创新情境教学案例《宇宙航行 教学设计》

宇宙航行

石家庄市鹿泉区第一中学  王新栋

学习目标

1.阅读教材第一自然段，通过利用曲线运动知识分析牛顿的猜想的合理性，理解“卫星绕地球做匀速圆周运动的向心力由万有引力提供”。并据此推导出卫星的线速度、角速度、周期、加速度与轨道半径的关系。

2.通过利用供需关系分析“抛出”物体的运动情况，理解三个宇宙速度的含义，知道以不同速度“抛出”物体后，物体的运动情况。

3.通过用两种方法推导第一宇宙速度，学会对“1”中得出的规律的应用，并知道第一宇宙速度是最大运行速度。

4.通过利用“1”中规律分析同步卫星轨道，知道同步卫星轨道的特点，并进一步熟练对规律的应用。

导入新课

师：本节课我们一起学习一下《宇宙航行》，本节课我们要达成以下学习目标：

  1.能用两种方法推导第一宇宙速度。

2.能利用相关知识解决人造卫星的相关问题。

（换片）

说到宇宙航行，先看看何为宇宙。（换片）《文子·自然》中提到：往古来今谓之宙，四方上下谓之宇。“宇宙”，包含了时间和空间两方面的含义。（换片，开始自动播放）

今天，我们就带着曾经学过的知识，跨越时空，重温一下人类的飞天梦想……

（话说完，片放完，换片。）

早在300多年前，牛顿就对人造地球卫星做出了大胆的猜想。（单击）

探究一：宇宙速度（万有引力等于向心力）

牛顿的猜想有什么科学依据吗？你能利用学过的知识分析一下这个猜想的合理性吗？现在给大家两分钟时间思考一下这个问题。

   （板书：卫星绕地做匀速圆周运动的向心力由……）

师：下面，咱们共同分析一下牛顿的猜想的合理性。

当咱们把一个物体抛出之后，物体将会做什么运动？

生：平抛运动。

师：平抛运动的受力有什么特点？

生：恒力。

师：当抛出速度非常大的时候，这个运动还是平抛运动吗？

（借助图片分析）

生：不是。

师：为什么？

生：物体受到万有引力，万有引力始终指向地心，方向在不断变化。（学生可能说不出来，可以引导之。）（换片-受力）

师：咱们看看，这时物体的受力情况和咱们曾经学过的哪个运动模型的受力相似？

生：圆周运动。

师：可是物体落地了，没有做圆周运动呀。这是为什么呢？

生：因为物体的速度太小。

师：也就是万有引力大于所需要的向心力。

从供需关系的角度说就是——

生：供过于求。

师：当抛出速度足够大的时候，物体将不再落回地面，而绕地球做匀速圆周运动，就成为卫星。

    此时，供求平衡，也就是万有引力等于所需要的向心力。

(板书：<接上面>万有引力，）

你能根据这个关系推导出卫星的线速度、角速度和周期的表达式吗？

（发出指令：先独立推导，再结对订正，最后小组生成答案，写在后黑板上。）（最先分析出来的两/三个小组板演）

（订正学生结论，分析恒量、变量。）

使物体恰好不落回地面的“抛出”速度，也就是我们发射卫星的最小速度。我们把这个速度叫做第一宇宙速度。（板书：第一宇宙速度）

由上面的分析可以知道，以第一宇宙速度发射的卫星，恰好在地面附近做匀速圆周运动。（也就是其轨道半径近似等于地球半径）我们把这样的卫星叫做近地卫星。

第一宇宙速度，恰好等于近地卫星运行的线速度。

（这里，大家一定要区分清楚“发射速度”与“环绕速度”这两个概念。第一宇宙速度是最小发射速度与最大运行速度）

所以，第一宇宙速度的表达式为。

可是，它还有另外一种推导方法，你知道吗？

大家知道，在地面附近，重力近似等于万有引力。

下面，大家推导一下。

（学生推导，然后，让学生将结论写到黑板上）

    师：当我们以第一宇宙速度将物体发射出去的话，物体将成为近地卫星。如果，我们以更大的速度发射物体，会怎么样呢？（单击换片）

生：绕地球做椭圆运动。

师：（操作课件演示）如果速度更大的话呢？当发射速度达到11.2 km/s的时候，物体将会挣脱地球的束缚，绕着太阳转动（这部分，学生可能能说出来）。我们把这个速度叫做——（生：第二宇宙速度）（板书）。

    （单击）如果物体的发射速度等于或大于16.7km/s时，物体就能摆脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的宇宙空间去。这个速度叫做——（生：第三宇宙速度）。（板书）

探究二：卫星的运行规律

师：规律，我们已经推导出来了。你会应用了吗？

下面，咱们就利用这些规律分析一下——同步卫星。

有一次，我听到几个人在谈论同步卫星。

介绍同步卫星：周期与地球自转周期相同，与地面上的物体相对静止。

这几个人的对话是这样的（出片）

   甲：我们石家庄正上方也应该有一颗同步卫星。

乙：这颗同步卫星越高越好。

丙：你们说的都不对，同步卫星应该再北京上空。

他们的说法合理吗？你支持何方观点？请简述你的理由。

1.先独立思考。

2.再将自己的想法与身边的同学交流。

3.小组讨论生成共同结论。

（学生思考时，板书：同步卫星）

（学生上台展示，针对学生的展示结果进行点评、归纳提升）

得出结论：（板书：赤道上空、定高）

师：下面大家再思考一个问题（单击）：以下轨道哪些可以是卫星的轨道？

  （学生回答后，简介三种轨道）

师：这节课，我们学习了这些内容（简述板书）。你对这些知识掌握的怎么样？达到学习目标了吗？下面就根据学案上的《小结与目标回顾》，自己评价一下学习效果。

（等待一分钟）

下面，咱们检测一下学习目标的达成情况。

展示要求：1.先独立思考。2.再将自己的想法与身边的同学交流。3.小组讨论生成共同结论。1.BC    2.AC    3.B

同时，去后黑板画表。

对学生做不对的问题进行相应的讲解。

师：大家请注意一个问题：咱们这节课所研究的只是理想化模型。但是，理想化模型的研究对实际的应用也是非常有指导性的。人造地球卫星的发射是非常复杂的一个过程。卫星的运行也不是一个公式就能解决问题的。因为卫星是多种多样的。（单击）有通讯卫星、军事卫星、气象卫星等等。（单击）这是我国最新的北斗导航卫星网。

    那么，这些事情是由谁做的呢？请大家看这段视频。

（看视频）

这些人，只比你们大十岁。今天他们做的这样好，我希望十年之后，你也可以。

其实，我们每个人的心中都有一个梦想，一个一飞冲天的梦想。只要肯努力，我们就一定可以为梦想插上翅膀！下课！