物理：《人造卫星 宇宙速度》教学设计
一、设计基本理念与特点
学科教学活动要以学生为主体，促进学生知识、技能、品德三维一体的全面发展。在本节课之前，学生已掌握了平抛运动、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。教材中把理解人造卫星的发射原理作为重点与难点，但是根据新课程的教学理念主要是培养学生分析为题解决问题的能力，而且近几年的高考也将人造卫星的运动特点分析作为重点。所以在本届课的教学设计中，笔者大胆的改变传统的教材思路，先分析人造卫星的运行特点，在解释人造卫星的发射原理。因此课堂中对人造卫星的运动规律的认识主要采取：分析现象──发现规律──思考原理──解释问题的思路，对于人造卫星的发射原理主要采取：设疑→思考→启发→引导这样一条主线，在设计中突出发挥学生的主体作用，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。
二、教学背景分析
（1）教材分析
《人造卫星? 宇宙速度》系新课程教课版必修2第三章第4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非常重要实例，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。学生通过行星的运动一节已经知道了行星的运动规律，因此在分析人造卫星的运动学特点，和动力学特点可采取类比的方法，近而进一步理解应用万有引力定律分析天体运动的方法。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、探索天体物理问题的理论基础。另外，学生通过对人类在宇宙航行领域中的伟大成就及我国在航天领域成就的了解，增强学生的民族自信心和自豪感。
（2）学情分析
学生已掌握了运动的合成与分解、牛顿运动定律、圆周运动等章节的理论。并在本章之前学习了天体的运动，和万有引力定律的知识，能运用万有引力定律揭示一些天体运动的特点。学生可以类比行星运动的特点原理自己分析人造卫星的规律。另外学生也可以利用前面的知识和对宇宙奥秘的好奇心来探索人造卫星的发射及宇宙速度。学生可以通过联想上一章所学的对平抛物体的运动的处理方法来探究牛顿的思考，以地心为参考系平抛出去的物体从空间运动效果上可分解为指向地心的自由落体运动和绕地心的匀速圆周运动。而这两个分运动都是变速度运动，它们都需要一个指向地心的力来维持它们各自的运动状态。因此万有引力就有要改变两个运动状态的效果，即要既要产生自由落体加速度又要产生向加速度。当万有引力只能提供向心力时，自由落体加速度就变成零，这样平抛出去的物体就落不下来了，从而得到第一宇宙速度。再根据圆周运动和机械运动的知识可知道速度再大一些会做椭圆运动或摆脱地球对它的约束。这样，人们就可以到更远的地方去探索宇宙的奥秘了……
（3）教学重点，难点
教学重点：
卫星运行的动力学特点规律，第一宇宙速度的推导。
教学难点：
·卫星的运行速度与发射速度的区别；
·第一宇宙速度是卫星发射的最小速度，是卫星运行的最大速度。
三、教学目标
（一）知识与技能
1、了解人造卫星的最初构想。
2、知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度。
（二）过程与方法
?通过用万有引力定律推导第一宇宙速度，培养学生运用知识解决问题的能力
（三）情感态度与价值观
?1、通过介绍我国在卫星发射方面的情况，激发学生的爱国热情。
2、感知人类探索宇宙的梦想，促使学生树立献身科学的人生价值观。
课标分析：
【教学方式】
视频、演示、讲授、合作交流。
【教学手段】
多媒体设备、物理课件。
四、教学过程与教学资源设计
第一环节：新课引入
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教师：（ppt 关于阿姆斯特朗、东方红1号的图片 ）
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人类一直有飞天的梦想，现在已经实现了，给大家展示一下具有特别意义的两张图片
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学生：欣赏图片。
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教师：同学们欣赏一下我国自主研发的神舟七号卫星发射的3D动画模拟。
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学生：（激起学生兴趣）
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教师：人类一直有飞天的梦想，那么牛顿在很多年前就有一个设想，我们来看一下
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学生：（很高兴）看模拟动画
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本环节设计目的：
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1．通过教师的语言魅力，和图片激发学生的学习兴趣
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2．通过介绍我国的航天技术的发展激发学生的爱国热情
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3．随着网络的普及学生已可以通过网路了解一些新事物，所以对于人造卫星的介绍不宜过多，可以作为课下研究性学习的作业布置给学生，这里的介绍只是为了提高学生的兴趣。
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在轻松的环境中引入新课。
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第二环节：人造卫星规律的探究
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过渡
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教师：?那么刚才那个速度得多大才能不回到地球而围着地球做匀速圆周运动？
那么我们看一个题。
学生：1．看题目做题。
2．合作交流。?
3．试着从力和运动的角度分析问题。
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教师：引导学生用另一种方法解决问题。得到第一宇宙速度。
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学生：在老师的引导下，自己推导
教师：给同学介绍第一宇宙速度，第二宇宙速度，第三宇宙速度，了解概念环绕速度
4．学生自己应用前面万有引力知识分析
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卫星与地球间的万有引力提供了向心力
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（1）由? 得，
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∴r越大，v越小．
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（2）由? 得，
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∴r越大，? 越小．
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（3）由? 得，
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∴r越大，T越大．
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教师小结：卫星绕地运转轨道半径越大，速度越小、角速度越小、周期越大；
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本环节设计目的：
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通过学生观察数据对卫星运动有一个形象认识，同时培养学生观察数据，提起有用数据，和分析数据的能力。
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通过引导学生类比行星运动特点分析卫星运动规律，渗透科学的思维方法。
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通过学生相互交流，讨论的形式，调动学生积极的参与课堂教学。同时培养学生从物理学的角度思考问题的能力，和表达能力。
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最后学生自己发现卫星运动规律并能够应用物理知识解决实际生活中的问题。
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第三环节：应用知识解决问题
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教师：给出三个题目
1?.关于第一宇宙速度，下列说法正确的是（ ）
A.是人造地球卫星绕地球飞行的最小速度
B.是近地圆轨道上人造地球卫星的运行速度
C.是使卫星进入近地圆轨道的最小发射速度
D.是卫星在椭圆轨道上运行在远地点的速度
2.做圆周运动的人造地球卫星的轨道半径增大到原来的2倍，仍然做圆周运动，则（ ）
A 卫星的环绕线速度将增大到原来的2倍
B 卫星所需的向心力将减小到原来的1/2
C 地球提供的向心力将减小到原来的1/4
D 卫星的环绕线速度将减小到原来的
3火星有两颗卫星，分别是火卫一和火卫二，他们的轨道近似为圆。已知火卫一的周期为7小时39分，火卫二的周期为30小时18分，则两颗卫星相比 （ ）
A 火卫一距离火星表面较近
B 火卫二的角速度较大
C 火卫一的运动速度较大
D 火卫二的向心加速度较大
学生自行解决
本环节设计目的：
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通过学生分组讨论这三道思考题，培养学生的语言表达能力。培养学生从物理角度分析实际生活的能力。并切实理解人造卫星的动力学特征，和运动学特点。
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第四环节：梦想成真
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教师：介绍图片杨利伟和神舟五号，展示视频《嫦娥三号的发射过程》
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学生：观看视频，在思想上得到升华。
本环节设计目的：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和疑问深邃而广阔。
爱因斯坦曾经说过：“一个人最完美和最强烈的情感来自对不解之谜。”你想加入破解它的行列吗？
激发同学们的航天梦。
五、学习效果评价设计
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（1）学生完成课堂检测
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1.要使人造卫星绕地球运行，它进入地面附近的轨道速度是________?km/s，要使卫星脱离地球引力不再绕地球运行，必须使它的轨道速度等于或大于________km/s，要使它飞行到太阳系以外的地方，它的速度必须等于或大于________km/s.
2.关于第一宇宙速度，下面说法正确的是（ ）
A.?它是人造地球卫星绕地球飞行的最小速度
B.?它是近地圆形轨道上人造地球卫星的运行速度
C.?它是使卫星进入近地圆形轨道的最小发射速度
D.?它是卫星在椭圆轨道上运行时在近地点的速度
3.某行星的卫星在靠近行星的轨道上飞行，若要计算行星的密度，需要测出的物理量是( )
A.?行星的半径 B.?卫星的半径
C.?卫星运行的线速度 D.?卫星运行的周期
4.关于人造地球卫星与宇宙飞船的下列说法中，正确的是( )
A.?如果知道人造地球卫星的轨道半径和它的周期，再利用万有引力恒量，就可算出地球质量
B.?两颗人造地球卫星，只要它们的绕行速率相等，不管它们的质量、形状差别有多大，它们的绕行半径和绕行周期一定是相同的
C.?原来在同一轨道上沿同一方向绕行的人造卫星一前一后，若要后一卫星追上前一卫星并发生碰撞，只要将后者速率增大一些即可
D.?一艘绕火星飞行的宇宙飞船，宇航员从舱内慢慢走出并离开飞船，飞船因质量减小，所受万有引力减小，故飞行速度减小
5.一颗人造地球卫星离地面高h=3R(R为地球半径).若已知地球表面的重力加速度为g,则卫星做匀速圆周运动的速度是________，角速度是________，周期是________，若已知地球质量为M，万有引力常量为G，则卫星做匀速圆周运动的速度是________，角速度是________，周期是________.
六、点评
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1．从教学设计理念上：
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本节课在设计中突出发挥学生的主体作用，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。
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2．从教学环节上：
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改变了原有的教学思路，而以学生原有的知识认知为基础，将新的问题情景类比旧的知识的方式提出，使学生即能巩固旧的知识，又可在分析新问题中获得新知识。从而使学生在教师的层层设问中，自己分析体会人造卫星的运行特点和发射原理
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3．从教学效果上：
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从看图片开始，教师设计的教学环节，就能使不同层次的学生都能参与中来，而学生的分组讨论和交流合作的形式，也让学生能够充分的思考问题。从而达到了活跃课堂提高教学效率的目的。
例1.关于第一宇宙速度，下列说法正确的是（ ）
A.是人造地球卫星绕地球飞行的最小速度
B.是近地圆轨道上人造地球卫星的运行速度
C.是使卫星进入近地圆轨道的最小发射速度
D.是卫星在椭圆轨道上运行在远地点的速度
例2.做圆周运动的人造地球卫星的轨道半径增大到原来的2倍，仍然做圆周运动，则（ ）
A 卫星的环绕线速度将增大到原来的2倍
B 卫星所需的向心力将减小到原来的1/2
C 地球提供的向心力将减小到原来的1/4
D 卫星的环绕线速度将减小到原来的
例3火星有两颗卫星，分别是火卫一和火卫二，他们的轨道近似为圆。已知火卫一的周期为7小时39分，火卫二的周期为30小时18分，则两颗卫星相比 （ ）
A 火卫一距离火星表面较近
B 火卫二的角速度较大
C 火卫一的运动速度较大
D 火卫二的向心加速度较大
练习：1.要使人造卫星绕地球运行，它进入地面附近的轨道速度是________?km/s，要使卫星脱离地球引力不再绕地球运行，必须使它的轨道速度等于或大于________km/s，要使它飞行到太阳系以外的地方，它的速度必须等于或大于________km/s.
2.关于第一宇宙速度，下面说法正确的是（ ）
A.?它是人造地球卫星绕地球飞行的最小速度
B.?它是近地圆形轨道上人造地球卫星的运行速度
C.?它是使卫星进入近地圆形轨道的最小发射速度
D.?它是卫星在椭圆轨道上运行时在近地点的速度
3.某行星的卫星在靠近行星的轨道上飞行，若要计算行星的密度，需要测出的物理量是( )
A.?行星的半径 B.?卫星的半径
C.?卫星运行的线速度 D.?卫星运行的周期
4.关于人造地球卫星与宇宙飞船的下列说法中，正确的是( )
A.?如果知道人造地球卫星的轨道半径和它的周期，再利用万有引力恒量，就可算出地球质量
B.?两颗人造地球卫星，只要它们的绕行速率相等，不管它们的质量、形状差别有多大，它们的绕行半径和绕行周期一定是相同的
C.?原来在同一轨道上沿同一方向绕行的人造卫星一前一后，若要后一卫星追上前一卫星并发生碰撞，只要将后者速率增大一些即可
D.?一艘绕火星飞行的宇宙飞船，宇航员从舱内慢慢走出并离开飞船，飞船因质量减小，所受万有引力减小，故飞行速度减小
5.一颗人造地球卫星离地面高h=3R(R为地球半径).若已知地球表面的重力加速度为g,则卫星做匀速圆周运动的速度是________，角速度是________，周期是________，若已知地球质量为M，万有引力常量为G，则卫星做匀速圆周运动的速度是________，角速度是________，周期是________.
参考答案：
1.7.9；11.2；16.7
2.BC
3.D 4.AB
课件23张PPT。人造卫星 宇宙速度 1969年7月20日10时56分，阿姆斯特朗小心翼翼的踏上了月面。我国第一颗人造卫星“东方红一号”宇宙速度： 设地球的质量为M，在地面附近绕地球做匀速圆周运动的飞行器的质量为m，飞行器到地心的距离为（即地球半径）r.求飞行器的线速度.
过程：解：卫星做圆周运动，由万有引力提供向心力，根据牛顿第二定律得：
由此解出v =若已知近地卫星在“地面附近”飞行，可以用地球半径R代表卫星到地心的距离r，地球半径R=6400km，地球质量M=5.89×1024kg,把数据代入上式可解得： 物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动的速度，叫第一宇宙速度，数值7.9km/s。
如果地球质量未知，而知道地球表面处的重力加速度，能否求得第一宇宙速度？
由于卫星在地球附近环绕时，卫星做圆周运动的向心力可看作由重力提供，根据牛顿第二定律得
在地面附近发射飞行器，如果发射速度大于7.9km/s，而小于11.2km/s，那么它绕地球运动的轨道就不是圆，而是椭圆。如果速度继续增加，达到或大于11.2km/s时，它就会克服地球的引力，永远离开地球，成为绕太阳运动的一颗人造行星 我们把11.2km/s叫做第二宇宙速度(脱离速度)
如果人造天体的发射速度等于或者大于 16.7km/s，就可以摆脱太阳引力的束缚而邀游太空了。 我们把v3=16.7km/s叫做第三宇宙速度
环绕速度：是指卫星在进入环绕轨道后绕地球做匀速圆周运动的线速度.
人造地球卫星以地心为圆心，做匀速圆周运动，如果半径增大，则线速度，周期，角速度如何变？课堂练习：1.关于第一宇宙速度，下列说法正确的是（ ）
A.是人造地球卫星绕地球飞行的最小速度
B.是近地圆轨道上人造地球卫星的运行速度
C.是使卫星进入近地圆轨道的最小发射速度
D.是卫星在椭圆轨道上运行在远地点的速度BC 2.做圆周运动的人造地球卫星的轨道半径增大到原来的2倍，仍然做圆周运动，则（ ）
A 卫星的环绕线速度将增大到原来的2倍
B 卫星所需的向心力将减小到原来的1/2
C 地球提供的向心力将减小到原来的1/4
D 卫星的环绕线速度将减小到原来的
C D3.火星有两颗卫星，分别是火卫一和火卫二，他们的轨道近似为圆。已知火卫一的周期为7小时39分，火卫二的周期为30小时18分，则两颗卫星相比 （ ）
A 火卫一距离火星表面较近
B 火卫二的角速度较大
C 火卫一的运动速度较大
D 火卫二的向心加速度较大A C 梦想成真总 结:1.宇宙速度
第一宇宙速度7.9km/s
第二宇宙速度11.2km/s
第三宇宙速度 16.7km/s
2.万有引力定律在天文学中的应用，一般有两条思路：?
(1)F万有引力=环绕体所需的向心力?
(2)地面（或某星球表面）的物体的重力=F万有引力.
你当科学家：1957年10月4日，世界上第一颗人造地球卫星在苏联发射成功。卫星重83.6kg，每96min绕地球飞行一圈。
问（ 1 ）卫星距地面的高度是多少？
（ 2 ）卫星运行的角速度多大？
（ 3 ）这个卫星的轨道半径是多大？ 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和疑问深邃而广阔。
爱因斯坦曾经说过：“一个人最完美和最强烈的情感来自对不解之谜。”你想加入破解它的行列吗？ 布置作业： 活动与探究：请你收集有关资料，写一篇科学报告，参考题材如下（也可自己另选题材）。（1）我国的航天发展史
（2）世界航天事业的新进展
（3）宇航员的生活
………… 谢 谢！
