《宇宙航行》教学设计

宇宙航行教学设计北 京 市 大 峪 中 学朱 景 林2009.4宇宙航行教学设计北京市大峪中学 朱景林 一、 指导思想与理论依据本节课选自普通高中课程标准实验教科书必修，是第六章万有引力与航天的第五节宇宙航行，本节属于航天部分的的重要知识。新的课程标准要求从科学知识、科学过程和方法以及科学文化的三个维度进行教学，本节课的主要知识三个宇宙速度，其中重点知识第一宇宙速度的教学应该应该体现出科学过程与方法之中。因此，我计划在物理教学中，结合牛顿对地球卫星的设想过程进行科学过程和方法的教育；为了培养科学文化素养，落实情感态度与价值观目标中“激发学生学习物理的热情、爱国热情，促使学生树立献身科学的人生观和价值观”的教学目标，我想通过展现人类航天事业的发展过程以及我国航天事业的伟大成就来完成。北京教科院基教研中心陶昌宏先生，集他多年对中学物理教学的研究与思考，提出了物理教学的四个基本特征：物理教学要坚持以创设问题情景为切入点；以观察实验（事实）为基础；以培养学生的思维能力为核心；以提升学生探究能力为重点的基本特征。这四个基本特征为我们现在实施好新的课程标准提供了非常有利可行的理论依据。以往的物理实验，大都以有实物的物理实验，本节课我想尝试引领学生做“思想实验”，从而完成我区物理教研室提出的“在高中物理教学中落实陶先生的物理教学方法”的要求做初步探讨。二、 教学背景分析学生在前面学习了牛顿运动定律、平抛运动、匀速圆周运动、万有引力定律等基础知识，这些都为我们继续学习本节内容奠定了知识基础。同时，学生经历了想象、推理、建摸、类比（迁移）等科学方法的应用与训练，为这节课的学习奠定了能力基础。学生做“思想实验”，是第一次，对于我也是一次新的尝试，可能要出现许多困难，甚至是我没有预料到的困难，所以需要精心设计，鼓励学生的大胆思考；循序渐进，把握好“思想实验”深度要求本节课，从知识内容上看，主要是运用所学过的知识，我们学生个方面基础总体水平不高，而且学生差异很大。从教学内容上看，学生对航天有广泛兴趣也有众多迷惑。所以，对学生出现的疑问或错误，要有充分的预想。解决学生疑问和错误预案是： 对共性、基础性的问题，引领学生分析讨论；对个性问题，进行个别辅导；对个别问题做好适当安排（包括布置学生查阅材料，互相讨论交流作业的方式），例如学生在“思想实验”中，可能会提出“为什么当速率大到一定值时做椭圆轨道的运动”。为了不枝蔓教学，做适当回答二、教学目标（一）知识和能力目标1了解人造地球卫星的最初构想2、会解决涉及人造地球卫星运动的简单问题3知道三个宇宙速度的含义和数值，会推导第一宇宙速度。4感受人类对客观世界不断探究的精神和情感。（二）过程与方法目标1在体验牛顿对卫星发射的思考过程的同时，培养学生思维能力。2培养学生在处理实际问题时，构建物理模型的方法；培养学生运用知识分析解决实际问题的能力。（三）情感态度与价值观目标1通过展示人类在宇宙航行领域中的伟大成就，激发学生学习物理的热情。2通过介绍我国在航天方面的成就，激发学生的爱国热情，增强民族自信心和自豪感。3感知人类探索宇宙的梦想，促使学生树立献身科学的人生观和价值观。三、教学重点理解第一宇宙速度的含义及其推导过程四、教学难点三个宇宙速度的含义五、教学方法讨论、启发、探究。六、教学准备多媒体课件。七、教学过程（一）引入新课我们知道，20世纪人类实现了飞天梦想，怎么实现的呢？屏幕展示：“上帝忘了给我翅膀，所以我用科学飞翔”（向学生展播放神七发射及天地通话，以激发学生的学习兴趣。）人们就是靠这样的科技手段实现了飞天梦想的。师问：看了太空之旅的视频，你知道飞船的速度吗？带着这些问题，我们今天一起探索研究：宇宙航行（二）新课教学教师引导学生做“思想实验”：今天我们来做一个特殊的实验，特殊在哪呢？我没带任何实验仪器，只带来印有地球图片的白纸一张，现在发给大家，请大家按我的要求用自己的思维来做一个“思想实验”。 设想将一物体从地球的高山上水平抛出，步骤如下：（1） 以较小的速度抛出，物体做什么运动？落点在哪呢？画出可能的轨迹。（2） 再以大一点的速度抛出，物体做什么运动？落点在哪呢？画出可能的轨迹。（3） 再以更大一点的速度抛出，物体做什么运动？落点在哪呢？画出可能的轨迹。（4） 再以更大的速度抛出，物体做什么运动？落点在哪呢？画出可能的轨迹。哦！速度再大你可能认为达不到了，但是我们的思想中可以抛出呀！（教师利用实物投影展示学生画出的轨迹，并让学生利用学过的知识解释画出的不同轨迹的依据，教师点评、引导，去伪存真得出牛顿卫星发射原理图。）一、宇宙速度1第一宇宙速度：（针对学生画的贴近地面的圆轨迹） 思考：设地球质量M，绕地卫星质量m，飞行速度为v，这个卫星在地面附近做圆周运动的速度v有多大呢？教师引导建立模型：卫星绕地球做匀速圆周运动，万有引力充当向心力。问题1、已知地球半径R=6400km，地球质量M=5.981024kg，万有引力常量G=6.6710-11，求卫星在地面附近飞行的速度。教师提示：近地卫星通常在100200km的高度飞行，与地球半径R=6400km相比，完全可以说是在“地面附近”飞行，可以用地球半径R代表卫星到地心的距离r。代入数据得v=79km/s结论：这就是把物体发射出去，在地面附近做匀速圆周运动不再落回地面，做无动力飞行的最小发射速度，这个速度不仅特殊，而且对于我们研究航天问题特别重要，我们把它定义为第一宇宙速度。（教师活动）板书：1第一宇宙速度：物体在地面附近做匀速圆周运动的速度叫做第一宇宙速度(first cosmetic velocity)下面老师提出几个问题，请同学们对第一宇宙速度的关系式进行一些思考讨论师问：（1）地球第一宇宙速度与卫星质量有关吗？与哪些因素有关？（2）如果没有卫星绕地飞行，地球第一宇宙速度这个物理量还客观存在吗？（3）你知道怎样求月球的第一宇宙速度吗？问题2、若已知地球半径R和地球表面附近处的重力加速度g，求地球的第一宇宙速度（特点：没有绕地运动的物体）问题3、如果将来的某一天你乘座嫦娥飞船去月球旅游,着陆前飞船需要先绕月球表面附近沿圆周飞行,求：你运动的速率（设月球半径为r，月球质量为m，万有引力常量G为已知量）（学生推导，教师实物投影展示、点评）师问：如果发射速度大于第一宇宙速度，结果会怎样呢？（学生回答）（教师活动）板书：2第二宇宙速度教师：理论分析表明，当抛出物体的速度在的基础上继续增大，如果发射速度大于第一宇宙速度v=79km/s，而小于112km/s，它绕地球运行的轨迹就不是圆，而是椭圆。当物体的速度等于或大于112km/s时，物体将会克服地球引力，永远离开地球，我们把112km/s叫做第二宇宙速度。3第三宇宙速度 教师：物体脱离地球引力的束缚后，还会受到太阳引力的束缚。若抛出的速度足够大，物体还将脱离太阳引力的束缚，飞向太阳系之外的宇宙空间。这个速度v=167km/s。这个速度叫做第三宇宙速度。（教师活动板书）小结：实际上发射卫星是一个复杂的高科技系统工程，今天我们仅从现有的知识出发，推导并了解了一点宇宙速度，即：（展示牛顿抛体运动动画，了解三个宇宙速度）（教师活动）板书：我们把：第一宇宙速度、第二宇宙速度、第三宇宙速度统称为宇宙速度老师比较欣赏一位诗人说的话，“人生是美丽的，让我们先做一个兰色的梦，再去实现她”。牛顿在几百年前设想，经过几代人的不懈努力，在上个世纪人类把航天器送入了太空，实现了飞天梦想下面，老师和同学们一起重现人类梦想成真艰难历程，也让我们一起分享英雄们的快乐与痛苦二、梦想成真 说一说：同学们根据自己对人类梦想遨游太空到实现太空之旅的了解，谈一谈宇宙航行的发展历程。学生分组讨论，合作交流，达成共识，选派代表总结发言,然后教师简述补充。（借助于多媒体，一边向学生展示，一边介绍，注意情感态度与价值观目标的实现。）1、 世界航天2、中国航天3、英雄壮举尽管人类已经跨入太空，登上月球，但是，相对于宇宙之宏大，地球和月亮不过是茫茫宇宙中的两粒尘埃；相对于宇宙之久长，人类历史不过是宇宙年轮上一道小小的刻痕。宇宙留给人们的思考和疑问深邃而广阔。宇宙有没有边界？有没有起始和终结？地外文明在哪里？这些都是留给大家待以解决的问题。（四）课堂小结 重点强调解决物理问题的方法：建模（五）课后作业1、自我推导： 人造地球卫星线速度、角速度和周期与轨道半径的关系。（所有卫星视做匀速圆周运动）2、上网查阅： (1) 什么是同步轨道卫星？ (2) 什么是太阳同步轨道卫星？附教学资源：早在六百多年前的明朝，一个名叫万户的人就曾有“飞天”的壮举，但最终未能成功，并为之付出了生命。万户是世界上第一个利用火箭向太空搏击的英雄。他的努力虽然失败了，但他借助火箭推力升空的创想是世界上第一个，因此他被世界公认为“真正的航天始祖”，为了纪念这位世界航天始祖，世界科学家将月球上的一座环形火山命名为“万户山”。1、世界航天19世纪中叶，俄罗斯学者，齐奥尔科夫斯基，提出利用喷气推进的多级火箭，运载发射卫星。1957年10月4日，世界上第一颗人造卫星成功在苏联发射成功。1961年4月12日，世界上第一次载人飞行，苏联。1969年7月16日，人类第一次登上月球，美国。2、中国航天1970年，中国第一颗人造卫星“东方红” 1号发射成功。，使中国成为第五个能自行发射卫星的国家。1975年，返回式遥感卫星，中国第一颗返回式卫星，用于对地观测，运行三天后按计划返回地面；中国是第三个掌握卫星回收技术的国家。2003年10月15日，中国第一次载人飞行。2007年，嫦娥一号成功发射。3、英雄壮举当然有成功也有失败，然而人类对宇宙的探索并不是