2024-2025學年高中物理 第六章 萬有引力與航天 5 宇宙航行（2）教案 新人教版必修2

2024-2025學年高中物理第六章萬有引力與航天5宇宙航行（2）教案新人教版必修2授課內容授課時數(shù)授課班級授課人數(shù)授課地點授課時間教學內容分析本節(jié)課的主要教學內容為高中物理新人教版必修2第六章“萬有引力與航天”中的第5節(jié)“宇宙航行（2）”。內容主要包括：1.衛(wèi)星的軌道與速度關系；2.宇宙速度的概念及其計算；3.了解載人航天和空間站的基本原理。

教學內容與學生已有知識的聯(lián)系在于，學生在之前的學習中掌握了萬有引力定律、牛頓運動定律等基礎知識，能夠理解并運用這些知識來分析衛(wèi)星運動規(guī)律。在此基礎上，本節(jié)課將引導學生進一步探索衛(wèi)星軌道、速度的物理關系，以及宇宙速度的計算，從而加深對航天原理的理解，并與現(xiàn)實中的載人航天和空間站建設相聯(lián)系，提高學生的知識應用能力。核心素養(yǎng)目標1.物理觀念：理解并掌握宇宙航行的物理原理，形成對衛(wèi)星軌道、速度關系的深刻認識，建立正確的宇宙速度概念。

2.科學思維：運用物理學方法，分析航天器運動規(guī)律，培養(yǎng)邏輯推理和數(shù)學運算能力。

3.科學探究：通過實例探究，培養(yǎng)學生提出問題、解決問題的能力，激發(fā)對航天科學的興趣。

4.科學態(tài)度與責任：了解載人航天和空間站的發(fā)展，激發(fā)學生的國家自豪感，培養(yǎng)對科技創(chuàng)新的責任感。重點難點及解決辦法重點：

1.衛(wèi)星軌道與速度關系的理解。

2.宇宙速度的計算及應用。

3.載人航天和空間站的基本原理。

難點：

1.衛(wèi)星在不同軌道上的速度變化規(guī)律。

2.宇宙速度計算中的物理意義理解。

3.航天器實際運行中的復雜因素分析。

解決辦法與突破策略：

1.通過動態(tài)模擬軟件演示衛(wèi)星軌道與速度關系，增強直觀理解。

2.結合實際案例，引導學生逐步推導宇宙速度的計算公式，強調物理意義的解釋。

3.利用圖表、視頻資料介紹載人航天和空間站的工作原理，幫助學生構建復雜系統(tǒng)的認識。

4.設計小組討論活動，讓學生合作解決具體問題，培養(yǎng)問題解決能力和團隊合作精神。教學方法與手段教學方法：

1.講授法：通過生動的語言和清晰的邏輯，向學生講解衛(wèi)星軌道與速度關系、宇宙速度概念等基本理論知識，確保學生能夠系統(tǒng)地掌握物理概念和原理。

-結合實際案例，如我國嫦娥探月工程，講解理論知識在實際中的應用，提高學生的興趣和認識。

-設置互動環(huán)節(jié)，鼓勵學生提問，及時解答學生的疑惑，增強課堂的互動性和學生的參與感。

2.討論法：針對宇宙航行中的關鍵問題，組織學生進行小組討論，促使學生主動思考，培養(yǎng)學生的批判性思維和團隊合作能力。

-設計具有啟發(fā)性的討論題目，如“如何計算衛(wèi)星的逃逸速度？”等，引導學生深入探討物理問題。

-在討論過程中，教師巡回指導，提供必要的幫助，確保討論的深度和廣度。

3.實驗法：利用物理實驗室或虛擬實驗軟件，進行模擬實驗，讓學生親身體驗宇宙航行的物理過程，增強實踐操作能力。

-設計簡單的實驗，如制作模型衛(wèi)星，觀察不同軌道上的運動狀態(tài)，加深對軌道速度關系的理解。

-利用計算機模擬軟件，模擬衛(wèi)星發(fā)射和軌道運行，讓學生直觀感受宇宙航行的復雜性和精確性。

教學手段：

1.多媒體設備：運用PPT、視頻、動畫等多種形式的多媒體教學資源，直觀展示宇宙航行的物理現(xiàn)象和原理。

-使用動畫演示衛(wèi)星發(fā)射和軌道變化，幫助學生形象理解抽象的物理概念。

-播放航天發(fā)射和空間站生活的視頻，激發(fā)學生對航天科技的興趣和好奇心。

2.教學軟件：利用物理教學軟件，如物理實驗室模擬軟件、天文觀測軟件等，提高教學互動性和實踐性。

-利用軟件模擬宇宙速度的計算過程，讓學生通過操作軟件來理解計算方法。

-使用天文觀測軟件，讓學生模擬觀測衛(wèi)星運動，增強學習體驗。

3.網(wǎng)絡資源：整合互聯(lián)網(wǎng)上的優(yōu)質教學資源，如科普文章、在線課程等，拓寬學生的知識視野。

-推薦相關的科普文章和視頻，讓學生在課后自主學習，拓展課堂學習內容。

-引導學生訪問航天機構的官方網(wǎng)站，獲取最新的航天資訊，增強學生對航天科技發(fā)展的認識。教學實施過程1.課前自主探索

教師活動：

-發(fā)布預習任務：通過學校在線學習平臺，發(fā)布關于宇宙航行預習的PPT和視頻資料，明確預習目標和要求。

-設計預習問題：圍繞“宇宙速度的計算及應用”，設計問題，如“什么是第一宇宙速度？它如何影響衛(wèi)星的軌道？”

-監(jiān)控預習進度：通過學習平臺跟蹤學生的預習情況，及時給予反饋。

學生活動：

-自主閱讀預習資料：學生按照要求，自主學習預習資料，初步了解宇宙航行的基本概念。

-思考預習問題：學生對預習問題進行獨立思考，記錄自己的理解和新產生的疑問。

-提交預習成果：學生將預習筆記、問題等提交至學習平臺或通過電子郵件發(fā)送給老師。

教學方法/手段/資源：

-自主學習法：培養(yǎng)學生獨立思考和自主學習的能力。

-信息技術手段：利用在線平臺，實現(xiàn)資源的共享和預習進度的監(jiān)控。

作用與目的：

-幫助學生提前接觸課程內容，為課堂學習打下基礎。

-培養(yǎng)學生的自主學習習慣和解決問題的初步能力。

2.課中強化技能

教師活動：

-導入新課：通過播放神舟飛船發(fā)射的視頻，引起學生對宇宙航行的興趣。

-講解知識點：詳細講解宇宙速度的概念及其計算方法，結合實際案例幫助學生理解。

-組織課堂活動：設計小組討論，讓學生探討衛(wèi)星軌道與速度的關系，并進行角色扮演，模擬航天工程師解決實際問題。

-解答疑問：在課堂活動中，針對學生的疑問進行解答和指導。

學生活動：

-聽講并思考：認真聽講，積極思考老師提出的問題，如“為什么衛(wèi)星需要達到一定速度才能進入軌道？”

-參與課堂活動：在小組討論中積極發(fā)言，通過角色扮演等活動，體驗宇宙航行知識的應用。

-提問與討論：對于不懂的問題或新想法，勇敢提出并參與課堂討論。

教學方法/手段/資源：

-講授法：通過講解，幫助學生深入理解宇宙速度等知識點。

-實踐活動法：通過小組討論和角色扮演，提高學生的參與感和實踐能力。

-合作學習法：通過團隊協(xié)作，培養(yǎng)學生的溝通和協(xié)作能力。

作用與目的：

-加深學生對宇宙航行物理原理的理解，掌握宇宙速度的計算。

-通過實踐活動，培養(yǎng)學生的動手能力和問題解決能力。

-增強學生的團隊合作意識和溝通能力。

3.課后拓展應用

教師活動：

-布置作業(yè)：根據(jù)課堂內容，布置相關的課后習題，鞏固宇宙速度的計算和應用。

-提供拓展資源：推薦相關的科普文章和在線課程，供學生深入了解宇宙航行的最新發(fā)展。

-反饋作業(yè)情況：及時批改作業(yè)，給予學生反饋，指導學生改進。

學生活動：

-完成作業(yè)：認真完成課后習題，鞏固課堂所學知識。

-拓展學習：利用老師推薦的資源，進行深入學習和思考。

-反思總結：對自己的學習過程進行反思，總結學習收獲，提出改進建議。

教學方法/手段/資源：

-自主學習法：鼓勵學生自主完成作業(yè)，進行拓展學習。

-反思總結法：引導學生通過反思，促進自我提升。

作用與目的：

-鞏固學生在課堂上學到的知識點和技能。

-通過拓展學習，拓寬知識視野，提高學生的科學素養(yǎng)。

-通過反思總結，幫助學生形成良好的學習習慣，促進個人成長。教學資源拓展1.拓展資源：

-科普書籍：《航天知識普及》、《探索宇宙奧秘》等，這些書籍詳細介紹了宇宙航行的歷史、原理以及我國航天科技的發(fā)展。

-科普視頻：中央電視臺《走近科學》等科普節(jié)目有關宇宙航行的專題視頻，幫助學生更直觀地了解宇宙航行的相關知識。

-科普文章：航天雜志、科學網(wǎng)站等媒體發(fā)布的關于宇宙航行、衛(wèi)星軌道、宇宙速度等方面的科普文章。

-航天博物館或科技館：實地參觀，了解航天器實物、模型以及發(fā)射過程，感受航天科技的偉大。

-在線課程：國內外開放的在線課程，如“天體物理”、“航天工程”等，為學生提供更深入的專業(yè)知識學習。

2.拓展建議：

-閱讀科普書籍：學生可以選擇一本感興趣的科普書籍，深入了解宇宙航行的歷史和原理，了解我國航天科技的發(fā)展歷程。

-觀看科普視頻：利用課余時間觀看科普視頻，通過生動的畫面和實例，加深對宇宙航行知識的理解。

-閱讀科普文章：定期閱讀航天雜志或科學網(wǎng)站上的科普文章，了解宇宙航行領域的最新動態(tài)和技術發(fā)展。

-實地參觀：組織或參加學校組織的航天博物館、科技館參觀活動，親身體驗航天科技的魅力。

-學習在線課程：根據(jù)自己的興趣和時間，選擇合適的在線課程進行深入學習，提高自己在天體物理、航天工程等方面的專業(yè)素養(yǎng)。重點題型整理1.計算題：衛(wèi)星的宇宙速度計算

題目：一顆衛(wèi)星質量為m，地球質量為M，地球半徑為R，衛(wèi)星距離地面的高度為h。求衛(wèi)星進入圓形軌道所需的最小速度（第一宇宙速度）。

解答：

根據(jù)萬有引力定律，衛(wèi)星所受的引力為：

\[F=G\frac{Mm}{(R+h)^2}\]

其中，G為萬有引力常數(shù)。

衛(wèi)星進入圓形軌道時，向心力由萬有引力提供，即：

\[F=m\frac{v^2}{R+h}\]

將上述兩式聯(lián)立，得到第一宇宙速度：

\[v=\sqrt{\frac{GM}{R+h}}\]

2.計算題：衛(wèi)星軌道變化問題

題目：已知衛(wèi)星在某一高度的軌道速度為v1，若要將衛(wèi)星送入更高軌道，軌道速度變?yōu)関2，求所需增加的速率。

解答：

根據(jù)能量守恒定律，衛(wèi)星在軌道上的總機械能E為：

\[E=-\frac{GMm}{2(R+h)}\]

其中，G為萬有引力常數(shù)，M為地球質量，m為衛(wèi)星質量，R為地球半徑，h為衛(wèi)星距離地面的高度。

衛(wèi)星在軌道1上的速度為v1，軌道2上的速度為v2，則衛(wèi)星在軌道1和軌道2上的機械能分別為：

\[E_1=-\frac{GMm}{2(R+h_1)}\]

\[E_2=-\frac{GMm}{2(R+h_2)}\]

其中，h1和h2分別為衛(wèi)星在軌道1和軌道2上距離地面的高度。

根據(jù)能量守恒定律，E1=E2，可以得到：

\[\frac{GMm}{2(R+h_1)}=\frac{GMm}{2(R+h_2)}\]

整理得到：

\[h_2-h_1=\frac{v_1^2}{2GM}-\frac{v_2^2}{2GM}\]

所需增加的速率為：

\[\Deltav=v_2-v_1=\sqrt{\frac{2GM}{R+h_2}}-\sqrt{\frac{2GM}{R+h_1}}\]

3.計算題：衛(wèi)星發(fā)射燃料問題

題目：已知衛(wèi)星質量m，火箭質量M，火箭燃燒后的速度v1，燃燒前的速度v0。求火箭燃燒所需的最小燃料質量。

解答：

根據(jù)動量守恒定律，火箭燃燒前后的總動量守恒，即：

\[(M+m)v_0=Mv_1+mv_2\]

其中，v2為衛(wèi)星發(fā)射后的速度。

解得：

\[v_2=\frac{(M+m)v_0-Mv_1}{m}\]

火箭燃燒所需的最小燃料質量為：

\[\Deltam=M-\frac{(M+m)v_0}{v_1}\]

4.計算題：空間站對接問題

題目：空間站A以速度v繞地球勻速運行，空間站B需要與A對接。求空間站B從低軌道加速到與A軌道相同高度所需的速度增量。

解答：

空間站A在軌道上的機械能E1為：

\[E_1=-\frac{GMm}{2(R+h)}\]

其中，G為萬有引力常數(shù)，M為地球質量，m為空間站質量，R為地球半徑，h為空間站距離地面的高度。

空間站B在低軌道上的機械能E2為：

\[E_2=-\frac{GMm}{2(R+h_2)}\]

其中，h2為空間站B距離地面的高度。

空間站B加速后，與空間站A在同一軌道上的速度為v2，機械能E3為：

\[E_3=-\frac{GMm}{2(R+h)}\]

根據(jù)能量守恒定律，E2=E3，可以得到：

\[\frac{GMm}{2(R+h_2)}=\frac{GMm}{2(R+h)}\]

整理得到：

\[h-h_2=\frac{v_2^2}{2GM}-\frac{v^2}{2GM}\]

空間站B所需的速度增量為：

\[\Deltav=v_2-v=\sqrt{\frac{2GM}{R+h}}-\sqrt{\frac{2GM}{R+h_2}}\]

5.應用題：衛(wèi)星壽命問題

題目：已知衛(wèi)星在某一高度的軌道半徑為r，地球質量為M，衛(wèi)星質量為m。求衛(wèi)星在該軌道上的運行周期T，并估算衛(wèi)星的壽命。

解答：

根據(jù)開普勒第三定律，衛(wèi)星在軌道上的運行周期T與軌道半徑r的關系為：

\[T^2=\frac{4\pi^2r^3}{GM}\]

解得：

\[T=2\pi\sqrt{\frac{r^3}{GM}}\]

衛(wèi)星的壽命與軌道高度有關，一般而言，軌道高度越低，衛(wèi)星壽命越短。可以估算衛(wèi)星在軌道上的壽命為：

\[\text{壽命}\approx\frac{1}{2}\times\frac{r}{v}\timesT\]

其中，v為衛(wèi)星在軌道上的速度。教學反思在這次的教學中，我對宇宙航行這一章節(jié)有了更深入的理解，同時也發(fā)現(xiàn)了一些需要改進的地方。

首先，我發(fā)現(xiàn)學生對宇宙速度的計算理解不夠深入。雖然我在課堂上詳細講解了宇宙速度的概念及其計算方法，但學生在實際操作中還是遇到了一些困難。因此，我計劃在下一節(jié)課中增加一些實例練習，讓學生通過實際操作來加深對宇宙速度計算的理解。

其次，我發(fā)現(xiàn)學生對衛(wèi)星軌道與速度關系的理解也有待提高。雖然我在課堂上通過動態(tài)模擬軟件演示了衛(wèi)星軌道與速度關系，但學生在小組討論中仍然存在一些疑問。因此，我計劃在下一節(jié)課中增加一些小組討論的環(huán)節(jié)，讓學生通過合作學習來更好地理解這一關系。

此外，我還發(fā)現(xiàn)學生對航天器實際運行中的復雜因素分析能力不足。雖然我在課堂上利用圖表、視頻資料介紹了載人航天和空間站的工作原理，但學生在課