李林+華玉梅

摘 要：創(chuàng)設一系列真實的問題情境，讓學生真正有面臨真實問題的感覺，利用已有知識通過自己的探究獲取新知，這是本教學設計最關(guān)切和思考的問題。在每個環(huán)節(jié)，先用多媒體讓學生形成感性認知，以問題為中心，學生在觀察與體驗中思考，自覺地由淺入深，由感性到理性分層探索，再通過師生的討論、分析、概括及應用，實現(xiàn)由感性認識上升為理性認識的飛躍。將思維的發(fā)展貫穿于知識認知的全過程，是本課的一條主線。

關(guān)鍵字：宇宙航行；教學設計；思維發(fā)展

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2014）11（S）-0077-4

1 教材分析

《宇宙航行》是“人教版”普通高中《物理》教材·必修2第六章《萬有引力與航天》的第五小節(jié)。主要介紹了萬有引力定律的實踐成就及航天事業(yè)的發(fā)展與其巨大成果。教材不但介紹了人造衛(wèi)星中的一些基本理論，更在其中滲透了很多研究實際物理問題的物理方法。因此，本節(jié)是《萬有引力與航天》中的重點內(nèi)容，是學生進一步學習、研究天體物理問題的理論基礎。

人造衛(wèi)星是萬有引力定律在天文學上應用的一個實例，是學生學習、了解現(xiàn)代科技知識的一個極好素材。通過對人造衛(wèi)星發(fā)射原理、宇宙速度等宇宙航行知識的學習，學生不僅可以對萬有引力定律有更全面、更深入的認識，對宇宙航行有一個更為系統(tǒng)的了解，還能提高利用所學知識分析、解決實際問題的能力。同時，使學生產(chǎn)生對航天科學的熱愛，增強民族自豪感。

2 教學設計思路

（1）本節(jié)課是一節(jié)知識應用與擴展的課程，所以設計時應注意加大知識含量，引起學生興趣。同時注意方法的培養(yǎng)，讓學生養(yǎng)成用萬有引力是天體運動的向心力這一基本方法研究問題的習慣，避免硬套公式。在圍繞第一宇宙速度的討論上，讓學生形成較正確的衛(wèi)星運動圖景。

（2）在本課的教學設計中，教師的主導作用表現(xiàn)為：積極創(chuàng)設問題情境、啟發(fā)學生思維；學生的主體作用為：動腦、動口、動手。而電教媒體則為這一切提供了豐富的信息資源和交互平臺。

（3）運用現(xiàn)代教育技術(shù)能夠擴展可視性，實現(xiàn)對現(xiàn)實的形象模擬。本電教設計精心挑選了多媒體素材，對媒體的運用，力求體現(xiàn)引導的認知性、體現(xiàn)邏輯性和現(xiàn)實模擬的真實性。

3 教學觀念與模式

本課的教學設計中教師的主導作用表現(xiàn)為：積極創(chuàng)設問題情境、啟發(fā)學生思維；學生的主體作用為：動腦、動口、動手。以問題為中心的課堂教學模式，本課即圍繞這樣幾個中心問題展開：

（1）若拋出物體的水平初速度足夠大，物體將會如何運動？

（2）以多大的速度將物體拋出，它才會成為繞地球表面運動的近地衛(wèi)星？

（3）如果衛(wèi)星的發(fā)射速度過大，會出現(xiàn)什么情況呢？

（4）衛(wèi)星到達預定軌道后，遵循怎樣的運行規(guī)律呢？

在每個環(huán)節(jié)，教師先用媒體讓學生形成感性認知，再通過師生的討論、分析、概括及應用，讓學生在觀察與體驗中思考，使學生的認識順利實現(xiàn)由感性認識上升為理性認識。

教 學 流 程

一、引入新課

探索宇宙的奧秘，奔向廣闊而遙遠的太空，人類自古以來就有著“飛天”的夢想。在我國很早就有嫦娥奔月的神話故事，明朝時期更有“萬戶飛天”的實際行動，人類為了紀念這第一個嘗試飛天并為之付出生命代價的中國英雄，特地將月球上的一座山脈命名為“萬戶山”。隨著牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力定律以及人們對力與運動關(guān)系的深入認識，人類的“飛天夢”已經(jīng)實現(xiàn)。中國航天事業(yè)正蓬勃發(fā)展，在全球亦屬名列前茅。

今天這節(jié)課我們將一起學習宇宙航行的理論知識，為同學們進一步研究天體物理問題打下基礎，同時了解人類航天事業(yè)發(fā)展的艱辛歷程，感受航天英雄們的豪邁激情。

二、新課教學

（一）牛頓的設想

問題1 由平拋運動知識可知“物體平拋時水平初速度越大，飛行的水平距離越遠?！薄５厍蚴莻€球體，如果拋出速度很大，則飛行的距離很長，此時我們把地面看成曲面。若拋出物體的水平初速度足夠大，物體將會如何運動？

牛頓的設想：從高山上用不同的水平速度拋出物體，速度一次比一次大，落地點也就一次比一次離山腳遠。如果沒有空氣阻力，當速度足夠大時，物體就永遠不會落到地面上來。它將圍繞地球旋轉(zhuǎn)，成為一顆永遠繞地球運動的人造地球衛(wèi)星（圖1）。

在已有事實的基礎上，合理地外推、科學地假設，是認識未知事物的一種科學的方法。

演示“牛頓關(guān)于人造衛(wèi)星的設想”Flash課件。

將學生的回答與牛頓的設想作對比，作出肯定，使學生體驗思考的快樂。

（二）宇宙速度

如果物體發(fā)射的速度更大，達到或超過11.2 km/s時，物體將擺脫地球引力的束縛，成為繞太陽運動的人造小行星。我們把11.2 km/s這個速度稱為第二宇宙速度，又叫脫離速度。

如果物體的發(fā)射速度再大，達到或超過16.7 km/s時，物體將能夠擺脫太陽引力的束縛，飛到太陽系外。我們把16.7 km/s這個速度稱為第三宇宙速度，也叫逃逸速度。

（演示宇宙速度Flash課件，加深學生理解。）

例題1 我國已發(fā)射了“嫦娥二號”探月衛(wèi)星和“熒火”號火星探測器，該探測器將繞火星運行，下列關(guān)于“嫦娥二號”探月衛(wèi)星和“熒火”號火星探測器的發(fā)射速度說法正確的是（ ）

A.“嫦娥二號”的發(fā)射速度必須大于11.2 km/s

B.“嫦娥二號”的發(fā)射速度大于7.9 km/s小于11.2 km/s

C.“熒火”探測器的發(fā)射速度必須大于16.7 km/s

D.“熒火”探測器的發(fā)射速度大于11.2 km/s小于16.7 km/s

（三）衛(wèi)星的運行規(guī)律

問題4 衛(wèi)星到達預定軌道后，遵循怎樣的運行規(guī)律呢？地球質(zhì)量M，萬有引力常量G均為定值，設衛(wèi)星軌道半徑為r，試分析衛(wèi)星運行速度v、角速度ω、周期T、向心加速度a與軌道半徑r的關(guān)系。

師生總結(jié)：衛(wèi)星運行的速度、角速度、周期、向心加速度均與衛(wèi)星質(zhì)量無關(guān)，僅由衛(wèi)星半徑?jīng)Q定。衛(wèi)星軌道半徑r越大，則T越大，而v、 ω、a均越小。（同一軌道上運行的衛(wèi)星，他們的質(zhì)量可以是不一樣的）

例題2 如圖2所示，a、b、c是地球大氣層外圓形軌道上運行的三顆人造地球衛(wèi)星，a、b質(zhì)量相同，且小于c的質(zhì)量，則（ ）

A.b、c的角速度相等，且大于a的角速度

B.b、c周期相等，且大于a周期

C.b、c向心加速度相等， 且大于a的向心加速度

D.b、c的線速度大小相等，且小于a的線速度

概念辨析：發(fā)射速度與環(huán)繞速度。

發(fā)射速度：衛(wèi)星在地面附近離開發(fā)射裝置的初速度，一旦發(fā)射后再無能量補充，被發(fā)射物僅依靠自己的初動能克服地球引力上升。

環(huán)繞速度：衛(wèi)星在進入運行軌道后繞地球做圓周運動的線速度。

分析人造衛(wèi)星發(fā)射速度范圍：

7.9 km/s≤v<11.2 km/s。

人造衛(wèi)星運行速度范圍：v≤7.9 km/s。

得出結(jié)論：第一宇宙速度是人造衛(wèi)星的最小發(fā)射速度，也是人造衛(wèi)星最大運行速度。

（四）夢想成真——人類航天歷程

播放視頻素材《人類航天發(fā)展史》短片，了解人類探索太空的艱辛過程，感受科技發(fā)展對人類社會進步的巨大推動作用。通過對我國航天事業(yè)發(fā)展史的了解，培養(yǎng)學生的愛國情感與科學精神。

三、課堂小結(jié)

這堂課我們從牛頓的設想入手學習了衛(wèi)星發(fā)射的原理，學習了三個宇宙速度，第一宇宙速度是重點，要掌握其兩種推導方法，并且知道第一宇宙速度是最小發(fā)射速度及最大環(huán)繞速度；之后我們探究了衛(wèi)星運行規(guī)律，得出了運行速度、角速度、周期、向心加速度與軌道半徑的關(guān)系。在處理問題的過程中不要死記結(jié)論，要先建立模型，立足于萬有引力提供向心力的解題指導思想；最后我們觀看了“嫦娥一號”的發(fā)射過程及人類航天事業(yè)的發(fā)展歷程，也感受了中國航天事業(yè)的崛起。從寰宇響徹的“東方紅”到太空授課的王亞萍；從“神一”到“神十”，從無人飛行到載人航天，從夢想到實現(xiàn)，中國一直在為太空增色添彩！

四、布置作業(yè)

（1）閱讀教材中的“科學漫步”和“STS”材料；

（2）上網(wǎng)查閱：人造衛(wèi)星的種類、同步衛(wèi)星的含義及特點。

（3）課后思考題：據(jù)某報報道，某國發(fā)射了一顆周期為80分鐘的人造地球衛(wèi)星，用你學過的知識判斷這則新聞的真?zhèn)巍?/p>

（選題目的：加強科學、社會、生活的聯(lián)系，讓學生感覺到生活中到處有物理，反對偽科學。）

板書設計： 6-5 宇宙航行

一、牛頓的設想

二、宇宙速度

第一宇宙速度：7.9 km/s

衛(wèi)星最小發(fā)射速度，最大環(huán)繞速度

第二宇宙速度：11.2 km/s小行星

第三宇宙速度：16.7 km/s脫離太陽

三、 衛(wèi)星的運行規(guī)律

四、 夢想成真

參考文獻：

[1]張前軍.《宇宙航行》多媒體教學設計[J].物理教學探討，2011，（12）：64.

（欄目編輯 鄧 磊）

問題4 衛(wèi)星到達預定軌道后，遵循怎樣的運行規(guī)律呢？地球質(zhì)量M，萬有引力常量G均為定值，設衛(wèi)星軌道半徑為r，試分析衛(wèi)星運行速度v、角速度ω、周期T、向心加速度a與軌道半徑r的關(guān)系。

師生總結(jié)：衛(wèi)星運行的速度、角速度、周期、向心加速度均與衛(wèi)星質(zhì)量無關(guān)，僅由衛(wèi)星半徑?jīng)Q定。衛(wèi)星軌道半徑r越大，則T越大，而v、 ω、a均越小。（同一軌道上運行的衛(wèi)星，他們的質(zhì)量可以是不一樣的）

例題2 如圖2所示，a、b、c是地球大氣層外圓形軌道上運行的三顆人造地球衛(wèi)星，a、b質(zhì)量相同，且小于c的質(zhì)量，則（ ）

A.b、c的角速度相等，且大于a的角速度

B.b、c周期相等，且大于a周期

C.b、c向心加速度相等， 且大于a的向心加速度

D.b、c的線速度大小相等，且小于a的線速度

概念辨析：發(fā)射速度與環(huán)繞速度。

發(fā)射速度：衛(wèi)星在地面附近離開發(fā)射裝置的初速度，一旦發(fā)射后再無能量補充，被發(fā)射物僅依靠自己的初動能克服地球引力上升。

環(huán)繞速度：衛(wèi)星在進入運行軌道后繞地球做圓周運動的線速度。

分析人造衛(wèi)星發(fā)射速度范圍：

7.9 km/s≤v<11.2 km/s。

人造衛(wèi)星運行速度范圍：v≤7.9 km/s。

得出結(jié)論：第一宇宙速度是人造衛(wèi)星的最小發(fā)射速度，也是人造衛(wèi)星最大運行速度。

（四）夢想成真——人類航天歷程

播放視頻素材《人類航天發(fā)展史》短片，了解人類探索太空的艱辛過程，感受科技發(fā)展對人類社會進步的巨大推動作用。通過對我國航天事業(yè)發(fā)展史的了解，培養(yǎng)學生的愛國情感與科學精神。

三、課堂小結(jié)

這堂課我們從牛頓的設想入手學習了衛(wèi)星發(fā)射的原理，學習了三個宇宙速度，第一宇宙速度是重點，要掌握其兩種推導方法，并且知道第一宇宙速度是最小發(fā)射速度及最大環(huán)繞速度；之后我們探究了衛(wèi)星運行規(guī)律，得出了運行速度、角速度、周期、向心加速度與軌道半徑的關(guān)系。在處理問題的過程中不要死記結(jié)論，要先建立模型，立足于萬有引力提供向心力的解題指導思想；最后我們觀看了“嫦娥一號”的發(fā)射過程及人類航天事業(yè)的發(fā)展歷程，也感受了中國航天事業(yè)的崛起。從寰宇響徹的“東方紅”到太空授課的王亞萍；從“神一”到“神十”，從無人飛行到載人航天，從夢想到實現(xiàn)，中國一直在為太空增色添彩！

四、布置作業(yè)

（1）閱讀教材中的“科學漫步”和“STS”材料；

（2）上網(wǎng)查閱：人造衛(wèi)星的種類、同步衛(wèi)星的含義及特點。

（3）課后思考題：據(jù)某報報道，某國發(fā)射了一顆周期為80分鐘的人造地球衛(wèi)星，用你學過的知識判斷這則新聞的真?zhèn)巍?/p>

（選題目的：加強科學、社會、生活的聯(lián)系，讓學生感覺到生活中到處有物理，反對偽科學。）

板書設計： 6-5 宇宙航行

一、牛頓的設想

二、宇宙速度

第一宇宙速度：7.9 km/s

衛(wèi)星最小發(fā)射速度，最大環(huán)繞速度

第二宇宙速度：11.2 km/s小行星

第三宇宙速度：16.7 km/s脫離太陽

三、 衛(wèi)星的運行規(guī)律

四、 夢想成真

參考文獻：

[1]張前軍.《宇宙航行》多媒體教學設計[J].物理教學探討，2011，（12）：64.

（欄目編輯 鄧 磊）

問題4 衛(wèi)星到達預定軌道后，遵循怎樣的運行規(guī)律呢？地球質(zhì)量M，萬有引力常量G均為定值，設衛(wèi)星軌道半徑為r，試分析衛(wèi)星運行速度v、角速度ω、周期T、向心加速度a與軌道半徑r的關(guān)系。

師生總結(jié)：衛(wèi)星運行的速度、角速度、周期、向心加速度均與衛(wèi)星質(zhì)量無關(guān)，僅由衛(wèi)星半徑?jīng)Q定。衛(wèi)星軌道半徑r越大，則T越大，而v、 ω、a均越小。（同一軌道上運行的衛(wèi)星，他們的質(zhì)量可以是不一樣的）

例題2 如圖2所示，a、b、c是地球大氣層外圓形軌道上運行的三顆人造地球衛(wèi)星，a、b質(zhì)量相同，且小于c的質(zhì)量，則（ ）

A.b、c的角速度相等，且大于a的角速度

B.b、c周期相等，且大于a周期

C.b、c向心加速度相等， 且大于a的向心加速度

D.b、c的線速度大小相等，且小于a的線速度

概念辨析：發(fā)射速度與環(huán)繞速度。

發(fā)射速度：衛(wèi)星在地面附近離開發(fā)射裝置的初速度，一旦發(fā)射后再無能量補充，被發(fā)射物僅依靠自己的初動能克服地球引力上升。

環(huán)繞速度：衛(wèi)星在進入運行軌道后繞地球做圓周運動的線速度。

分析人造衛(wèi)星發(fā)射速度范圍：

7.9 km/s≤v<11.2 km/s。

人造衛(wèi)星運行速度范圍：v≤7.9 km/s。

得出結(jié)論：第一宇宙速度是人造衛(wèi)星的最小發(fā)射速度，也是人造衛(wèi)星最大運行速度。

（四）夢想成真——人類航天歷程

播放視頻素材《人類航天發(fā)展史》短片，了解人類探索太空的艱辛過程，感受科技發(fā)展對人類社會進步的巨大推動作用。通過對我國航天事業(yè)發(fā)展史的了解，培養(yǎng)學生的愛國情感與科學精神。

三、課堂小結(jié)

這堂課我們從牛頓的設想入手學習了衛(wèi)星發(fā)射的原理，學習了三個宇宙速度，第一宇宙速度是重點，要掌握其兩種推導方法，并且知道第一宇宙速度是最小發(fā)射速度及最大環(huán)繞速度；之后我們探究了衛(wèi)星運行規(guī)律，得出了運行速度、角速度、周期、向心加速度與軌道半徑的關(guān)系。在處理問題的過程中不要死記結(jié)論，要先建立模型，立足于萬有引力提供向心力的解題指導思想；最后我們觀看了“嫦娥一號”的發(fā)射過程及人類航天事業(yè)的發(fā)展歷程，也感受了中國航天事業(yè)的崛起。從寰宇響徹的“東方紅”到太空授課的王亞萍；從“神一”到“神十”，從無人飛行到載人航天，從夢想到實現(xiàn)，中國一直在為太空增色添彩！

四、布置作業(yè)

（1）閱讀教材中的“科學漫步”和“STS”材料；

（2）上網(wǎng)查閱：人造衛(wèi)星的種類、同步衛(wèi)星的含義及特點。

（3）課后思考題：據(jù)某報報道，某國發(fā)射了一顆周期為80分鐘的人造地球衛(wèi)星，用你學過的知識判斷這則新聞的真?zhèn)巍?/p>

（選題目的：加強科學、社會、生活的聯(lián)系，讓學生感覺到生活中到處有物理，反對偽科學。）

板書設計： 6-5 宇宙航行

一、牛頓的設想

二、宇宙速度

第一宇宙速度：7.9 km/s

衛(wèi)星最小發(fā)射速度，最大環(huán)繞速度

第二宇宙速度：11.2 km/s小行星

第三宇宙速度：16.7 km/s脫離太陽

三、 衛(wèi)星的運行規(guī)律

四、 夢想成真

參考文獻：

[1]張前軍.《宇宙航行》多媒體教學設計[J].物理教學探討，2011，（12）：64.

（欄目編輯 鄧 磊）