(yùn)行特點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)特點(diǎn)：（板書(shū)） 1軌跡：橢圓 有的近似為圓 2人造衛(wèi)星的半徑不同，其運(yùn)行的周期也不同，而且半徑越大，其周期越大。 3類(lèi)比行星運(yùn)動(dòng)分析原因，衛(wèi)星圍繞地球作勻速圓周運(yùn)動(dòng)，需要向心力。 地球和衛(wèi)星之間的引力提供向心力。 4學(xué)生自己應(yīng)用前面萬(wàn)有引力知識(shí)分析  衛(wèi)星與地球間的萬(wàn)有引力提供了向心力（板書(shū)） （1）由  得， r越大，v越小 （2）由  得， r越大，w 越小 （3）由  得，&

12、#160;r越大，T越大 教師小結(jié)：衛(wèi)星繞地運(yùn)轉(zhuǎn)軌道半徑越大，速度越小、角速度越小、周期越大；（板書(shū)） 演示課件：幾顆不同軌道衛(wèi)星同時(shí)繞地運(yùn)行動(dòng)畫(huà),從而直觀(guān)判斷以上變化關(guān)系 本環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)目的： 通過(guò)學(xué)生觀(guān)察數(shù)據(jù)對(duì)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)有一個(gè)形象認(rèn)識(shí)，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生觀(guān)察數(shù)據(jù)，提起有用數(shù)據(jù)，和分析數(shù)據(jù)的能力。 通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生類(lèi)比行星運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)分析衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律，滲透科學(xué)的思維方法。 通過(guò)學(xué)生相互交流，討論的形式，調(diào)動(dòng)學(xué)生積極的參與課堂教學(xué)。同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生從物理學(xué)的角度思考問(wèn)題的能力，和表達(dá)能力。 最后學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律并能夠應(yīng)用物理知識(shí)解決實(shí)際生活

13、中的問(wèn)題。 第三環(huán)節(jié)：應(yīng)用知識(shí)解決問(wèn)題 教師：學(xué)習(xí)了衛(wèi)星的相關(guān)知識(shí)，我判斷一下下列幾種軌道哪一種是可能的為什么？ 思考問(wèn)題1： 下圖中，有三顆人造地球衛(wèi)星圍繞地球運(yùn)動(dòng)，它們運(yùn)行的軌道  可能是         ，不可能是          。 學(xué)生：分組討論闡述觀(guān)點(diǎn) 教師：結(jié)合學(xué)生討論引導(dǎo)學(xué)生從動(dòng)力學(xué)角度解決問(wèn)題。 衛(wèi)星近似做勻速圓周運(yùn)動(dòng)

14、，需要向心力，且向心力時(shí)刻指向圓心。所以地球與衛(wèi)星之間指向地心的萬(wàn)有引力提供向心力，所以衛(wèi)星作圓周運(yùn)動(dòng)的圓心應(yīng)該是地心。 思考問(wèn)題2： 如圖所示，a、b、c是在地球大氣層外圓形軌道上運(yùn)動(dòng)的3顆衛(wèi)星，  1試比較三顆衛(wèi)星的線(xiàn)速度、角速度、加速度、周期，萬(wàn)有引力的關(guān)系。 2如果c 的速度增加，能否與同軌道的b相撞。 學(xué)生：思考回答 應(yīng)用衛(wèi)星繞地運(yùn)轉(zhuǎn)軌道半徑越大，速度越小、角速度越小、周期越大。比較其關(guān)系，重點(diǎn)指出萬(wàn)有引力因?yàn)椴淮_定其質(zhì)量，所以無(wú)法比較。 3介紹美俄兩國(guó)衛(wèi)星相撞的原因。 視頻資料：美俄兩國(guó)衛(wèi)星相

15、撞的原因。指出太空垃圾的危害。 本環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)目的： 通過(guò)學(xué)生分組討論這三道思考題，培養(yǎng)學(xué)生的語(yǔ)言表達(dá)能力。培養(yǎng)學(xué)生從物理角度分析實(shí)際生活的能力。并切實(shí)理解人造衛(wèi)星的動(dòng)力學(xué)特征，和運(yùn)動(dòng)學(xué)特點(diǎn)。 第四環(huán)節(jié)：衛(wèi)星發(fā)射原理 教師：過(guò)渡：不同的軌道的衛(wèi)星其速度不同，那人類(lèi)是怎樣將衛(wèi)星發(fā)送到指定軌道上的呢？ 介紹牛頓的衛(wèi)星設(shè)想（FLASH） 教師引導(dǎo)：我們拋一物體怎樣才能拋的遠(yuǎn)？ 討論：依據(jù)平拋運(yùn)動(dòng)學(xué)生知道：速度越大，越遠(yuǎn)，那速度足夠大，又有什么現(xiàn)象？ 學(xué)生探討：統(tǒng)一結(jié)論：不落回地球。 教師總結(jié)：這時(shí)由于有引力在，衛(wèi)星

16、想落回地面，但有一定的速度又落不回地面就形成了衛(wèi)星？ 思考：物體需要多大的發(fā)射速度，才能剛好貼著地面轉(zhuǎn)？ 學(xué)生討論 教師點(diǎn)撥：這時(shí)（r=R） 學(xué)生   得出第一宇宙速度79 km/s 第五環(huán)節(jié)：宇宙速度  1第一宇宙速度79 km/s 定義：人造衛(wèi)星在地面附近繞地球作勻速圓周運(yùn)動(dòng)所必須具有的速度。 思考：發(fā)射什么樣的衛(wèi)星最容易？ 學(xué)生討論 統(tǒng)一結(jié)論：高軌道發(fā)射衛(wèi)星比低軌道發(fā)射衛(wèi)星困難，原因是高軌道發(fā)射衛(wèi)星時(shí)火箭要克服地球?qū)λ囊ψ龈嗟墓Α?#160;以

17、第一宇宙速度發(fā)射衛(wèi)星時(shí)其剛好能在地球表面附近作勻速圓周運(yùn)動(dòng)；如果衛(wèi)星的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)； 進(jìn)入半徑越大的軌道，所需要的發(fā)射V 越大。 思考：這與剛才得出的半徑越大的軌道，所需要的  運(yùn)行速度V  越小矛盾嗎？ 討論： 人造衛(wèi)星的發(fā)射速度與運(yùn)行速度是兩個(gè)不同的概念。 （1）發(fā)射速度 所謂發(fā)射速度是指被發(fā)射物在地面附近離開(kāi)發(fā)射裝置時(shí)的初速度，并且一旦發(fā)射后就再無(wú)能量補(bǔ)充，被發(fā)射物僅依靠自己的初動(dòng)能克服地球引力上升一定的高度，進(jìn)入運(yùn)動(dòng)軌道。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

18、宙速度。若發(fā)射速度等于第一宇宙速度，衛(wèi)星只能“貼著”地面近地運(yùn)行。如果要使人造衛(wèi)星在距地面較高的軌道上運(yùn)行，就必須使發(fā)射速度大于第一宇宙速度。 （2）運(yùn)行速度：是指衛(wèi)星在進(jìn)入運(yùn)行軌道后繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的線(xiàn)速度。當(dāng)衛(wèi)星“貼著”地面運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行速度等于第一宇宙速度。根據(jù)可知，人造衛(wèi)星距地面越高（即軌道半徑r越大），運(yùn)行速度越小。實(shí)際上，由于人造衛(wèi)星的軌道半徑都大于地球半徑，所以衛(wèi)星的實(shí)際運(yùn)行速度一定小于發(fā)射速度。 介紹；（板書(shū)） 運(yùn)行速度  指衛(wèi)星在穩(wěn)定的軌道上繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)的線(xiàn)速度 發(fā)射速度  指被發(fā)射物體離開(kāi)地面時(shí)的水平初速度

19、0;類(lèi)比得出： （板書(shū)）2第二宇宙速度（脫離速度）：  意義：使衛(wèi)星掙脫地球的引力束縛，成為繞太陽(yáng)運(yùn)行的人造行星的最小發(fā)射速度。 如果人造天體的速度大于112km/s而小于167km/s，則它的運(yùn)行軌道相對(duì)于太陽(yáng)將是橢圓，太陽(yáng)就成為該橢圓軌道的一個(gè)焦點(diǎn)。 PPT圖片介紹其他行星的衛(wèi)星。 （板書(shū)）3第三宇宙速度（逃逸速度）： 意義：使衛(wèi)星掙脫太陽(yáng)引力束縛的最小發(fā)射速度。 如果人造天體具有這樣的速度并沿著地球繞太陽(yáng)的公轉(zhuǎn)方向發(fā)射時(shí)，就可以擺脫地球和太陽(yáng)引力的束縛而邀游太空了。 這個(gè)速度目前能做到嗎？教師介紹以

20、第三速度發(fā)射的探測(cè)器，先驅(qū)者一號(hào)。 教師小結(jié)：只有你想不到的，沒(méi)有你做不到的。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我們探測(cè)太空的腳步會(huì)越走越快，越走越遠(yuǎn)。也許有一天我們也能到其它星球旅游定居。 但是今天我們就必須掌握一些必備知識(shí)。也就是我們這節(jié)課的重點(diǎn)。 五、學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)設(shè)計(jì) （1）學(xué)生完成課堂檢測(cè) 1關(guān)于第一宇宙速度，下面說(shuō)法：它是人造衛(wèi)星繞地球飛行的最小速度；它是發(fā)射人造衛(wèi)星進(jìn)入近地圓軌道的最小速度；它是人造衛(wèi)星繞地球飛行的最大速度；它是發(fā)射人造衛(wèi)星進(jìn)入近地圓軌道的最大速度。以上說(shuō)法中正確的有（） A B C D 2對(duì)于繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的人造地球衛(wèi)星，下列說(shuō)法正確的是（） A人造地球衛(wèi)星的實(shí)際繞行速率一定大于79km/s B從衛(wèi)星上釋放的物體將作平拋運(yùn)動(dòng) C在衛(wèi)星上可以用天平稱(chēng)物體的質(zhì)量 D我國(guó)第一顆人造地球衛(wèi)星（周期是684×103s）離地面高度比地球同步衛(wèi)星離地面高度小 3某同學(xué)通過(guò)直播得知“神舟”六號(hào)在圓軌道上運(yùn)轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間小于24小時(shí)，由此他將其與同步衛(wèi)星進(jìn)行比較而得出