7.4 宇宙航行 教学设计（表格式）

第 7 单元 万有引力与宇宙航行 第 4 课时 宇宙航行
教学内容
设计思路： 首先，通过观看我国最新的航天成果，长征七号将通信技术实验卫星发射升空视频，激发学生的学习兴趣从而引入课题，从牛顿设想引导学生建立模型。 其次，根据本节课的学习知识目标，又将目标分为三个学习任务进行逐一学习。本节课的重点是第一宇宙速度的推导，所以在教学设计上先让学生通过万有引力定律和圆周运动的知识推导第一宇宙速度的公式，利用该公式求解第一宇宙速度的数值，并通过第一宇宙速度了解第二、第三宇宙速度及其意义，同时在课堂设计中突出充分发挥学生的主体作用，通过情景→问题→思考→启发→引导→讨论→解疑的这样一条主线，激发鼓励学生大胆思考、积极参与课堂讨论，让学生通过自己的分析研究去突破本节课的难点，让学生更好地掌握人造卫星的运行规律。 最后教师带领学生感悟这节课的收获并布置课后作业。+ 教材分析： 本节介绍了万有引力定律的实践性成就，要求学生知道万有引力理论使人类实现了“飞天”梦想。重点理解第一宇宙速度。通过人类对太空探索和我国在载人航天和宇宙探索方面的成就与进展的介绍，增强学生的民族自豪感，落实“科学态度与责任”这一核心素养。 学情分析： 通过前面的学习，学生已对平抛运动、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，通过教师合理诱导，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，建构物理模型能力欠缺。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。
教学目标
物理观念： 知道第一、第二、第三宇宙速度的数值和含义。 了解发射速度与运行速度的区别和联系。 知道人造地球卫星的轨道特点和运动规律，了解地球同步卫星的特点。 科学思维： 1、能将一些熟悉天体的运动抽象成匀速圆周运动模型，能推导第一宇宙速度。 2、能分析人造地球卫星的受力和运动情况，能解决涉及地球人造地球卫星运动轨道半径、周期、线速度和加速度的计算及比较问题，提升科学思维和素养。 科学探究： 能够用万有引力定律和牛顿运动定律探索并推导第一宇宙速度，为构建卫星圆周运动模型和推导论证卫星变轨过程中的速度、加速度、周期等物理量的变化情况做铺垫。 科学态度与责任： 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。
重难点
教学重点：知道第一宇宙速度的推导及意义。 教学难点：知道卫星的运行规律、发射速度与运行速度的区别和联系
教学过程设计
环节一：新课引入 播放长征7号将通信技术实验卫星16号发射升空的视频。 提问：将物体竖直上抛，这个物体会受地球的引力掉落下来，那发射出去的卫星为什么不会掉落反而升空呢？ 激发学生的探索兴趣从而引入课题。 环节二：新课讲授 宇宙速度 卫星发射原理 很多年前牛顿结合生活实际提出了这样的设想： 在高山上水平抛出一个物体，初速度越大，平抛距离越大。当平抛速度足够大时，物体就不再落回地面，而是围绕地球做圆周运动，成为一颗人造地球卫星。 提问：物体绕地球做圆周运动的向心力由什么力提供？ 提问：抛出的速度为多大，物体才能成为人造地球卫星呢 创设情境：学生推导第一宇宙速度 物体抛出后不落回地面，绕地心做匀速圆周运动，万有引力提供向心力。 物体做圆周运动的轨道半径为r、地球半径为R、物体距地面高度h。 学生推导： 其中 教师补充：贴近地面运动的卫星，称为近地卫星。 由于R>>h则r=R+h≈R（将数据给出，让学生计算） 这一速度称为第一宇宙速度。 提问： 如果不知道地球的质量，但知道地球表面的重力加速度g，如何求v？ 卫星发射后，地球自转对卫星的运动没有影响，重力等于万有引力，引导学生推导。 学生推导： 由此可见：v=7.9km/s，这就是物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动所必须具备的发射速度，称为：第一宇宙速度。 提问：如果卫星的速度小于7.9km/s，卫星会怎样运动？ 学生：卫星将落到地面而不能绕地球运转。 教师：所以想要成功发射一颗卫星，这个发射速度不小于7.9km/s。这个速度就是物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动所必须具备的最小发射速度。 提问：如果卫星的速度等于7.9km/s，卫星会怎样运动？ 学生：卫星刚好能在地球表面附近作匀速圆周运动。 提问：如果卫星的速度大于7.9km/s，卫星还能做匀速圆周运动吗？ （学生分析讨论） 学生分析后回答：不能，速度增大，所需的向心力由于速度增大而增大，万有引力不足以提供向心力将做离心运动。 （1）做离心运动逐渐远离地球，r增大，所需要向心力减小，万有引力又可以提供向心力，就可以将卫星吸回来，做椭圆运动。 （2）做离心运动逐渐远离地球，近地点速度大，远地点速度小，速度减小，所需要向心力减小，万有引力又可以提供向心力，就可以将卫星吸回来，做椭圆运动。 通过计算与分析，可知卫星的轨迹确实为椭圆。如果物体的抛出速度再大一点，当个椭圆就会更大，物体的远地点也会离地球越来越远。请大家想一想，物体的抛出速度不断增大，它还能一直绕地球做椭圆运动吗？ 学生：物体可能会离开地球回不来啦！ 教师：根据科学家的计算，如果发射速度达到11.2km/s，物体就会飞出地月系，绕着太阳运动。我们把这个速度称为第二字宙速度。当然，若是发射速度再增大，达到16.7km/S，卫星就会飞出太阳系。我们把这个速度称为第三字宙速度。 人造地球卫星 牛顿虽然很早就预言了人造地球卫星，但因发射需要达到的速度太大，人类一直难以实现。知道1957年，世界上第一颗人造地球卫星才发射成功。1970年，我国第一颗人造地球卫星“东方红一号”发射成功，开创了中国航天史的新纪元。到目前为止，人类已经发射了数千颗人造地球卫星，其中的通信、导航、气象等卫星已极大地改变了我们的生活。 提问：请同学们在地球（用圆表示）的周围画出人造地球卫星可能的圆轨道。 （学生动手在导学案上画） 然后请学生到讲台上以地球仪为地球，以呼啦圈为圆轨道进行比划。（形象直观） 让这位同学讲解这样画圆轨道的原因，归纳得到圆轨道的特点：圆轨道中心与地球球心重合。 教师比划“天使光环”典型错误帮助同学们加深记忆。 在学习了人造地球卫星的轨道特点后，我们来了解一下常见的地球同步卫星。 （1）近地卫星 近地卫星是在地球表面上方300-500Km的高度运行的卫星。 思考：近地卫星的运行速度是多大 （学生计算） 教师：结合我们昨天学习的卫星运行的规律：高轨低速周期长，低轨高速周期短。这个时候的轨道是最低的，那它的运行速度是最怎样的？ 学生：运行速度是最大的。 教师：这个速度也是最大的环绕速度。 地球同步卫星 位于地面上方高度约36000Km处，周期与地球自转周期相同的卫星叫做地球同步卫星。其中一种的轨道平面与赤道平面成0度角，运动方向与地球自转方向相同，相对地面静止的卫星，叫做静止卫星。 载人航天与太空探索 播放中国航天全记录视频，提问同学们的感想， “同学们，中国航天从“东方红”卫星到“天宫”空间站，从月球取壤到火星漫步，每一步都凝聚着“特别能吃苦、特别能战斗”的航天精神。这些成就不止属于科学家，也属于每个心怀星空的你们—未来或许有人会设计太空站、登陆火星，但此刻请记住：星辰大海的梦想始于脚踏实地。珍惜每一堂课，保持好奇与坚持，你就是未来的追光者！” 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。 环节三：巩固提升 环节四：知识小结 对照板书带领学生回顾本节课知识。
目标检测设计
目标1：学生能够用万有引力定律和牛顿运动定律推导第一宇宙速度，知道三个宇宙速度的物理意义。 如图是关于地球表面发射卫星时的三种宇宙速度的示意图,椭圆轨道为某卫星的运动轨道,下列说法正确的是 (　) A.此卫星的发射速度大于第一宇宙速度 B.此卫星在远地点的速度大于第一宇宙速度 C.若想让卫星进入月球轨道,发射速度需大于第二宇宙速度 D.若想让卫星进入环太阳轨道,发射速度需大于第三宇宙速度
目标2：学生在解决一般天体或卫星运行规律问题时，能够运用万有引力提供向心力的方法，计算天体运行的相关参量或比较不同环绕物体各运行参量间的关系。 2021年10月16日“神舟十三号”载人飞船与空间站组合体完成自主快速交会对接,执行此次航天任务的三名宇航员将在轨驻留六个月.空间站和同步卫星轨道的示意图如图所示,已知同步卫星的周期为T,地球表面重力加速度为g,第一宇宙速度为v,下面对空间站的运动描述正确的是 (　) A.周期大于T B.速度大于v C.角速度小于 D.加速度小于g
目标3：学生能够区分发射速度和环绕速度。 2021年1月20日,我国在西昌卫星发射中心成功将地球同步卫星天通一号03星发射升空,标志着我国首个卫星移动通信系统建设取得重要进展,关于该卫星下列说法正确的是(　) A.运行速率在7.9 km/s至11.2 km/s之间 B.运行速度大于近地卫星的运行速度 C.角速度比月球绕地球运行的角速度小 D.向心加速度比月球绕地球的向心加速度大