李林+華玉梅

摘 要：創(chuàng)設(shè)一系列真實(shí)的問(wèn)題情境，讓學(xué)生真正有面臨真實(shí)問(wèn)題的感覺，利用已有知識(shí)通過(guò)自己的探究獲取新知，這是本教學(xué)設(shè)計(jì)最關(guān)切和思考的問(wèn)題。在每個(gè)環(huán)節(jié)，先用多媒體讓學(xué)生形成感性認(rèn)知，以問(wèn)題為中心，學(xué)生在觀察與體驗(yàn)中思考，自覺地由淺入深，由感性到理性分層探索，再通過(guò)師生的討論、分析、概括及應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)由感性認(rèn)識(shí)上升為理性認(rèn)識(shí)的飛躍。將思維的發(fā)展貫穿于知識(shí)認(rèn)知的全過(guò)程，是本課的一條主線。

關(guān)鍵字：宇宙航行；教學(xué)設(shè)計(jì)；思維發(fā)展

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(wàn)有引力與航天》的第五小節(jié)。主要介紹了萬(wàn)有引力定律的實(shí)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(shí)際物理問(wèn)題的物理方法。因此，本節(jié)是《萬(wàn)有引力與航天》中的重點(diǎn)內(nèi)容，是學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)、研究天體物理問(wèn)題的理論基礎(chǔ)。

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)實(shí)例，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。通過(guò)對(duì)人造衛(wèi)星發(fā)射原理、宇宙速度等宇宙航行知識(shí)的學(xué)習(xí)，學(xué)生不僅可以對(duì)萬(wàn)有引力定律有更全面、更深入的認(rèn)識(shí)，對(duì)宇宙航行有一個(gè)更為系統(tǒng)的了解，還能提高利用所學(xué)知識(shí)分析、解決實(shí)際問(wèn)題的能力。同時(shí)，使學(xué)生產(chǎn)生對(duì)航天科學(xué)的熱愛，增強(qiáng)民族自豪感。

2 教學(xué)設(shè)計(jì)思路

（1）本節(jié)課是一節(jié)知識(shí)應(yīng)用與擴(kuò)展的課程，所以設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意加大知識(shí)含量，引起學(xué)生興趣。同時(shí)注意方法的培養(yǎng)，讓學(xué)生養(yǎng)成用萬(wàn)有引力是天體運(yùn)動(dòng)的向心力這一基本方法研究問(wèn)題的習(xí)慣，避免硬套公式。在圍繞第一宇宙速度的討論上，讓學(xué)生形成較正確的衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)圖景。

（2）在本課的教學(xué)設(shè)計(jì)中，教師的主導(dǎo)作用表現(xiàn)為：積極創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境、啟發(fā)學(xué)生思維；學(xué)生的主體作用為：動(dòng)腦、動(dòng)口、動(dòng)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(tái)。

（3）運(yùn)用現(xiàn)代教育技術(shù)能夠擴(kuò)展可視性，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)的形象模擬。本電教設(shè)計(jì)精心挑選了多媒體素材，對(duì)媒體的運(yùn)用，力求體現(xiàn)引導(dǎo)的認(rèn)知性、體現(xiàn)邏輯性和現(xiàn)實(shí)模擬的真實(shí)性。

3 教學(xué)觀念與模式

本課的教學(xué)設(shè)計(jì)中教師的主導(dǎo)作用表現(xiàn)為：積極創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境、啟發(fā)學(xué)生思維；學(xué)生的主體作用為：動(dòng)腦、動(dòng)口、動(dòng)手。以問(wèn)題為中心的課堂教學(xué)模式，本課即圍繞這樣幾個(gè)中心問(wèn)題展開：

（1）若拋出物體的水平初速度足夠大，物體將會(huì)如何運(yùn)動(dòng)？

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

（3）如果衛(wèi)星的發(fā)射速度過(guò)大，會(huì)出現(xiàn)什么情況呢？

（4）衛(wèi)星到達(dá)預(yù)定軌道后，遵循怎樣的運(yùn)行規(guī)律呢？

在每個(gè)環(huán)節(jié)，教師先用媒體讓學(xué)生形成感性認(rèn)知，再通過(guò)師生的討論、分析、概括及應(yīng)用，讓學(xué)生在觀察與體驗(yàn)中思考，使學(xué)生的認(rèn)識(shí)順利實(shí)現(xiàn)由感性認(rèn)識(shí)上升為理性認(rèn)識(shí)。

教 學(xué) 流 程

一、引入新課

探索宇宙的奧秘，奔向廣闊而遙遠(yuǎn)的太空，人類自古以來(lái)就有著“飛天”的夢(mèng)想。在我國(guó)很早就有嫦娥奔月的神話故事，明朝時(shí)期更有“萬(wàn)戶飛天”的實(shí)際行動(dòng)，人類為了紀(jì)念這第一個(gè)嘗試飛天并為之付出生命代價(jià)的中國(guó)英雄，特地將月球上的一座山脈命名為“萬(wàn)戶山”。隨著牛頓發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力定律以及人們對(duì)力與運(yùn)動(dòng)關(guān)系的深入認(rèn)識(shí)，人類的“飛天夢(mèng)”已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。中國(guó)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(xué)習(xí)宇宙航行的理論知識(shí)，為同學(xué)們進(jìn)一步研究天體物理問(wèn)題打下基礎(chǔ)，同時(shí)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(xué)

（一）牛頓的設(shè)想

問(wèn)題1 由平拋運(yùn)動(dòng)知識(shí)可知“物體平拋時(shí)水平初速度越大，飛行的水平距離越遠(yuǎn)。”。地球是個(gè)球體，如果拋出速度很大，則飛行的距離很長(zhǎng)，此時(shí)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(huì)如何運(yùn)動(dòng)？

牛頓的設(shè)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(diǎn)也就一次比一次離山腳遠(yuǎn)。如果沒(méi)有空氣阻力，當(dāng)速度足夠大時(shí)，物體就永遠(yuǎn)不會(huì)落到地面上來(lái)。它將圍繞地球旋轉(zhuǎn)，成為一顆永遠(yuǎn)繞地球運(yùn)動(dòng)的人造地球衛(wèi)星（圖1）。

在已有事實(shí)的基礎(chǔ)上，合理地外推、科學(xué)地假設(shè)，是認(rèn)識(shí)未知事物的一種科學(xué)的方法。

演示“牛頓關(guān)于人造衛(wèi)星的設(shè)想”Flash課件。

將學(xué)生的回答與牛頓的設(shè)想作對(duì)比，作出肯定，使學(xué)生體驗(yàn)思考的快樂(lè)。

（二）宇宙速度

如果物體發(fā)射的速度更大，達(dá)到或超過(guò)11.2 km/s時(shí)，物體將擺脫地球引力的束縛，成為繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的人造小行星。我們把11.2 km/s這個(gè)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(dá)到或超過(guò)16.7 km/s時(shí)，物體將能夠擺脫太陽(yáng)引力的束縛，飛到太陽(yáng)系外。我們把16.7 km/s這個(gè)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(xué)生理解。）

例題1 我國(guó)已發(fā)射了“嫦娥二號(hào)”探月衛(wèi)星和“熒火”號(hào)火星探測(cè)器，該探測(cè)器將繞火星運(yùn)行，下列關(guān)于“嫦娥二號(hào)”探月衛(wèi)星和“熒火”號(hào)火星探測(cè)器的發(fā)射速度說(shuō)法正確的是（ ）

A.“嫦娥二號(hào)”的發(fā)射速度必須大于11.2 km/s

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

C.“熒火”探測(cè)器的發(fā)射速度必須大于16.7 km/s

D.“熒火”探測(cè)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(yùn)行規(guī)律

問(wèn)題4 衛(wèi)星到達(dá)預(yù)定軌道后，遵循怎樣的運(yùn)行規(guī)律呢？地球質(zhì)量M，萬(wàn)有引力常量G均為定值，設(shè)衛(wèi)星軌道半徑為r，試分析衛(wèi)星運(yùn)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(yùn)行的速度、角速度、周期、向心加速度均與衛(wèi)星質(zhì)量無(wú)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(yùn)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(yùn)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(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。

環(huán)繞速度：衛(wèi)星在進(jìn)入運(yùn)行軌道后繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)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(yùn)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(yùn)行速度。

（四）夢(mèng)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(guò)程，感受科技發(fā)展對(duì)人類社會(huì)進(jìn)步的巨大推動(dòng)作用。通過(guò)對(duì)我國(guó)航天事業(yè)發(fā)展史的了解，培養(yǎng)學(xué)生的愛國(guó)情感與科學(xué)精神。

三、課堂小結(jié)

這堂課我們從牛頓的設(shè)想入手學(xué)習(xí)了衛(wèi)星發(fā)射的原理，學(xué)習(xí)了三個(gè)宇宙速度，第一宇宙速度是重點(diǎn)，要掌握其兩種推導(dǎo)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(yùn)行規(guī)律，得出了運(yùn)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(wèn)題的過(guò)程中不要死記結(jié)論，要先建立模型，立足于萬(wàn)有引力提供向心力的解題指導(dǎo)思想；最后我們觀看了“嫦娥一號(hào)”的發(fā)射過(guò)程及人類航天事業(yè)的發(fā)展歷程，也感受了中國(guó)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(wú)人飛行到載人航天，從夢(mèng)想到實(shí)現(xiàn)，中國(guó)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(xué)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(diǎn)。

（3）課后思考題：據(jù)某報(bào)報(bào)道，某國(guó)發(fā)射了一顆周期為80分鐘的人造地球衛(wèi)星，用你學(xué)過(guò)的知識(shí)判斷這則新聞的真?zhèn)巍?/p>

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

板書設(shè)計(jì)： 6-5 宇宙航行

一、牛頓的設(shè)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(yáng)

三、 衛(wèi)星的運(yùn)行規(guī)律

四、 夢(mèng)想成真

參考文獻(xiàn)：

[1]張前軍.《宇宙航行》多媒體教學(xué)設(shè)計(jì)[J].物理教學(xué)探討，2011，（12）：64.

（欄目編輯 鄧 磊）

問(wèn)題4 衛(wèi)星到達(dá)預(yù)定軌道后，遵循怎樣的運(yùn)行規(guī)律呢？地球質(zhì)量M，萬(wàn)有引力常量G均為定值，設(shè)衛(wèi)星軌道半徑為r，試分析衛(wèi)星運(yùn)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(yùn)行的速度、角速度、周期、向心加速度均與衛(wèi)星質(zhì)量無(wú)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(yùn)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(yùn)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(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。

環(huán)繞速度：衛(wèi)星在進(jìn)入運(yùn)行軌道后繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)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(yùn)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(yùn)行速度。

（四）夢(mèng)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(guò)程，感受科技發(fā)展對(duì)人類社會(huì)進(jìn)步的巨大推動(dòng)作用。通過(guò)對(duì)我國(guó)航天事業(yè)發(fā)展史的了解，培養(yǎng)學(xué)生的愛國(guó)情感與科學(xué)精神。

三、課堂小結(jié)

這堂課我們從牛頓的設(shè)想入手學(xué)習(xí)了衛(wèi)星發(fā)射的原理，學(xué)習(xí)了三個(gè)宇宙速度，第一宇宙速度是重點(diǎn)，要掌握其兩種推導(dǎo)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(yùn)行規(guī)律，得出了運(yùn)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(wèn)題的過(guò)程中不要死記結(jié)論，要先建立模型，立足于萬(wàn)有引力提供向心力的解題指導(dǎo)思想；最后我們觀看了“嫦娥一號(hào)”的發(fā)射過(guò)程及人類航天事業(yè)的發(fā)展歷程，也感受了中國(guó)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(wú)人飛行到載人航天，從夢(mèng)想到實(shí)現(xiàn)，中國(guó)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(xué)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(diǎn)。

（3）課后思考題：據(jù)某報(bào)報(bào)道，某國(guó)發(fā)射了一顆周期為80分鐘的人造地球衛(wèi)星，用你學(xué)過(guò)的知識(shí)判斷這則新聞的真?zhèn)巍?/p>

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

板書設(shè)計(jì)： 6-5 宇宙航行

一、牛頓的設(shè)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(yáng)

三、 衛(wèi)星的運(yùn)行規(guī)律

四、 夢(mèng)想成真

參考文獻(xiàn)：

[1]張前軍.《宇宙航行》多媒體教學(xué)設(shè)計(jì)[J].物理教學(xué)探討，2011，（12）：64.

（欄目編輯 鄧 磊）

問(wèn)題4 衛(wèi)星到達(dá)預(yù)定軌道后，遵循怎樣的運(yùn)行規(guī)律呢？地球質(zhì)量M，萬(wàn)有引力常量G均為定值，設(shè)衛(wèi)星軌道半徑為r，試分析衛(wèi)星運(yùn)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(yùn)行的速度、角速度、周期、向心加速度均與衛(wèi)星質(zhì)量無(wú)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(yùn)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(yùn)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(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。

環(huán)繞速度：衛(wèi)星在進(jìn)入運(yùn)行軌道后繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)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(yùn)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(yùn)行速度。

（四）夢(mèng)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(guò)程，感受科技發(fā)展對(duì)人類社會(huì)進(jìn)步的巨大推動(dòng)作用。通過(guò)對(duì)我國(guó)航天事業(yè)發(fā)展史的了解，培養(yǎng)學(xué)生的愛國(guó)情感與科學(xué)精神。

三、課堂小結(jié)

這堂課我們從牛頓的設(shè)想入手學(xué)習(xí)了衛(wèi)星發(fā)射的原理，學(xué)習(xí)了三個(gè)宇宙速度，第一宇宙速度是重點(diǎn)，要掌握其兩種推導(dǎo)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(yùn)行規(guī)律，得出了運(yùn)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(wèn)題的過(guò)程中不要死記結(jié)論，要先建立模型，立足于萬(wàn)有引力提供向心力的解題指導(dǎo)思想；最后我們觀看了“嫦娥一號(hào)”的發(fā)射過(guò)程及人類航天事業(yè)的發(fā)展歷程，也感受了中國(guó)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(wú)人飛行到載人航天，從夢(mèng)想到實(shí)現(xiàn)，中國(guó)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(xué)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(diǎn)。

（3）課后思考題：據(jù)某報(bào)報(bào)道，某國(guó)發(fā)射了一顆周期為80分鐘的人造地球衛(wèi)星，用你學(xué)過(guò)的知識(shí)判斷這則新聞的真?zhèn)巍?/p>

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

板書設(shè)計(jì)： 6-5 宇宙航行

一、牛頓的設(shè)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(yáng)

三、 衛(wèi)星的運(yùn)行規(guī)律

四、 夢(mèng)想成真

參考文獻(xiàn)：

[1]張前軍.《宇宙航行》多媒體教學(xué)設(shè)計(jì)[J].物理教學(xué)探討，2011，（12）：64.

（欄目編輯 鄧 磊）