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2019-2020年高一物理《宇宙航行》教學(xué)設(shè)計教案 教學(xué)目標 一、知識目標 1.能夠用萬有引力定律和牛頓第二定律推導(dǎo)第一宇宙速度，了解第二、第三宇宙速度； 2.理解衛(wèi)星的運行速度、周期與半徑的關(guān)系，了解同步衛(wèi)星的特點；建立起關(guān)于各種衛(wèi)星的運行狀況的正確圖景； 二、過程與方法 1.經(jīng)歷探究人造衛(wèi)星由設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實的過程，體會猜想、外推的科學(xué)方法； 2.通過對衛(wèi)星繞行星運動的研究，養(yǎng)成用萬有引力是天體運動的向心力這一基本方法研究問題的習(xí)慣； 三、情感目標 1.了解人類探索太空的過程，感受科技發(fā)展對人類進步的巨大促進作用，通過對我國航天事業(yè)發(fā)展史的了解，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，滲透愛國主義教育。 2.認識到天體運動的實質(zhì)是牛頓第二定律的具體應(yīng)用，能對已有的知識進行組織和歸類，學(xué)會構(gòu)建知識體系，能從整體的角度看問題，形成對知識的整體感。 教學(xué)重點 1.研究天體運動的基本思路與方法； 2.第一宇宙速度的推導(dǎo)；人造衛(wèi)星的速度、周期的比較；同步衛(wèi)星的特點。 教學(xué)難點 1.第一宇宙速度是衛(wèi)星發(fā)射的最小速度，是衛(wèi)星環(huán)繞運行的最大速度； 2.同步衛(wèi)星的特點 電教設(shè)計 本課的教學(xué)設(shè)計中教師的主體作用表現(xiàn)為：積極創(chuàng)設(shè)問題情境、啟發(fā)學(xué)生思維；學(xué)生的主體作用為：動腦、動口、動手。而電教媒體則為這一切提供豐富的信息資源和交互平臺。 本節(jié)課電教設(shè)計含：二個課件 （１：將衛(wèi)星的運動與行星的運動作一類比；２：在動態(tài)變化過程中認知三種宇速；）；圖片３張 （配合分析宇宙速度）；錄像一段 （人造衛(wèi)星與空間技術(shù)的發(fā)展史：使學(xué)生在物理學(xué)史中感知知識，培養(yǎng)創(chuàng)新思維、探索精神和科學(xué)的整體感。）；投影片若干（鞏固練習(xí)，加大信息密度和課堂容量。） 在每個環(huán)節(jié)，先用媒體讓學(xué)生形成感性認知，以問題為中心，學(xué)生在觀察與體驗中思考，自覺地由淺入深，由感性到理性分層探索，再通過師生的討論、分析、概括及應(yīng)用，實現(xiàn)由感性認識上升為理性認識的飛躍。將思維的發(fā)展貫穿于知識認知的全過程，是本課的一條主線。 教學(xué)過程 一、引入新課 1.簡述新聞背景———神舟號。激發(fā)學(xué)生的求知欲和民族自豪感，從而使課堂教學(xué)在一個良好的心理氛圍中開始。［師］點擊展示幻燈片１、２。 2.由人類飛天之夢的歷史引入課題。 二、新授 1.牛頓的設(shè)想 教師：提供生活經(jīng)驗： １）地球?qū)χ車矬w有引力作用，因此拋出的物體要落回地面。但是拋出的初速度越大，物體就會飛得越遠。 ２）地球是球體。 教師：牛頓說：“沒有大膽的猜測就不可能作出偉大的發(fā)現(xiàn)?！蹦銓Υ四茏髟鯓拥牟孪耄? 教師：將學(xué)生的回答與牛頓的設(shè)想作對比，作出肯定，使學(xué)生體驗思考的快樂。 陳述牛頓的設(shè)想：從高山上用不同的水平速度拋出物體，速度一次比一次大，落地點也就一次比一次離山腳遠。如果沒有空氣阻力，當速度足夠大時，物體就永遠不會落到地面上來。它將圍繞地球旋轉(zhuǎn)，成為一顆永遠繞地球運動的人造地球衛(wèi)星。點擊Flash課件說明。 教師：科學(xué)是一種假設(shè)，在已有事實的基礎(chǔ)上合理外推，科學(xué)地假設(shè)，是認識未知事物的一種科學(xué)的方法。 教師：物體從受到重力，而不掉下來，這一點跟用繩系住一個物體恰好經(jīng)過最高點，重力提供向心力的情況相似。 2、三種宇宙速度 為什么物理大師牛頓關(guān)于衛(wèi)星的設(shè)想提出后很長時間未能實現(xiàn)呢？是因為發(fā)射衛(wèi)星所需的速度太大了，當時人類科技的水平還產(chǎn)生不了這樣大的速度。 在地面發(fā)射衛(wèi)星需要的最小速度值為7.9km/s，這個速度是怎么計算出來的呢？ 解法一： 學(xué)生1：（板書）設(shè)地球和人造地球衛(wèi)星的質(zhì)量分別為m和m, 衛(wèi)星到地心的距離是r ，衛(wèi)星的環(huán)繞速度為v： 解法二： 教師：在地面附近繞地球做勻速圓周運動的衛(wèi)星的向心力，就是地球?qū)πl(wèi)星的萬有引力,此時萬有引力的大小與重力的關(guān)系是什么? 教師：你能根據(jù)這一關(guān)系，從另一角度求這個速度嗎？ 學(xué)生2：（板書）： 這就是人造衛(wèi)星在地面附近繞地球做勻速圓周運動所必須具有的速度，叫第一宇宙速度。第一宇宙速度是發(fā)射一個物體，使其成為地球衛(wèi)星的最小速度。若以第一宇宙速度發(fā)射一個物體，物體將在貼著地球表面的軌道上做勻速圓周運動。 （說明：此值沿水平方向離開地面時一次性所需速度的理論值，實際值要復(fù)雜些。不利的一面是大氣阻力；有利的一面是地球的自轉(zhuǎn)。） 若求火星的第一宇宙速度，如何求？進一步理解表達式的內(nèi)涵。 當人造地球衛(wèi)星進入地球附近的軌道速度大于7.9km/s,而小于11.2km/s時它繞地球運動的軌跡就不再是圓，而是橢圓.，且衛(wèi)星做變速率的運動。 如果物體發(fā)射的速度更大，達到或超過11.2km/s時，物體將能夠擺脫地球引力的束縛，成為繞太陽運動的人造小行星。 11.2km/s這個速度稱為第二宇宙速度。也叫脫離速度。 如果物體的發(fā)射速度再大，達到或超過16.7km/s時，物體將能夠擺脫太陽引力的束縛，飛到太陽系外。 16.7km/s這個速度稱為第三宇宙速度。也叫逃逸速度。 （過渡）實際的衛(wèi)星并不是在地表水平發(fā)射的，而是用火箭送到一定的高度，再沿以地心為圓心的圓周的切線運行。此時衛(wèi)星的繞地球的速度又怎么求呢？ 3、衛(wèi)星的運行參數(shù) 問題：衛(wèi)星的速度、周期跟軌道半徑的關(guān)系推導(dǎo) 說明：1）衛(wèi)星的運行快慢與其本身質(zhì)量無關(guān)，僅由軌道半徑?jīng)Q定。軌道半徑越大，運行速度越??；軌道半徑越小，運行速度越大。換句話說，離行星越近的衛(wèi)星運動速度越大。則第一宇宙速度是所有環(huán)繞地球做圓周運動的衛(wèi)星的最大速度。由圖表資料說明。 教師：同一軌道上的不同質(zhì)量的衛(wèi)星是否會相撞？ 教師：是否離地越遠的衛(wèi)星發(fā)射越容易呢？ （說明：發(fā)射速度和運行速度不同，向高軌道發(fā)射衛(wèi)星，火箭要克服地球?qū)λ囊ψ龅墓Ω?。? 4、常用衛(wèi)星 閱讀書后STS《航天事業(yè)改變著人類生活》 教師：地球外有數(shù)千顆衛(wèi)星，這些的衛(wèi)星都環(huán)繞地心運動。運行軌道與地球上的經(jīng)線能否共面？緯線呢？ 按用途劃分，補充介紹衛(wèi)星大致的種類 1.科學(xué)探測衛(wèi)星：空間物理環(huán)境探測 2.技術(shù)試驗：進行新技術(shù)試驗 3.資源衛(wèi)星：勘測和研究地球自然資源 4.偵察衛(wèi)星：竊取軍事情報 5.氣象衛(wèi)星：對地球及其大氣層進行氣象觀測 6.（重點介紹）通信衛(wèi)星：從地球上看靜止不動。 教師：是真的不動么？強調(diào)只是相對靜止，地球在自轉(zhuǎn)，衛(wèi)星與地球同步自轉(zhuǎn)。 這種衛(wèi)星繞地球運動的角速度與地球自轉(zhuǎn)的速度相同，所以從地面上看，它總在某地的正上方，因此叫同步衛(wèi)星。這種衛(wèi)星一般用于通訊，又叫同步通訊衛(wèi)星。 教師：我們平時看電視實況轉(zhuǎn)播時總聽到解說員講：正在通過太平洋上空或印度洋上空的通訊衛(wèi)星轉(zhuǎn)播電視實況，為什么北京上空沒有同步衛(wèi)星呢？ ①軌道平面：與赤道共面 若在北緯或南緯某地上空真有一顆同步衛(wèi)星，那么這顆衛(wèi)星軌道平面的中心應(yīng)是地軸上的某點，而不是地心，其需要的向心力也指向這一點。而地球所能夠提供的引力只能指向地心，所以北緯或南緯某地上空是不可能有同步衛(wèi)星的。 ②同步衛(wèi)星的周期是多少呢？T=24h 由于同步衛(wèi)星的周期與地球自轉(zhuǎn)周期相同，所以此衛(wèi)星離地球的距離只能是一個定值。換句話說，所有地球的同步衛(wèi)星只能分布在赤道正上方的一條圓弧上，而為了衛(wèi)星之間不相互干擾，大約3度角左右才能放置一顆衛(wèi)星，地球的同步通訊衛(wèi)星只能有120顆?？梢?，空間位置也是一種資源。(可視時間讓學(xué)生推導(dǎo)同步衛(wèi)星的高度) ③軌道半徑：r=4.22104km=6.6R地 ④運動速度：V=3.1km/s 5、深化與提高 [例1] 書后練習(xí)T1，拓展求衛(wèi)星的周期、線速度、加速度。（選題目的：展現(xiàn)新中國科技成就，增強自豪感和對物理科學(xué)的親近感。） [例2] 書后練習(xí)T3，（選題目的：理清概念，學(xué)會正確選擇公式。） ） [例3] 據(jù)某報報道，某國發(fā)射了一顆周期為80分鐘的人造地球衛(wèi)星，用你學(xué)過的知識判斷這則新聞的真?zhèn)?。（選題目的：加強科學(xué)、社會、生活的聯(lián)系，讓學(xué)生感覺到生活中就有物理，反對偽科學(xué)。） [例4] 正在軌道上運行的衛(wèi)星，上面一根天線突然脫落，問天線將做何種運動？（選題目的：加強對力和運動關(guān)系的認識。） [例5] 某人造地球衛(wèi)星距地面高h，地球半徑為R，質(zhì)量為M，地面重力加速度為g0，引力常量為G。 （1）分別用h、R、M、G表示出衛(wèi)星的周期T、線速度V、加速度ω； （2）分別用h、R、g0表示出衛(wèi)星的周期T、線速度V、加速度ω。 選題目的：理解重力（重力加速度）隨高度的變化而變化，熟練運用不同位置萬有引力或重力的表達式解決天體運動問題。 三、課堂小結(jié) 本節(jié)課我們學(xué)習(xí)了如何用萬有引力定律來研究衛(wèi)星運動的問題；深化了對萬有引力是向心力這一研究天體運動的基本方法掌握；了解了衛(wèi)星的發(fā)射與運行的一些情況；知道了第一宇宙速度是衛(wèi)星發(fā)射的最小速度，是衛(wèi)星繞地球運行的最大速度。 最后在一段有關(guān)《人造衛(wèi)星與空間技術(shù)的發(fā)展史》的紀錄片中，結(jié)束本課學(xué)習(xí)，作業(yè)公布于黑板。 四、布置作業(yè) 1.復(fù)習(xí)并整理本課內(nèi)容 2.完成專用作業(yè)紙（實現(xiàn)練習(xí)與課堂內(nèi)容的高度統(tǒng)一，加強練習(xí)的針對性，并實現(xiàn)作業(yè)分層要求。） 翔宇教育集團高一物理專用作業(yè)紙 設(shè)計人：畢文龍 7．5宇宙航行 班級：________姓名：________學(xué)號：________成績：________ 一、知識回顧 天體運行及人造衛(wèi)星問題的研究方法都是：將做環(huán)繞運動的天體的運動近似地看作________運動，而________力提供其向心力。 二、精選練習(xí) 1.若人造衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動，則離地面越近的衛(wèi)星（ ） A、速度越大 B、角速度越大 C、向心加速度越大 D、周期越長 2、有兩顆人造地球衛(wèi)星，它們的質(zhì)量之比是m1：m2=1：2，運動速度之比V1：V2=1：2，則它們的周期之比為________；軌道半徑之比為________；向心加速度之比為________； 所受向心力之比為________ 3、在某個行星的表面以速度豎直上拋一個物體v0，測得上升的最大高度為H；已知該行星的直徑為D.若要給這個行星發(fā)射一顆在行星表面附近運轉(zhuǎn)的衛(wèi)星，其運動速度多大? 4、天文學(xué)家根據(jù)天文學(xué)觀察宣布了如下成果：銀河系中心可能存在一個大黑洞，距黑洞6109km的星體以的速率200km/s繞其旋轉(zhuǎn)；接近黑洞的所有物質(zhì)，即使速度等于光速也掙脫不了其引力作用。計算黑洞的最大半徑； 5、金星的半徑是地球的0.95倍，質(zhì)量為地球的0.82倍,金星表面的自由落體加速度是多大?金星的第一宇宙速度是多大? 6、某小報登載：年月，國發(fā)射了一顆質(zhì)量100kg……，周期為1h的人造環(huán)月衛(wèi)星。一位同學(xué)記不住引力常量G的數(shù)值且手邊沒有可查找的資料，但他記得月球半徑為地球半徑的1/4，月球表面重力加速度為地球表面重力加速度的1/6，經(jīng)過推理，他認定該報道是假新聞。試寫出他的認證方案。（R地＝6.4106km） 思考與困惑： 教學(xué)說明 1．設(shè)計思路：本節(jié)課是一節(jié)知識應(yīng)用與擴展的課程，所以設(shè)計時注意加大知識含量，引起學(xué)生興趣。同時注意方法的培養(yǎng)，讓學(xué)生養(yǎng)成用萬有引力是天體運動的向心力這一基本方法研究問題的習(xí)慣，避免套公式的不良習(xí)慣。圍繞第一宇宙速度的討論，讓學(xué)生形成較正確的衛(wèi)星運動圖景。 2.運用現(xiàn)代教育技術(shù)能夠擴展可視性，實現(xiàn)對現(xiàn)實的形象模擬。媒體的運用力力求體現(xiàn)引導(dǎo)認知性、體現(xiàn)邏輯性和現(xiàn)實模擬的真實性上。 板書設(shè)計 人造衛(wèi)星、宇宙速度 一、牛頓的設(shè)想 二、第一宇宙速度的推導(dǎo) 推導(dǎo)1　 推導(dǎo)2 三、衛(wèi)星的運行規(guī)律 四、同步衛(wèi)星的特點 五、作業(yè)布置 教學(xué)設(shè)計思路 一、教學(xué)觀念與模式 怎樣創(chuàng)設(shè)一系列真實的問題情境，讓學(xué)生真正有面臨真實問題的感覺，利用已有知識通過自己的探究獲取新知，這是一個困擾了我很久的問題。 傳統(tǒng)的教學(xué)觀將知識當成定論，把學(xué)習(xí)看成是知識由外到內(nèi)的輸入，同時低估了學(xué)習(xí)者的認知能力、知識經(jīng)驗和差異性，并在教學(xué)中表現(xiàn)出簡單化的傾向。美國教育家G.玻利亞指出，不要把你的全部秘訣一古腦地倒給學(xué)生，而要讓他們先猜想一番，引導(dǎo)他們獨立地思考，找出盡可能多的東西，然后再講給他們聽。在這種教育思想的啟發(fā)下，我努力尋求一種能夠很好地將思維發(fā)展與知識認知有機結(jié)合的課堂教學(xué)模式，并力圖體現(xiàn)強調(diào)學(xué)習(xí)的構(gòu)建性和學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)潛能，關(guān)注知識的內(nèi)部生成的現(xiàn)代教學(xué)觀。 二、電教設(shè)計 1、素材的選擇 圖片3張（由最新科技新聞引入課題，增強學(xué)生對物理學(xué)科的親切感，誘發(fā)學(xué)習(xí)動機）； 二個課件（1：在動態(tài)變化過程中認知三種宇速2：衛(wèi)星的運動特征）； 錄像一段（人造衛(wèi)星與空間技術(shù)的發(fā)展史：使學(xué)生在物理學(xué)史中感知知識，培養(yǎng)創(chuàng)新思維、探索精神和科學(xué)的整體感。）； 投影片若干（鞏固練習(xí)，加大信息密度和課堂容量。） 2、媒體的目的 提供物理事實，創(chuàng)設(shè)物理情境（輔助教學(xué)，圖片、視頻與動畫結(jié)合）； 轉(zhuǎn)化模型，形成表象，認識重要的概念和規(guī)律（充分運用動畫的解析功能，突破難點）； 提供應(yīng)用物理知識的典型示例（重在物理過程分析，突出重點）。 三、教師、學(xué)生、教材、媒體的關(guān)系 本課的教學(xué)設(shè)計中教師的主體作用表現(xiàn)為：積極創(chuàng)設(shè)問題情境、啟發(fā)學(xué)生思維；學(xué)生的主體作用為：動腦、動口、動手。而教材及電教媒體則為這一切提供豐富的信息資源和交互平臺。 值得注意的是運用媒體時，切不可將課堂教學(xué)當成信息的堆積與單純的呈現(xiàn)，課堂的主動權(quán)必須牢牢地抓在教師的手中。無論在內(nèi)容選題還是展示過程，主動權(quán)都交給教師，將有利于教師設(shè)計創(chuàng)造性的教學(xué)方案，并根據(jù)學(xué)生的觀察、思維活動給予啟發(fā)和指導(dǎo)。教師應(yīng)充分考慮學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的思維規(guī)律，把教學(xué)的重點放在模型轉(zhuǎn)化、狀態(tài)分析、過程發(fā)展等方面，突出多媒體技術(shù)在這些方面的優(yōu)勢。 以問題為中心的課堂教學(xué)模式已經(jīng)比較成熟，本課即圍繞這樣幾個中心問題展開： 1.為什么在物理大師牛頓提出衛(wèi)星的設(shè)想后的很長時間內(nèi)未能實現(xiàn)？回答第一宇宙速度的大小與推導(dǎo)。 2.為什么同軌衛(wèi)星不相撞？第一宇速為何是發(fā)射衛(wèi)星的最小速度，是環(huán)繞運動衛(wèi)星的最大速度？r越大衛(wèi)星發(fā)射越容易么？ 回答衛(wèi)星的運行規(guī)律。 3.為什么同步衛(wèi)星不能在北京的正上方？同步衛(wèi)星的資源又是很有限的？回答同步衛(wèi)星的特點。 這樣，學(xué)生在觀察與體驗中思考，自覺地由淺入深，由感性到理性分層探索。在每個環(huán)節(jié)，教師先用媒體讓學(xué)生形成感性認知，再通過師生的討論、分析、概括及應(yīng)用，學(xué)生的認識才能夠?qū)崿F(xiàn)由感性認識上升為理性認識的二次飛躍。只有學(xué)生成為課堂的認知主體，并與教材、媒體和教師和諧地進行作用時，這些要素才構(gòu)成優(yōu)化的課堂教學(xué)系統(tǒng)。 教學(xué)過程流程圖 點　　評 宇宙航行這一節(jié)的理論較為抽象，以往的教學(xué)設(shè)計都是以理論推導(dǎo)為主，然后通過練習(xí)不斷糾正學(xué)生的錯誤觀念，達到強化教學(xué)目標的目的。本教學(xué)設(shè)計中，教師則跳出了這一誤區(qū)，根據(jù)教與學(xué)的實際創(chuàng)新性提出了自己的教學(xué)思路。其突出的特點有如下幾方面： 1．現(xiàn)代教育觀與傳統(tǒng)教育觀相比實現(xiàn)了幾個轉(zhuǎn)變，即從強調(diào)知識的量轉(zhuǎn)為強調(diào)知識的質(zhì)，從強調(diào)記憶轉(zhuǎn)為強調(diào)思維，從注重學(xué)習(xí)的結(jié)果轉(zhuǎn)向注重學(xué)習(xí)過程，更重視知識的來源、學(xué)科背景和探究過程。本課通過創(chuàng)設(shè)一系列真實的問題情境，引導(dǎo)學(xué)生獨立地猜想和分析，這種教學(xué)模式很好地將思維發(fā)展與知識認知有機地結(jié)合起來，充分體現(xiàn)了新課程關(guān)注知識的內(nèi)部生成的現(xiàn)代教學(xué)觀念。 2．本節(jié)屬于知識應(yīng)用與擴展的課程，教師在設(shè)計時注重加強了知識的容量，并十分注意調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。用最新科技新聞圖片引入課題，增強學(xué)生對物理學(xué)科的親切感，誘發(fā)了學(xué)習(xí)動機，選用的天體運動的動畫非常直觀，突出了多媒體技術(shù)在轉(zhuǎn)化模型、形成表象、動態(tài)解析、過程展示方面的優(yōu)勢。課的最后以人造衛(wèi)星與空間技術(shù)的發(fā)展史的錄象讓學(xué)生在物理學(xué)史中感受物理知識，凸顯了知識的歷史感和時代特征。 3．本課圍繞幾個中心問題展開教與學(xué)，思路簡明、清晰。教師不但注重培養(yǎng)學(xué)生分析解決問題的能力，還通過鼓勵學(xué)生如同大師一樣地大膽猜想來培養(yǎng)學(xué)生提出問題的能力。學(xué)生在提出與解決問題的過程中，不斷地體驗著探索的快樂，在不知不覺中對知識的理解由淺入深，科學(xué)的能力也潛移默化地得到了提高，這樣也就保證了知識、過程和情感三維教學(xué)目標的實現(xiàn)。 本節(jié)課教者很好地處理好了學(xué)生、教師與媒體的關(guān)系，優(yōu)化了課堂教學(xué)結(jié)構(gòu)。教學(xué)設(shè)計的過程中處處從學(xué)生的學(xué)習(xí)實際出發(fā)，處處以學(xué)生的發(fā)展為主，并實現(xiàn)課程資源與學(xué)習(xí)者間的和諧作用，較好地達成了教學(xué)目標，是一節(jié)很成功的課。