《宇宙航行》教案 教材分析 《宇宙航行》是必修2第六章第五节,重点讲述了人造卫星的发射原理,推导了第一宇宙速 度并介绍了第二、第三宇宙速度。人造卫星是万有引力定律在天文学上应用的一个实例 是人类征服自然的见证,体现了知识的力量,是学生学习了解现代科技知识的一个极好素材 教材不但介绍了人造卫星中一些基本理论,更是在其中渗透了很多研究实际物理问题的物理 方法。因此,本节课是“万有引力定律与航天”中的重点内容,是学生进一步学习研究天体 物理问题的理论基础。另外,学生通过对人造卫星、宇宙速度的了解,也将潜移默化地产生 对航天科学的热爱,增强民族自信心和自豪感。 教学目标 (一)知识与技能 (1)知道人造地球卫星的运行原理,会运用万有引力定律和圆周运动公式分析解答有关卫 星运行的原因 (2)掌握三个宇宙速度,会推导第一宇宙速度 (3)简单了解航天发展史。 (4)能用所学知识求解卫星基本问题 (二)过程与方法 (1)培养学生科学探索能力 (2)培养学生在处理实际问题时,如何构建物理模型的能力 (3)学习科学的思维方法培养学生归纳、分析和推导及合理表达能力。 (三)情感态度与价值观 介绍我国航天事业的发展现状,激发学习科学,热爱科学的激情,增强民族自信心和自豪感。 课时安排:一节课 三、设计理念 学科教学活动以学生为主体,促进学生知识、能力、品德三维一体的全面发展,这是本课件 设计的基本理念。学生已学过平抛运动、匀速圆周运动、万有引力定律等基本理论,具备了 解决问题的基本工具。本节课的难点在于对人造卫星原理的理解,因此教学设计上采用理论 探究法:在设计中突出发挥学生的主体作用,课堂中通过设疑→思考→启发→引导这样一条 主线,激发鼓励学生的大胆思考、积极参与,让学生通过自己的分析研究来掌握获取相关的 知识和方法 四、教学重点、难点 (1)第一宇宙速度的推导 (2)人造卫星运转的环行速度与卫星发射速度的区别 五、教学方法 启发探究式教学、多媒体辅助教学 六、教学准备 多媒体制作,计算机 七、教学过程 (一)创设情境,激发情感,引入新课 1.利用多媒体播放视频:超时空接触片段 2.导入语:探索宇宙的奥秘,奔向广阔而遥远的太空,是人类自古以来的梦想。“嫦
1 《宇宙航行》教案 一、教材分析 《宇宙航行》是必修 2 第六章第五节，重点讲述了人造卫星的发射原理，推导了第一宇宙速 度,并介绍了第二、第三宇宙速度。人造卫星是万有引力定律在天文学上应用的一个实例， 是人类征服自然的见证，体现了知识的力量，是学生学习了解现代科技知识的一个极好素材。 教材不但介绍了人造卫星中一些基本理论，更是在其中渗透了很多研究实际物理问题的物理 方法。因此，本节课是“万有引力定律与航天”中的重点内容，是学生进一步学习研究天体 物理问题的理论基础。另外，学生通过对人造卫星、宇宙速度的了解，也将潜移默化地产生 对航天科学的热爱，增强民族自信心和自豪感。 二、教学目标 （一） 知识与技能 （1）知道人造地球卫星的运行原理，会运用万有引力定律和圆周运动公式分析解答有关卫 星运行的原因； （2）掌握三个宇宙速度，会推导第一宇宙速度； （3）简单了解航天发展史。 （4）能用所学知识求解卫星基本问题。 （二）过程与方法 （1）培养学生科学探索能力； （2）培养学生在处理实际问题时，如何 构建物理模型的能力； （3）学习科学的思维方法培养学生归纳、分析和推导及合理表达能力。 （三）情感态度与价值观 介绍我国航天事业的发展现状，激发学习科学，热爱科学的激情，增强民族自信心和自豪感。 课时安排：一节课 三、设计理念 学科教学活动以学生为主体，促进学生知识、能力、品德三维一体的全面发展，这是本课件 设计的基本理念。学生已学过平抛运动、匀速圆周运动、万有引力定律等基本理论，具备了 解决问题的基本工具。本节课的难点在于对人造卫星原理的理解，因此教学设计上采用理论 探究法：在设计中突出发挥学生的主体作用，课堂中通过设疑→思考→启发→引导这样一条 主线，激发鼓励学生的大胆思考、积极参与，让学生通过自己的分析研究来掌握获取相关的 知识和方法。 四、教学重点、难点 （1）第一宇宙速度的推导； （2）人造卫星运转的环行速度与卫星发射速度的区别； 五、教学方法 启发探究式教学、多媒体辅助教学。 六、教学准备： 多媒体制作，计算机。 七、教学过程 （一）创设情境，激发情感，引入新课 1. 利用多媒体播放视频：超时空接触片段 2. 导入语：探索宇宙的奥秘，奔向广阔而遥远的太空，是人类自古以来的梦想。 “嫦
娥奔月”“神七问天”“神八与天宫一号对接”标志着我国掌握世界上最先进的航天技术 那么,卫星是如何上天的?是如何到达指定高度的?会掉下来吗?是什么力使卫星能绕地球 本节课我们就利用万有引力定律和圆周运动的知识对宇宙航行做一个初步的了解和研究。 3.提出问题:抛出的石头会落地,为什么月亮没有落下来?月亮没有落下来必须具备什 么条件 (二)人造地球卫星 1.抛物演示实验:学生观察落地点的变化,落地点为什么会变化? 2.牛顿的思考与设想 △抛出的速度ν越大时,落地点越远,速度不断增大,将会出现什么结果? △牛顿根据自己的设想草拟了一幅极富创意的人造卫星原理图 △牛顿的设想由于受技术条件的限制,物体不可能达到这样的速度,但他的思想启发了后 人,在太空探索中立了头功。 △展示牛顿的设想过程 引出人造地球卫星(简称人造卫星)的概念。 (三)宇宙速度 探究一:以多大的速度抛出这个物体,它才会绕地球表面运动,不会落下来?一起探索 原因,直到得出结论。 地球质量为6.0×1024Kg,半径为R=64×10m,G=667×101N·m2/Kg2 方法一:万有引力提供物体作圆周运动的向心力。 代入数据得v=7.9km/s 方法二:重力提供物体作圆周运动的向心力 mg = m V=√gR=√9.8×64×10m/s =7.9km/s 1.第一宇宙速度 v1=7.9km/s 它是人造卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动所必须具备的速度 (1)如果卫星的速度小于第一宇宙速度,卫星将落到地面而不能绕地球运转 (2)等于这个速度,卫星刚好能在地球表面附近作匀速圆周运动 如果发射速度大于第一宇宙速度,结果会怎样 2.第二宇宙速度 V2=11.2 km/s 这是卫星挣脱地球的引力束缚,成为绕太阳运行的人造行星的最小发射速度
2 娥奔月”“神七问天” “神八与天宫一号对接”标志着我国掌握世界上最先进的航天技术。 那么，卫星是如何上天的？是如何到达指定高度的？会掉下来吗？是什么力使卫星能绕地球 飞行？… 本节课我们就利用万有引力定律和圆周运动的知识对宇宙航行做一个初步的了解和研究。 3. 提出问题：抛出的石头会落地，为什么月亮没有落下来？月亮没有落下来必须具备什 么条件？ （二）人造地球卫星 1．抛物演示实验：学生观察落地点的变化，落地点为什么会变化？ 2．牛顿的思考与设想： △抛出的速度 v 越大时，落地点越远，速度不断增大，将会出现什么结果？ △牛顿根据自己的设想草拟了一幅极富创意的人造卫星原理图。 △牛顿的设想由于受技术条件的限制，物体不可能达到这样的速度，但他的思想启发了后 人，在太空探索中立了头功。 △展示牛顿的设想过程。 引出人造地球卫星（简称人造卫星）的概念。 （三）宇宙速度 探究一：以多大的速度抛出这个物体，它才会绕地球表面运动，不会落下来？一起探索 原因，直到得出结论。 地球质量为 6.0×1024Kg，半径为 R=6.4×106m，G=6.67×10-11N·m2 /Kg2 。 方法一：万有引力提供物体作圆周运动的向心力。 代入数据得 v=7．9km/s 方法二：重力提供物体作圆周运动的向心力 R v mg m 2 = km s v gR m s 7.9 / 9.8 6.4 10 / 6 = = = 1． 第一宇宙速度 1 v =7.9km/s． 它是人造卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动所必须具备的速度． （１） 如果卫星的速度小于第一宇宙速度，卫星将落到地面而不能绕地球运转 （２） 等于这个速度，卫星刚好能在地球表面附近作匀速圆周运动 如果发射速度大于第一宇宙速度，结果会怎样呢？ 2． 第二宇宙速度 2 v =11.2 km/s 这是卫星挣脱地球的引力束缚，成为绕太阳运行的人造行星的最小发射速度
如果人造天体的速度大于112km/s而小于16.7kms,则它的运行轨道相对于太阳将是 椭圆,太阳就成为该椭圆轨道的一个焦点。 3.第三宇宙速度 V3=16.7km/s 这是卫星挣脱太阳引力束缚的最小发射速度 如果人造天体具有这样的速度,就可以摆脱地球和太阳引力的束缚而飞到太阳系外了 (四)人造卫星 探究:目前为止,人类发射的人造地球卫星已经有几千颗了,这些卫星运行的快慢不同, 那么卫星运行的快慢与什么因素有关呢? 学生可能的答案:质量、轨道半径 我们将不同轨道上的卫星绕地球运动都看成是匀速圆周运动,则有 M 4丌 GM T=2丌 可得 结论:线速度、角速度、周期都与卫星的质量无关,仅由轨道半径决定。 讨论:若飞行器在近地轨道上运行求出它的线速度和周期。 GM667×10-1×589×10 R 640×10° m/s=7.9km/s =2×3.14 (64×10) GA 667×10-×5.89×10 24s≈85mm 即卫星绕地球运行的最大速度为7.9km/s,卫星绕地球运动的最小周期为85min 人造卫星的发射速度与运行速度 1.发射速度 发射速度是指卫星在地面附近离开发射装置的初速度,一旦发射后再无能量补充,要 发射一颗人造地球卫星,发射速度不能小于第一宇宙速度 2.运行速度 运行速度指卫星在进入运行轨道后绕地球做圆周运动的线速度。当卫星“贴着”地面 飞行时,运行速度等于第一宇宙速度,当卫星的轨道半径大于地球半径时,运行速度小于第 一宇宙速度 (五)梦想成真 学生先阅读,然后教师简述补充。(注意情感态度与价值观目标的实现。) 其实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”。 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
3 如果人造天体的速度大于 11.2km/s 而小于 16.7km/s，则它的运行轨道相对于太阳将是 椭圆，太阳就成为该椭圆轨道的一个焦点。 3．第三宇宙速度 3 v =16.7 km/s 这是卫星挣脱太阳引力束缚的最小发射速度。 如果人造天体具有这样的速度，就可以摆脱地球和太阳引力的束缚而飞到太阳系外了。 （四）人造卫星 探究：目前为止，人类发射的人造地球卫星已经有几千颗了，这些卫星运行的快慢不同， 那么卫星运行的快慢与什么因素有关呢？ 学生可能的答案：质量、轨道半径…… 我们将不同轨道上的卫星绕地球运动都看成是匀速圆周运动，则有 可得： 结论：线速度、角速度、周期都与卫星的质量无关，仅由轨道半径决定。 讨论：若飞行器在近地轨道上运行.求出它的线速度和周期。 R GM v = = m/s 6.40 10 6.67 10 5.89 10 6 11 24 − = 7.9km/s GM T R 3 = 2 s 11 24 6 3 6.67 10 5.89 10 (6.4 10 ) 2 3.14 = − 85min 即卫星绕地球运行的最大速度为 7.9km/s，卫星绕地球运动的最小周期为 85min。 人造卫星的发射速度与运行速度 1．发射速度 发射速度是指卫星在地面附近离开发射装置的初速度，一旦发射后再无能量补充，要 发射一颗人造地球卫星，发射速度不能小于第一宇宙速度。 2．运行速度 运行速度指卫星在进入运行轨道后绕地球做圆周运动的线速度。当卫星“贴着”地面 飞行时，运行速度等于第一宇宙速度，当卫星的轨道半径大于地球半径时，运行速度小于第 一宇宙速度。 （五） 梦想成真 学生先阅读，然后教师简述补充。（注意情感态度与价值观目标的实现。） 其实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”。 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 970年,中国第一颗人造卫星发射成功。 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。 2008年9月25日,神七问天,是中国第三个载人航天飞船。突破和掌握出舱活动相关 技术 2011年11月1日,神舟八号升空,神八”与此前发射的“天宫一号”目标飞行器进行了空 间交会对接。这标志着我国已经成功突破了空间交会对接及组合体运行等一系列关键技 术 让学生具有振兴中华的使命感与责任感 通过以上历史,让同学感想到:我们是祖国的未来的希望,现在需要努力学习科学文化 知识,将来为祖国的航天事业做贡献。要培养学生坚韧不拨、勇于探索、协力合作的科学精 神以及严谨求实、谦虚谨慎、勇于质疑科学态度:也要培养学习者热爱科学、热爱祖国的情 感;努力学习、振兴中华的责任感 然而人类对宇宙的探索并不是一帆风顺的,无数探索者用自己的汗水和生命铺设了人类 通往宇宙的道路。 1986年1月28日,美国,挑战者号航天飞机升空后爆炸,七名宇航员遇难 203年2月1日,美国,哥伦比亚号航天飞机返航时爆炸,七名宇航员遇难 (六)课堂小结 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 (七)练习反馈,拓展延伸 例1设地球的质量不变而地球半径增加为原来的2倍,那么从地球发射的第一宇宙速度的 大小应为原来的( 倍B.一—倍C.一倍D.2倍 例2:关于宇宙速度的说法正确的是( A.第一宇宙速度为7.9km/s,第二宇宙速度为112km/s,则人造卫星绕地球在圆轨道上运行 时的速度大于79kms,小于112km/s B美国发射的“凤凰”号火星探测卫星,其发射速度大于第三宇宙速度 C.第二宇宙速度是使物体可以挣脱地球引力束缚,成为绕太阳运行的小行星的最小发射速度 D第一宇宙速度79km/s是人造地球卫星绕地球做圆周运动的最大运行速度 (七)小结与作业布置作业 1航天事业正改变着人类的生活,请你到网上查阅,近几年的航天大事的资料,阐述你的观 点,与同学交流。2课本48页1、3题。 结束语: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? 爱因斯坦曾经说过“一个人最完美和最强烈的情感来自面对不解之谜。”你想加入破解他的 行列吗?努力学习吧!
4 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。 1970 年，中国第一颗人造卫星发射成功。 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。 2008 年 9 月 25 日，神七问天 ，是中国第三个载人航天飞船。突破和掌握出舱活动相关 技术。 2011 年 11 月 1 日，神舟八号升空，神八”与此前发射的“天宫一号”目标飞行器进行了空 间交会对接。这标志着我国已经成功突破了空间交会对接及组合体运行等一系列关键技 术。 让学生具有振兴中华的使命感与责任感 通过以上历史，让同学感想到：我们是祖国的未来的希望，现在需要努力学习科学文化 知识，将来为祖国的航天事业做贡献。要培养学生坚韧不拨、勇于探索、协力合作的科学精 神以及严谨求实、谦虚谨慎、勇于质疑科学态度；也要培养学习者热爱科学、热爱祖国的情 感；努力学习、振兴中华的责任感。 然而人类对宇宙的探索并不是一帆风顺的，无数探索者用自己的汗水和生命铺设了人类 通往宇宙的道路。 1986 年 1 月 28 日，美国，挑战者号航天飞机升空后爆炸，七名宇航员遇难。 2003 年 2 月 1 日，美国，哥伦比亚号航天飞机返航时爆炸，七名宇航员遇难。 （六）课堂小结 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。 （七）练习反馈，拓展延伸 例 1 设地球的质量不变,而地球半径增加为原来的 2 倍,那么从地球发射的第一宇宙速度的 大小应为原来的 ( ) A. 2 倍 B. 2 2 倍 C. 2 1 倍 D.2 倍 例 2：关于宇宙速度的说法正确的是（ ） A.第一宇宙速度为 7.9km/s，第二宇宙速度为 11.2km/s，则人造卫星绕地球在圆轨道上运行 时的速度大于 7.9km/s ，小于 11.2km/s B.美国发射的“凤凰”号火星探测卫星，其发射速度大于第三宇宙速度 C.第二宇宙速度是使物体可以挣脱地球引力束缚，成为绕太阳运行的小行星的最小发射速度 D.第一宇宙速度 7.9km/s 是人造地球卫星绕地球做圆周运动的最大运行速度 （七）小结与作业布置作业 1.航天事业正改变着人类的生活，请你到网上查阅，近几年的航天大事的资料，阐述你的观 点，与同学交流。2.课本 48 页 1、3 题。 结束语：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？ 爱因斯坦曾经说过:“一个人最完美和最强烈的情感来自面对不解之谜。”你想加入破解他的 行列吗？努力学习吧！
5