7.4 宇宙航行 教学设计

宇宙航行（选编）
一、目标分解
四、教学活动
任务1：回顾牛顿的设想
问题情景：
如图1所示。
问题
1.如图1所示是牛顿《自然哲学的数学原理》一书中的一幅图，它要表达的意思是什么?
2.图中的DEFG四条轨迹，是因为什么不同造成的?
3.对于从抛出点到G点的运动,我们还能认为是平抛运动吗?它更加接近什么运动?为什么?
4.牛顿设想抛出物体的速度足够大时，物体就不会落回地面，你认为可能吗？
教学建议：
（1）思维引导建议：图1所示是牛顿《自然哲学的数学原理》中的一幅图，它要表达的是人造卫星的原理图，只要抛出物体的速度足够大，物体就可以绕地球运动。图中的DEFG四条轨迹显然对应着不同的发射速度，对于从抛出点到G点的运动,考虑到地面和重力加速度的方向变化，我们不能认为它是平抛运动，它更加接近圆周运动。
（2）教学活动建议:
对问题1、2，可让学生独立回答；对问题3，在学生独立思考的基础上小组讨论再交流，教师根据需要点拔；对问题4，可由学生独立回答。
任务2：认识宇宙速度
问题情景：如图所示。
问题
1.如图2所示，地球上空运行的通讯卫星的寿命一般有15年，这说明太空中是否有空气阻力?
2.如图2所示，通讯卫星能够稳定地绕地球作着匀速圆周运动,说明太阳及其它星球对通讯卫星的引力与地球的引力相比是什么关系?
3.在地球表面绕地球运行的物体的特点是什么?其运行的速度可怎样求解,大小是多少?
4.在地球高空绕地球运行的物体,其运行的速度怎样求解?
5.什么是第一宇宙速度?有几种计算方法?它的数值是多少?
6.如图3，第二和第三宇宙速度的数值为多少？它们的含义如何？
教学建议：
（1）思维引导建议：通讯卫星可以在太空长期工作，说明空气阻力几乎没有；通讯卫星能够绕地球作着稳定的匀速圆周运动，说明太阳及其它星球对通讯卫星的引力可忽略不计；在地球表面绕地球运行的人造卫星的特点是r=R和F=mg,高空的人造卫星只能根据求解。
任务3：探究卫星运行的规律
问题情景：
如图4、5所示。
问题
1.如图6所示，有同学设想了a、b、c三种人造地球卫星的轨道，这些轨道的圆心在什么位置？人造地球卫星可能在这些轨道上稳定运行吗？
2.如图5,卫星离地球越远，其运行速度、周期越大吗?
3.卫星环绕地球做圆周运动，卫星离地球越远，ω、an是否也越大？
4.同步卫星的特点是什么?它的轨道可能在我们的正上方吗?你知道它的轨道应该在何处？
教学建议：
思维引导建议：卫星按轨道划分有三类：倾斜轨道卫星，赤道轨道卫星，极地轨道卫星,这些轨道的特点都是圆心与地球中心重合,引力提供向心力，图中a轨道没有满足这个基本要求。由，可知轨道半径r越大，线速度v越小，同理，由得，，。同步卫星是围绕地球做圆周运动相对于地面静止的人造卫星，故同步卫星只可能定点在赤道某点正上方，不可能在我们城市正上方。其周期等于地球自转周期。
任务4：宇宙速度、发射速度、运行速度辨析
问题情景：如图6、7所示。
问题
1.如图6，火箭的发射是一个不断加速的过程,平常说的发射速度是什么意思?
2.什么是地球的第一宇宙速度？它是发射速度,还是运行速度?
3.如图7所示,将卫星送入低轨道和送入高轨道哪一个需要的发射速度大?
教学建议：
（1）思维引导建议：火箭的发射是一个不断加速的过程,平常说的发射速度是是将火箭的连续加速过程等效为一次发射时的速度。第一宇宙速度是最小的发射速度，也是最大的运行速度。根据常识，人类是先离开地球，再离开太阳系，说明将卫星送入低轨道比较容易，发射速度小，送入高轨道需要的发射速度大。
任务5：载人航天与太空探索
情景：
图8、图9、图10所示。
视频、图片展示
1.世界航天发展历史中有哪些重要事件?
2.中国航天发展历史中有哪些重要事件?
3.21世纪中国载人航天与太空探索的规划是怎样的?
4.航天技术给人类的生活带来了哪些变化?
（1）教学活动建议:课前布置学生几个问题，让学生在网上搜集相关资料。问题1、2、3、4由学生回答，其他同学补充。教师也可以准备一些视频在课堂中播放。