高三物理“天宫课堂”第二课航空航天主题班会教学设计

高三物理“天宫课堂”第二课航空航天主题班会教学设计一、教学背景与设计理念2022年3月23日，“天宫课堂”第二课在中国空间站正式开讲，神舟十三号乘组航天员翟志刚、王亚平、叶光富相互配合，为广大青少年带来了一场精彩的太空科普课。本次课程中，航天员演示了太空“冰雪”实验、液桥演示实验、水油分离实验、太空抛物实验等一系列极具视觉冲击力和科学内涵的实验，同时介绍了核心舱高微重力、无容器材料实验柜等空间科学设施。对于高三学生而言，这不仅仅是一次科普活动，更是一次将高中物理知识与中国航天工程实践深度融合的绝佳契机。高三学生已经系统学完高中物理的全部必修和选择性必修内容，具备完整的牛顿力学、热学、电磁学、光学知识框架。此时借助“天宫课堂”第二课的真实情境，引导学生运用已有知识解释太空中的物理现象，既是对知识的深度复习与迁移应用，又能激发学生的爱国热情和科学探索精神，体现物理学科核心素养中的“物理观念”“科学思维”“科学探究”与“科学态度与责任”。本教学设计立足高三物理复习阶段的实际需求，以“天宫课堂”第二课为载体，采用主题班会与物理学科教学融合的方式，通过观看视频、分组研讨、定量计算、拓展延伸四个环节，将抽象的物理规律与生动的太空实验紧密结合，力求让学生在真实情境中深化对物理概念的理解，提升建模能力和计算能力，同时接受航空航天精神的洗礼。二、教学目标知识与技能目标：学生能够运用牛顿第二定律解释太空抛物实验中物体匀速直线运动的原因；运用表面张力知识解释液桥实验和太空“冰雪”实验的微观机理；运用密度与重力关系解释水油分离实验在太空失效的原因；了解微重力环境的本质特征及其与完全失重状态的区别。过程与方法目标：经历“观察现象—提出假设—理论推导—验证解释”的科学探究流程，体验将课堂所学物理规律迁移到陌生情境中的建模方法；通过小组合作计算天宫空间站的轨道参数，掌握万有引力定律在天体运动问题中的规范解题步骤。情感态度与价值观目标：感受中国载人航天事业的伟大成就，增强民族自豪感和自信心；学习航天员“特别能吃苦、特别能战斗、特别能攻关、特别能奉献”的载人航天精神；树立严谨求实、勇于探索的科学态度，激发投身科技强国的志向。三、教学重难点教学重点：运用牛顿运动定律和万有引力定律分析空间站运行规律；运用表面张力和分子动理论解释太空实验现象；理解完全失重状态的本质。教学难点：引导学生建立“太空中的力学问题与地面上等效”的物理观念，突破“太空中没有重力”的迷思概念；将液桥实验中的宏观现象与微观分子力作用建立关联。四、教学过程（一）环节一：情境导入——从神舟十三号到天宫课堂（8分钟）教师活动：播放“天宫课堂”第二课中航天员王亚平在太空授课的开场片段，定格在三位航天员在核心舱内的画面。随后展示神舟十三号发射、对接、出舱活动的精选照片。教师提问：同学们，神舟十三号乘组在轨飞行183天，创造了中国航天员单次飞行任务太空驻留时间的新纪录。大家思考一个问题：空间站绕着地球飞行，为什么不会像卫星碎片那样坠落到地面上？为什么航天员在舱内会漂浮起来？这两个问题之间有什么联系？学生回答预设：空间站速度足够大，地球引力提供向心力；航天员与空间站一起做圆周运动，处于完全失重状态。教师追问：那“完全失重”是不是意味着重力消失了？王亚平老师手中的冰墩墩松手后并不会掉落，这是不是因为太空没有引力？设计意图：通过连续设问制造认知冲突，激活学生已有的圆周运动和失重知识，同时暴露出“太空中没有重力”这一常见迷思，为后续深入分析做铺垫。（二）环节二：核心知识建构——空间站的轨道物理（20分钟）教师讲授：以天宫空间站轨道高度约390千米、轨道周期约90分钟为真实数据，引导学生建立匀速圆周运动模型。定量计算训练：已知地球质量M=5.97×10²⁴kg，万有引力常量G=6.67×10⁻¹¹N·m²/kg²，地球半径R=6371km，天宫空间站轨道高度h=390km。请同学们计算：（1）空间站的运行速度v（2）空间站的向心加速度a（3）验证轨道周期T是否约为90分钟学生分组计算：由G·M·m/(R+h)²=m·v²/(R+h)得v=√[GM/(R+h)]代入数据：v=√[6.67×10⁻¹¹×5.97×10²⁴÷(6.761×10⁶)]≈7.68km/sa=GM/(R+h)²=6.67×10⁻¹¹×5.97×10²⁴÷(6.761×10⁶)²≈8.71m/s²T=2π(R+h)/v=2π×6.761×10⁶÷7.68×10³≈5530s≈92.2min教师总结：计算结果与空间站实际数据高度吻合。注意，空间站轨道速度7.68km/s小于第一宇宙速度7.9km/s，原因是轨道半径大于地球半径。向心加速度约8.71m/s²，并不等于零，说明空间站仍然受到地球引力作用。所谓“失重”并非引力消失，而是引力完全用于提供向心力，导致物体对支持物的压力为零，即视重为零。深度辨析：请同学比较“完全失重”与“微重力”。天宫课堂第二课中，航天员介绍核心舱内的“高微重力科学实验柜”，其内部重力水平可达10⁻⁷g。空间站并非处于理想的完全失重状态，而是微重力环境，来源于残余大气阻力、航天器姿态调整产生的加速度、以及重力梯度效应等因素。设计意图：以真实数据驱动定量计算，让学生亲手算出空间站的轨道参数，既复习了万有引力定律的核心应用，又通过数据对比澄清“完全失重”与“微重力”的本质区别。教师继续：我们再看太空抛物实验。王亚平老师将冰墩墩轻轻抛出，冰墩墩沿直线匀速运动。在地面上，抛出的物体做抛物线运动；在太空中为什么是直线匀速？学生回答预设：因为冰墩墩受到的合外力为零（近似），根据牛顿第一定律，物体保持匀速直线运动状态。教师追问：冰墩墩真的不受力吗？刚才我们说了空间站中引力仍然存在且提供向心力，冰墩墩和空间站一起做圆周运动，那么在以空间站为参考系的视角下，冰墩墩水平抛出后为什么做匀速直线运动？师生共同分析：由于冰墩墩与空间站具有相同的向心加速度，若以空间站为参考系，它是一个非惯性系，引入惯性力后，冰墩墩在空间站内所受合力为零。因此冰墩墩保持匀速直线运动。教师补充：在地面上以同样方式抛出同样的物体，物体会做平抛运动，这是因为地面上有重力。两者对比，更能凸显参考系选择在物理分析中的重要性。设计意图：通过冰墩墩的匀速直线运动，引出非惯性系与惯性力的概念，将学生的认知从牛顿第二定律的常规应用拓展到非惯性参考系的分析方法，体现高阶思维训练。（三）环节三：太空实验的物理学原理深度解析（30分钟）此环节采用“现象—原理—定量关系—生活对比”的四步分析框架，分三个实验进行小组研讨，每个实验研讨约10分钟。实验一：太空“冰雪”实验播放视频片段：王亚平老师用沾有过饱和醋酸钠溶液的毛根棒在液球上一点，液球迅速“结冰”，变成一颗“冰球”，摸上去却是温热的。教师提问：这个实验的“冰球”真的是水凝结成的冰吗？为什么摸上去是温热的？学生讨论后回答：这并非水的凝固，而是过饱和醋酸钠溶液的结晶过程。醋酸钠在高温下溶解度很大，冷却后形成过饱和溶液，处于亚稳态。当用毛根棒触碰提供凝结核时，溶液中过量的醋酸钠迅速结晶析出，放出大量结晶热，所以摸上去是温热的。教师追问：过饱和溶液为什么可以在太空中更容易实现？地面上为什么做这个实验容易出现不均匀结晶？学生结合已学知识回答：地面上的重力会导致溶液中浓度梯度，对流和沉降作用明显，结晶过程不均匀。太空微重力环境中，溶液内部没有沉降和对流，液滴悬浮在空中，表面张力占主导地位，因此可以形成完美的球形液滴，结晶也更均匀。教师补充拓展：这个看似简单的实验和材料科学密切相关。太空中的无容器材料实验柜就是利用微重力环境实现无容器悬浮熔炼，避免坩埚壁对材料的污染，可以制备高纯度、高均匀性的新型材料。这就是航天工程带动基础科学发展的一个缩影。设计意图：将过饱和溶液结晶这一化学和物理交叉知识点放在太空情境中，学生需要调用的知识包括溶解度、结晶热、重力对流、表面张力等多方面内容，综合性强。实验二：液桥演示实验播放视频：王亚平老师用两块塑料板分别粘住一个水球，将两板缓慢分开，水球被拉长成一座两端粗中间细的“液桥”，持续数秒不断裂。教师提问：地面上同样实验，液桥长度超过数毫米就会断裂。为什么太空中液桥可以拉得这么长？学生讨论：液体表面具有收缩趋势，表面张力使液体表面尽可能小。在地面上，重力对液体的作用远大于表面张力，所以水会往下流，液桥无法维持较长距离。在微重力环境中，重力作用可以忽略，表面张力成为主导力，液桥可以被拉得很长而不断裂。教师追问：表面张力的微观本质是什么？请从分子动理论角度解释。学生回答：液体表面层分子比内部稀疏，分子间距离较大，分子间作用力表现为引力，使得表面层有收缩趋势。液桥被拉长时，表面积增加，表面能增加，表面张力抵抗这种拉伸，因此液桥有恢复最短形状的趋势。定量分析：教师给出表面张力系数的定义σ=F/L，并以水为例，σ=0.072N/m（20℃）。假设液桥中间截面周长为2cm，即L=0.02m，则液桥所能承受的最大拉力约为F=σ×L=0.072×0.02=1.44×10⁻³N。在微重力环境中，液桥自身重力约只有地面上的10⁻⁶倍量级，因此远远小于表面张力所能维持的拉力，液桥得以长时间稳定存在。设计意图：通过定量计算让学生感知微重力环境下表面张力的支配地位。液桥实验所涉及的表面张力是高中物理选择性必修第三册中“液体”部分的内容，属于选考物理的学生需要掌握的知识点。实验三：水油分离实验播放视频：王亚平老师将装有水和油的瓶子使劲摇晃，水和油混合成乳浊液。静置后，水和油并没有像在地面上那样分层，而是保持混合状态。教师提问：地面上，水和油静置后为什么自然分层？油在上层还是下层？密度各是多少？学生回答：因为水和油密度不同，水的密度约1.0×10³kg/m³，植物油密度约0.9×10³kg/m³，在地面重力场中，密度小的油上浮，密度大的水下沉，最终分层。教师继续追问：太空中小瓶摇晃后，水和油混合在一起难以分离，原因是什么？如何将混合液分开？学生讨论后回答：微重力环境中，浮力消失。浮力本质上来源于重力场中的压力差，即阿基米德原理F浮=ρ液gV排。当g趋近于零，浮力趋近于零，油滴无法上浮，水油因此保持混合状态。若要将它们分离，可以利用旋转产生的离心效应，也就是人工重力。让瓶子高速旋转，密度大的水被甩到外侧，密度小的油集中在中心附近，实现分离。教师补充：这一原理在航天工程中有重要实践意义。空间站中宇航员的尿液、生活废水需要经过复杂处理循环利用。微重力条件下，气液分离、液液分离都极为困难，工程师们利用旋转、膜分离、毛细作用等方式实现高效分离。2023年长征七号运载的天舟货运飞船搭载的空间站废水处理系统正是基于这些原理工作。引导学生课后查阅空间站尿处理子系统的水回收技术原理。设计意图：水油分离实验贴近学生日常生活经验，能够清晰揭示“重力场存在时浮力才存在”这一本质规律。通过人工重力的设想，又为后续学习航天生命保障系统打开窗口。（四）环节四：载人航天成就与工程师思维培养（20分钟）教师讲授：以上三个实验，加上太空抛物实验，“天宫课堂”第二课给我们呈现了四个经典物理演示。不过大家能否想到，在这几个看似简单的实验背后，凝聚着中国航天事业几代人的心血。数据展示：（此处插入表格）中国载人航天工程关键节点时间事件意义1992年9月中国载人航天工程正式立项确立三步走战略2003年10月神舟五号发射成功，杨利伟首飞中国成为第三个独立将人送入太空的国家2008年9月神舟七号，翟志刚首次出舱中国航天员太空行走第一步2011年9月天宫一号目标飞行器发射为交会对接奠定基础2016年9月天宫二号空间实验室发射验证中期驻留能力2021年4月天和核心舱发射中国空间站建造全面展开2021年6月神舟十二号乘组进驻核心舱中国人首次进入自己的空间站2021年10月神舟十三号发射，开启6个月驻留创造中国航天员单次驻留纪录2022年11月梦天实验舱对接完成中国空间站T字基本构型完成2023年神舟十六号十七号轮换空间站进入常态化运营学生活动：将全班分为四个小组，分别扮演“轨道设计师”“材料工程师”“生命保障专家”“科普宣传员”，围绕以下议题开展研讨。议题一：如果你负责设计一个太空微重力材料实验，你想研究什么材料？为什么？结合“天宫课堂”无容器材料实验柜的背景知识，谈谈你的设想。议题二：空间站内的水循环系统每天需要处理约10升废水，回收率目标为80%以上。结合水油分离实验的原理，设计一个利用旋转离心原理的简易水净化方案。画出简图并说明物理原理。议题三：航天员长期处于微重力环境会面临骨质疏松、肌肉萎缩等健康问题。结合力学知识，分析空间站应该采用什么样的运动设施来对抗这种影响？太空跑步机、拉力器、自行车功量计的作用机制各是什么？议题四：如果未来中国要建设月球科研站，你认为空间站上积累的哪些经验可以直接迁移？哪些需要重新设计？从物理规律角度分析月球表面（重力约为地球的六分之一）与空间站微重力环境的区别。小组研讨时间15分钟，每组选派一名代表进行3分钟发言。教师根据学生发言的情况进行点评和深度引导。预设学生回答方向：第一组（材料工程师）：可以研究高熵合金、非晶合金、光纤预制棒等材料的无容器凝固过程。地面上因坩埚污染和重力引发的对流问题在太空中能避免，可获得性能优异的新材料。第二组（生命保障专家）：可以设计一个圆柱形容器，让混合液绕中心轴高速旋转。根据离心力公式F=mω²r，密度大的水获得更大的离心力被甩向外壁，从外壁引出的就是较纯净的水。还可以结合半透膜进行二次过滤。第三组（轨道设计师）：太空跑步机必须配备束缚系统，把人绑在跑台上，通过弹力绳提供模拟重力荷载。拉力器利用弹簧的弹性力对抗肌肉萎缩。自行车功量计通过摩擦力提供载荷。本质上都是在微重力环境中人为提供力的刺激。第四组（科普宣传员）：空间站上成熟的生命保障系统、航天服技术、交会对接技术都可以直接迁移到月球任务。但月球表面有六分之一重力，不再适合说“完全失重”的实验条件，液桥实验、水油分离实验的表现和空间站中不同，需要重新设计。月球表面没有大气，昼夜温差极大，还要应对月尘等其他挑战。教师总结升华：我们刚才所探讨的每一个问题，实际上都是航天工程师们正在攻关的真实课题。大家可以看到，航天工程绝不是简单的“把火箭送上天”，而是涵盖了物理、化学、生物、材料、医学、工程管理等多个学科的复杂系统工程。高中阶段所学的物理基础——牛顿力学、热学、电磁学——都是这些工程应用的基石。你们将来无论选择什么职业，严谨的物理思维和科学方法都会让你们受益终身。设计意图：通过分角色研讨，将学科知识上升到工程应用和职业认知层面，回应新高考背景下“学科育人”的要求。同时，四个议题分别指向材料科学、生命保障、航天医学和深空探测前沿，丰富学生的科技视野。（五）环节五：总结提升与素养落地（7分钟）教师活动：请每位同学用两分钟时间，在纸上写下“本节课我最大的收获”和“我还想深入了解的问题”各一条。随机抽取三位学生分享。预设分享内容：学生一：我最大的收获是知道了“失重”并不是没有重力，而是重力全部充当了向心力，物体对支持物的压力为零。我之前一直以为空间站里没有引力。学生二：我想深入了解过饱和溶液在太空结晶的具体工艺流程，这涉及材料科学的很多专业问题。将来想报考航天材料方向的专业。学生三：我第一次感受到物理计算能够如此直接地用于真实航天任务。算出空间站轨道速度是7.68km/s的时候，我非常激动。教师总结：同学们，今天我们借助“天宫课堂”第二课的四组实验，重温了牛顿力学、热学、分子动理论的核心知识。请大家记住三个关键数字：空间中站轨道高度390千米，速度7.68千米每秒，周期92分钟。这三个数字背后，是万有引力定律和牛顿第二定律的完美自洽。请大家记住一个核心观点：物理规律在太空和地面是一致的，不同的只是环境参数。我们还记住了四种精神：特别能吃苦、特别能战斗、特别能攻关、特别能