《宇宙航行》教学设计
教材分析
《宇宙航行》系新课程人教版必修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。
学情分析
本班学生热爱科学，学习积极性较高。师生关系和谐融洽，课堂气氛活跃，敢于交流、讨论，发表自己的观点、看法。通过前面的学习，学生已对曲线运动的特点、万有引力定律已有一定的了解。在此基础上，通过教师合理引导，按照迁移规律科学地设计问题情境，促进学生探究，获得新知。尽管学生对天体运动的知识储备不足，猜想可能缺乏科学性，表达也许欠妥。但只要始终参与到学习情境中，五官体验激活思维，大胆猜想，敢于表达，就都能获得发展和提高。
教学设计思路
本节课是一节知识应用与扩展的课程，所以设计时注意加大知识含量，引起学生兴趣。同时注意方法的培养，让学生养成用万有引力是天体运动的向心力这一基本方法研究问题的习惯，避免套公式的不良习惯。围绕第一宇宙速度的讨论，让学生形成较正确的卫星运动图景。本课的教学设计中教师的主导作用表现为：积极创设问题情境、启发学生思维；学生的主体作用为：动脑、动口、动手。而电教媒体则为这一切提供丰富的信息资源和交互平台。运用现代教育技术能够扩展可视性，实现对现实的形象模拟。本电教设计精心挑选了多媒体素材，对媒体的运用，力求体现引导认知性、体现逻辑性和现实模拟的真实性。在每个环节，先用媒体让学生形成感性认知，以问题为中心，学生在观察与体验中思考，自觉地由浅入深，由感性到理性分层探索，再通过师生的讨论、分析、概括及应用，实现由感性认识上升为理性认识的飞跃。将思维的发展贯穿于知识认知的全过程，是本课的一条主线。
教学目标
知识
与技能
1.知道人造卫星的发射原理，能够用万有引力定律和牛顿第二定律推导第一宇宙速度；
2.了解第二宇宙速度和第三宇宙速度及其意义；
3. 建立起关于各种卫星的运行状况的正确图景，理解卫星的运行速度、周期与半径的关系；
4.了解地球同步卫星的特点。
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。
情感态度与价值观
1.了解人类探索太空的过程，感受科技发展对人类进步的巨大促进作用，通过对我国航天事业发展史的了解，渗透爱国主义教育。
2.感知人类探索宇宙的梦想及巨大成就，激发学生学习物理的热情，促使学生树立献身科学的人生观和价值观。
3.认识到天体运动的实质是牛顿第二定律的具体应用，能对已有的知识进行组织和归类，学会构建知识体系，能从整体的角度看问题，形成对知识的整体感。
教学重点
第一宇宙速度的推导；研究天体运动的基本思路与方法。
教学难点
人造卫星运转的环行速度与卫星发射速度的区别。
教 学 过 程
【情景引入】
每个人都有着愿望或梦想。就像画面中的小女孩，仰望美丽灿烂的苍穹，一定浮想联翩。也许还曾梦想着插上翅膀，飞向天空。其实，做着飞天之梦的人，从古到今，又何止万千？我国古代的万户就是其中一个，他曾经将自己用47枚火箭捆绑，尝试飞天，不幸点火后火箭爆炸，万户为此牺牲了。然而，一次次的失败并没有阻止人类进行太空探索的活动。终于，人类第一颗人造卫星于1957年10月4日从前苏联升空，中国也于1970年发射了第一颗人造卫星。特别是从1999年神舟一号无人飞船首访太空到2008年9月的神七问天，中国航天员第一次把中国人的足迹印在飞船舱外的茫茫太空之中，9年的历程镌刻下了中国人7次完美的脚步，是中国航天事业7次新突破，见证的是中国航天人前进中发展、探索中追求的不懈脚步。
教师：那么，卫星是如何上天的？会掉下来吗？是什么力使卫星能绕地球飞行？本节课我们就来学习人类是如何走出地球、飞向宇宙，进行宇宙航行的。
二、新课教学
一、人造卫星的发射原理
教师：提供生活经验：我们知道，地球对周围任何物体有引力作用，因此抛出的物体要落回地面。月球也受到地球引力作用，为什么不会落回地面？
小组讨论后回答：由于月球在绕地球沿近似圆周的轨道运转,此时月球受到的地球引力(即重力),用来充当绕地球运转的向心力,故月球不会落到地面上来。
教师：物体做平抛运动时，初速度越大，飞行的水平距离越远。地球是个球体，如果抛出速度很大时，我们还能将地面看作平面吗？如果速度继续一直增大，会出现什么情况呢？
小组讨论后回答：由于地球是一个圆球,当平抛的初速度足够大时,物体飞行的距离也很大, 故物体不能再落回地面,而成为一颗绕地球运转的卫星。
教师：牛顿曾说过：“没有大胆的猜测就不可能作出伟大的发现。”在已有事实的基础上，合理地外推、科学地假设，是认识未知事物的一种科学的方法。由以上事实基础，你能作出怎样的猜想呢？
学生思考并回答。
教师：将学生的回答与牛顿的设想作对比，作出肯定，使学生体验思考的快乐。
陈述牛顿的设想：从高山上用不同的水平速度抛出物体，速度一次比一次大，落地点也就一次比一次离山脚远。如果没有空气阻力，当速度足够大时，物体就永远不会落到地面上来。它将围绕地球旋转，成为一颗永远绕地球运动的人造地球卫星。
教师：物体虽受到重力，但却没掉下来，这一点跟用绳系住一个物体恰好经过最高点，重力提供向心力的情况相似。
演示“牛顿关于人造卫星的设想”Flash课件。
二、三种宇宙速度
教师：以多大的速度将物体抛出，它才会绕地球表面运动，不会落下来呢？假设卫星绕地球表面做匀速圆周运动，那么，在地面发射卫星需要的最小速度为多大呢？你能把这个速度计算出来吗？
（教师引导提示）在地面附近绕地球做匀速圆周运动的卫星的向心力，就是地球对卫星的万有引力。
解法一：（学生1：板书）设地球和人造地球卫星的质量分别为和, 卫星到地心的距离是,卫星的环绕速度为：
,,代入数据得：。
教师：在地面表面附近万有引力的大小与重力的关系是什么?
学生：重力近似等于万有引力
教师：你能根据这一关系，从另一角度求这个速度吗？
解法二：学生2板书：
教师：这就是人造卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动所必须具有的速度，叫第一宇宙速度，又叫环绕速度，它是发射一个物体、使其成为地球卫星的最小速度。若以第一宇宙速度发射一个物体，物体将在贴着地球表面的轨道上绕地球做匀速圆周运动。教师：从牛顿提出设想到第一颗人造卫星上天，历时近三百年，这是为什么呢？
学生：因为发射卫星所需的速度太大了，当时人类科技的水平还产生不了这样大的速度。
播放嫦娥探月模拟视频
【例1】我国发射的第一颗探月卫星“嫦娥一号”的轨道半径是圆形的，且贴近月球表面。已知月球质量约为地球质量的1/80，月球的半径约为地球半径的1/4，地球上的第一宇宙速度约为7.9km/s，求“嫦娥一号”探月卫星绕月球运行的速率。
教师：如果卫星的发射速度大于，会出现什么情况呢？（鼓励学生大胆猜想）
学生总结回答：当人造卫星进入地球附近的轨道速度大于而小于时，它绕地球运动的轨迹就不再是圆，而是椭圆，且卫星做变速率的运动，发射速度越大，椭圆轨道越“扁”。
如果物体发射的速度更大，达到或超过时，物体将摆脱地球引力的束缚，成为绕太阳运动的人造小行星。我们把这个速度称为第二宇宙速度，又叫脱离速度。
如果物体的发射速度再大，达到或超过时，物体将能够摆脱太阳引力的束缚，飞到太阳系外。我们把这个速度称为第三宇宙速度，也叫逃逸速度。（演示宇宙速度Flash课件，加深学生理解。）
三、人造地球卫星的运行规律
教师：（过渡）实际上卫星并不是在地表水平发射的，而是用火箭送到一定的高度的轨道后，再沿以地心为圆心的圆周的切线运行的。为简单起见，如果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，请同学们利用已学的知识，探究卫星绕地球的运行速度、周期与轨道半径的关系。
学生3板演：
得，，，
师生总结：卫星的运行快慢与其本身质量无关，仅由轨道半径决定。轨道半径越大，运行速度越小；轨道半径越小，运行速度越大。换句话说，离行星越近的卫星运动速度越大。则第一宇宙速度是所有环绕地球做圆周运动的卫星的最大速度。
教师：将卫星送入低轨道和高轨道哪一个更容易？为什么？
学生思考讨论回答：向高轨道发射卫星需要的发射速度大，将卫星送入轨道越不容易，因为向高轨道发射卫星，火箭要克服地球对它的引力做的功更多。
补充：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，被发射物仅依靠自己的初动能克服地球引力上升一定的高度、进入运动轨道；
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。所以，第一宇宙速度是发射人造卫星的最小速度，也是卫星绕地球做圆周运动的最大速度。
【例2】试计算地球同步卫星离地高度与环绕速度。已知地球半径R=6400km，地球表面重力加速度g=9.8m/s2。
教师：你能说出地球同步卫星有哪些特点吗？
学生：定轨道平面，定高度，定速度，定点。（学生回答不全的小组互相补充。）
教师：浩瀚的宇宙就像一座丰富的宝藏，吸引着人类的目光，激励人们去探索其博大和神秘。千年的敦煌壁画留下了古人飞天的梦想。从寰宇响彻的“东方红”到太空漫步的翟志刚；从神一到神七，从无人到有人；从嫦娥奔月到载人飞行，中国在为太空
添色！
借助多媒体，播放神舟七号发射及出仓视频剪辑录像。边展示边介绍中国载人航天事业的发展历程。
【课堂小结 】
1．三种宇宙速度：
v1=7.9km/s．（会推导）；v2=11.2 km/s； v3=16.7 km/s
2．卫星绕地球做匀速圆周运动所需的向心力由万有引力提供:
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？……这些都是留给大家将来去解决的问题。
四、布置作业
1.阅读教材中的“科学漫步”和“STS”材料；
2.上网查阅：人造卫星的种类及特点。
3.整理学案，复习本节内容。
说 明
激发学生的求知欲和民族自豪感，从而使课堂教学在一个良好的心理氛围中开始。
由人类飞天之梦的历史引入课题。
选取生活中的典型事例，创设问题情境，并设计出能对学生的智慧构成挑战的问题，激发学生的好奇心，使之转化成强烈的求知欲。
让学生了解牛顿300多年前关于人造卫星的设想，体会猜想、外推的科学方法，感受科学家的思想之伟大，培养学生的科学思维。
教师适当地提示、引导，以学生为主体，让学生动脑、动手，利用所学知识推导第一宇宙速度，突出重点。
同时，让学生学会学习，锻炼学生利用所学知识分析和解决新问题的能力，培养学生科学探索能力。
选题目的：展现新中国科技成就，增强自豪感和对物理科学的亲近感。
让学生了解当卫星的发射速度大于第一宇宙速度的三种可能。
定性了解第二、第三宇宙速度及其物理意义。
通过对卫星绕行星运动的研究，帮助学生建立起关于各种人造地球卫星运行状况的正确图景，养成用万有引力是天体运动的向心力这一基本方法研究问题的习惯，培养学生归纳、分析和推导及合理表达能力。
加强学生对知识的迁移与应用，加深学生对天体运动的动力学关系的正确理解，实现练习与课堂内容的高度统一。
对本节内容及知识进行总结、梳理，帮助学生建构知识脉络。同时，激发学生学习物理的热情，促使学生树立献身科学的人生观和价值观。
通过布置个性化作业，培养学生合作学习、自主学习的能力。
评测练习
1．关于宇宙速度，下列说法正确的是（ ）
A.第一宇宙速度是能使人造地球卫星飞行的最小发射速度
B.第一宇宙速度是使人造地球卫星绕地球飞行的最小速度
C.第二宇宙速度使卫星脱离地球束缚的最小速度
D.第三宇宙速度时发射人造地球卫星的最小速度
2．据报道，我国数据中继卫星“天链一号01星”于2008年4月25日在西昌卫星发射中心发射升空，经过四次变轨控制后，于5月1日成功定点在东经77度赤道上空的同步轨道。关于成功定点后的“天链一号01星”，下列说法正确的是:
A．运行速度大于7.9km/s
B．离地面高度一定，相对于地面静止
C．绕地球运行的角速度比月球绕地球的角速度大
D．向心加速度与静止在赤道上物体的向心加速度大小一定相等。
3．据某报报道，某国发射了一颗周期为80分钟的人造地球卫星，用你学过的知识判断这则新闻的真伪。
4.两颗人造卫星A、B绕地球做圆周运动，周期之比为 ∶=1∶8，则轨道把轨道半径之比和运行速度之比分别为( ) A.∶ = 4∶1 ∶ = 1∶2
B.∶ = 4∶1 ∶ = 2∶1 C.∶ = 1∶4 ∶ = 1∶2 D.∶ = 1∶4 ∶ = 2∶1
5.假设地球质量不变，而地球半径增大到原来的2倍，那么从地球发射人造卫星的第一宇宙速度为原来的（ ）倍
A. B.
C. D. 2
6.假定宇宙空间站绕地球做匀速圆周运动，则在空间站上，下列实验不能做成的是：（ ）
A．天平称物体的质量
B．用弹簧秤测物体的重量
C．用测力计测力
D．用水银气压计测飞船上密闭仓内的气体压强
7.土星的外层有一个环，为了判断它是土星的一部分，即土星的“连续群”，还是土星的“卫星群”，可以通过测量环中各层的线速度v与该层到土星中心的距离R之间的关系来判断：
A．若v∝R，则该层是土星的连续群
B．若v2∝R，则该层是土星的卫星群
C．若，则该层是土星的连续群
D．若，则该层是土星的卫星群
