高中物理获奖教案-教学比赛用《宇宙航行》教学设计

高中物理获奖教案-教学比赛用《宇宙航行》教学设计

《宇宙航行》教学设计 设计者：杨绍兰 单位：南京师范大学物科院 物理课程与教学论专业研究生 一、教材分析 “宇宙航行”是人教版—普通高中《物理》教材·必修 2—第六章“万有引力与航天”的第五小节。 主要介绍了万有引力定律的实践成就，及航天事业的发展及其巨大成果。教材不但介绍了人造卫星中一 些基本理论，更是在其中渗透了很多研究实际物理问题的物理方法。因此，本节课是“万有引力与航天” 中的重点内容，是学生进一步学习研究天体物理问题的理论基础。 人造卫星是万有引力定律在天文学上应用的一个实例，是学生学习、了解现代科技知识的一个极好素材。 通过对人造卫星原理、宇宙速度等宇宙航行知识的学习，学生不仅可以对万有引力定律有个更全面、更 深入的认识，对人类进行宇宙航行有一个更为系统的了解，还有助于培养学生 利用所学知识分析、解 决实际问题的能力。同时，也会让学生产生对航天科学的热爱，增强民族自豪感和自信心。 二、教学设计思路 1.本节课是一节知识应用与扩展的课程，所以设计时注意加大知识含量，引起学生兴趣。同时注意 方法的培养，让学生养成用万有引力是天体运动的向心力这一基本方法研究问题的习惯，避免套公式的 不良习惯。围绕第一宇宙速度的讨论，让学生形成较正确的卫星运动图景。 2.本课的教学设计中教师的主导作用表现为：积极创设问题情境、启发学生思维；学生的主体作用 为：动脑、动口、动手。而电教媒体则为这一切提供丰富的信息资源和交互平台。 （二）、电教设计说明 运用现代教育技术能够扩展可视性，实现对现实的形象模拟。本电教设计精心挑选了多媒体素材， 对媒体的运用，力求体现引导认知性、体现逻辑性和现实模拟的真实性。在每个环节，先用媒体让学生 形成感性认知，以问题为中心，学生在观察与体验中思考，自觉地由浅入深，由感性到理性分层探索， 再通过师生的讨论、分析、概括及应用，实现由感性认识上升为理性认识的飞跃。将思维的发展贯穿于 知识认知的全过程，是本课的一条主线。 本电教设计 1、素材的选择 图片 6张（由嫦娥奔月、飞天壁画、神舟七号飞船等图片切入课题，增强学生对物理学科的亲切感， 诱发学习动机）；Flash 课件 3 个（1：牛顿关于人造卫星的猜想；2：在动态变化过程中认知三种宇速； 3：卫星的运动特征）；视频录像 2 段（神七出仓、“嫦娥一号”发射全程：激发学生热情和兴趣，实 现对现实的形象模拟，让学生体验科学的整体感）。 2、媒体的目的 提供物理事实，创设物理情境（辅助教学，图片、视频与动画结合）； 转化模型，形成表象，认识重要的概念和规律（充分运用动画的解析功能，突破难点）； 提供应用物理知识的典型示例（重在物理过程分析，突出重点）。 (一)、教学观念与模式 创设一系列真实的问题情境，让学生真正有面临真实问题的感觉，利用已有知识通过自己的探究获 取新知，这是本教学设计最关切和思考的问题。 传统的教学观将知识当成定论，把学习看成是知识由外到内的输入，同时低估了学习者的认知能力、 知识经验和差异性，并在教学中表现出简单化的倾向。美国教育家 G.玻利亚指出，不要把你的全部秘 诀一古脑地倒给学生，而要让他们先猜想一番，引导他们独立地思考，找出尽可能多的东西，然后再讲 给他们听。在这种教育思想的启发下，我努力寻求一种能够很好地将思维发展与知识认知有机结合的课 堂教学模式，并力图体现强调学习的构建性和学习者的学习潜能，关注知识的内部生成的现代教学观。 （二）、教师、学生、教材、媒体的关系 本课的教学设计中教师的主导作用表现为：积极创设问题情境、启发学生思维；学生的主体作用 为：动脑、动口、动手。而教材及电教媒体则为这一切提供丰富的信息资源和交互平台。 值得注意的是运用媒体时，切不可将课堂教学当成信息的堆积与单纯的呈现，课堂的主导权必须牢 牢地抓在教师的手中。无论在内容选题还是展示过程，主导权都交给教师，将有利于教师设计创造性的 教学方案，并根据学生的观察、思维活动给予启发和指导。教师应充分考虑学生学习过程中的思维规律， 把教学的重点放在模型转化、状态分析、过程发展等方面，突出多媒体技术在这些方面的优势。 以问题为中心的课堂教学模式已经比较成熟，本课即围绕这样几个中心问题展开： 1.为什么在物理大师牛顿提出卫星的设想后的很长时间内未能实现？回答第一宇宙速度的大小与 推导。 2.为什么第一宇速为何是发射卫星的最小速度、环绕运动卫星的最大速度？R越大卫星发射越 容易么？ 回答卫星的运行规律。3.为什么同步卫星不能在北京的正上方？同步卫星的资源又是很有限 的？回答同步卫星的特点。 这样，学生在观察与体验中思考，自觉地由浅入深，由感性到理性分层探索。在每个环节，教师先 用媒体让学生形成感性认知，再通过师生的讨论、分析、概括及应用，学生的认识才能够实现由感性认 识上升为理性认识的二次飞跃。只有学生成为课堂的认知主体，并与教材、媒体和教师和谐地进行作用 时，这些要素才构成优化的课堂教学系统。 三、教学目标及教学重难点 教学目标 知识 与技能 ①. 能够用万有引力定律和牛顿第二定律推导第一宇宙速度，了解第二、 第三宇宙速度及其意义。 ②. 理解卫星的运行速度、周期与半径的关系，了解同步卫星的特点； 建立起关于各种卫星的运行状况的正确图景。 过程 与方法 ①.经历探究人造卫星由设想变为现实的过程，体会猜想、外推的科学方 法，培养学生的科学思维。 ②.通过用万有引力定律推导第一宇宙速度，提高学生运用学过的知识分 析和解决新问题的能力，培养学生科学探索能力。 ③.通过对卫星运动规律的研究，培养学生归纳、分析和推导及合理表达 能力，养成用万有引力是天体运动的向心力这一基本方法研究问题的习惯。 情感态度 与价值观 ①.了解人类探索太空的过程，感受科技发展对人类进步的巨大促进作 用，通过对我国航天事业发展史的了解，渗透爱国主义教育。 ②.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。 ③.认识到天体运动的实质是牛顿第二定律的具体应用，能对已有的知识 进行组织和归类，学会构建知识体系，能从整体的角度看问题，形成对知识 的整体感。 教学重点 第一宇宙速度的推导；对人造地球卫星原理的理解；研究天体运动的基本思路与方法。 教学难点 第一宇宙速度是卫星发射的最小速度，是卫星环绕地球运行的最大速度；人造卫星的 速度、周期的比较。 教学方法 和手段 以启发式教学、建构主义为指导思想，采用以问题为中心的课堂教学模式，结合多媒 体辅助教学。 教学设备 多媒体教学设备一套：可供实物投影、放像、课件播放等。 四、教学过程 教 学 流 程设计说明 一、引入新课 展示神舟飞船图片及神舟七号成功发射的视频，并简述神七新闻背景。 教师：闪烁的星空、浩瀚的宇宙，神秘而美丽的太空一直牵引着人类无限的遐想。 随着科技的发展，人类终于摆脱了大地的束缚和引力的牵绊，实现了飞天的梦想。我国航天员也第一次把中国人的足迹印在飞船舱外的茫茫太空之中。 本节课，我们就来学习人类是如何走出地球、飞向宇宙，进行宇宙航行的。 二、新课教学 1.牛顿的设想 教师：提供生活经验：我们知道，地球对周围任何物体有引力作用，因此抛出的物体要落回地面。在地面上将一个物体水平抛出，抛出时速度越大，落地点距抛出点的水平距离越大。 地球是个球体，如果抛出速度很大时，我们还能将地面看作平面吗？（不能） 如果速度继续一直增大，会出现什么情况呢？ 教师：牛顿曾说过：“没有大胆的猜测就不可能作出伟大的发现。”在已有事实的基础上，合理地外推、科学地假设，是认识未知事物的一种科学的方法。由以上事实基础，你能作出怎样的猜想呢？ 学生：思考并回答。 教师：将学生的回答与牛顿的设想作对比，作出肯定，使学生体验思考的快乐。 陈述牛顿的设想：从高山上用不同的水平速度抛出物体，速度一次比一次大，落地点也就一次比一次离山脚远。如果没有空气阻力，当速度足够大时，物体就永远不会落到地面上来。它将围绕地球旋转，成为一颗 永远绕地球运动的人造地球卫星。 教师：物体虽受到重力，但却没掉下来，这一点跟用 绳系住一个物体恰好经过最高点，重力提供向心力的情况相似。 演示“牛顿关于人造卫星的设想”Flash 课件。 激发学生的求知欲和民族自豪感，从而使课堂教学在一个良好的心理氛围中开始。 由人类飞天之梦的历史引入课题。 选取生活中的典型事例，创设问题情境，并设计出能对学生的智慧构成挑战的问题，激发学生的好奇心，使之转化成强烈的求知欲。 让学生了解牛顿 300 多年前关于人造卫星的设想，体会猜想、外推的科学方法，感受科学家的思想之伟大，培养学生的科学思维。 教师：从牛顿提 出设想到第一颗人造 卫星上天，历时近三 百年，这是为什么 呢？因为发射卫星所 需的速度太大了，当 时人类科技的水平还 产生不了这样大的速 度。以多大的速度将 物体抛出，它才会绕 地球表面运动，不会 落下来呢？假设卫星 绕地球表面做匀速圆 周运动，那么，在地 面发射卫星需要的最 小速度为多大呢？你 能把这个速度计算出 来么？ （教师引导提 示）在地面附近绕地 球做匀速圆周运动的 卫星的向心力，就是 地球对卫星的万有引 力。 解法一：（学生 1：板书）设地球和人 造地球卫星的质量分 别为 和 , 卫星 到地心的距离是 , 卫星的环绕速度为 ： 牛顿人造卫星原理图 代入数据得： skmv /9.7 。 教师：在地面表面附近万有引力的大小与重力的关系是什么? 学生：重力近似等于万有引力 教师：你能根据这一关系，从另一角度求这个速度吗？ 解法二：学生 2 板书： R vmmg R MmG 2 2  skm sm gRv /9.7 /104.68.9 6    教师：这就是人造卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动所必须具有的速度，叫第一宇宙速度，又叫环绕速度，它是发射一个物体、使其成为地球卫星的最小速度。若以第一宇宙速度发射一个物体，物体将在贴着 地球表面的轨道上绕地球做匀速圆周运动。 如果卫星的发射速度大于 skm /9.7 ，会出现什么情况呢？（鼓励学生大胆猜想） 当人造卫星进入地球附近的轨道速度大于 skm /9.7 而小于 skm /2.11 时，它绕地球运动的轨迹就不再是圆，而是椭圆，且卫星做变速率的运动，发射速度越大，椭圆轨道越“扁”。 如果物体发射的速度更大，达到或超过 skm /2.11 时，物体将摆脱地球引力的束缚，成为绕太阳运动的人造小行星。我们把 这个速度称为第二宇宙速度，又叫脱离速度。 如果物体的发射速度再大，达到或超过 skm /7.16 时，物体将能够摆脱太阳引力的束缚，飞到太阳系外。我们把 这个速度称为第三宇宙速度，也叫逃逸速度。 （演示宇宙速度 Flash 课件，加深学生理解。） 教师适当地提示、引导，以学生为主体，让学生动脑、动手，利用所学知识推导第一宇宙速度，突出重点。 同时，让学生学会学习，锻炼学生利用所学知识分析和解决新问题的能力，培养学生科学探索能力。 让学生了解当卫星的发射速度大于第一宇宙速度的三种可能。 定性了解第二、第三宇宙速度及其物理意义。 3、卫星的运行规律 教师：（过渡） 实际上卫星并不是在 地表水平发射的，而 是用火箭送到一定的 高度的轨道后，再沿 以地心为圆心的圆周 的切线运行的。 那么，将卫星送 入低轨道和高轨道所 需的速度哪一个更 大？哪一个更容易？ 为什么？卫星在不同 高度绕地球运行时的 速度又怎么求呢？它 与卫星的发射速度是 同一速度么？ 为简单起见，如 果我们将不同轨道上 的卫星绕地球运动都 看成是匀速圆周运 动，请同学们利用已 学的知识，探究卫星 绕地球的运行速度、 周期与轨道半径的关 系。 学生 3 板演： 师生总结：卫星 的运行快慢与其本身 质量无关，仅由轨道 半径决定。轨道半径 越大，运行速度越小； 轨道半径越小，运行 速度越大。换句话说， 离行星越近的卫星运动速度越大。则第一宇宙速度是所有环绕地球做圆周运动的卫星的最大速度。 1.向高轨道发射卫星需要的发射速度大，将卫星送入轨道越不容易，因为向高轨道发射卫星，火箭要克服地球对它的引力做的功更多。 2.发射速度是指卫星在地面附近离开发射装置的初速度，一旦发射后再无能量补充，被发射物仅依靠自己的初动能克服地球引力上升一定的高度、进入运动轨道； 运行速度指卫星在进入运行轨道后绕地球做圆周运动的线速度。所以，第一宇宙速度是发射人造卫星的最小速度，也是卫星绕地球做圆周运动的最大速度。 4.课堂练习 播放“嫦娥一号”探月卫星发射的 3D 模拟动画，让学生了解卫星发射的全过程，为课堂练习提供问题情境。 [例 1] 我国发射的第一颗探月卫星“嫦娥一号”的轨道半径是圆形的，且贴近月球表面。已知月球质量约为地球质量的 ，月球的半径约为地球半径的 ，地球上的第一宇宙速度约为 ，求“嫦娥一号” 探月卫星绕月球运行的速率？（约 skm /8.1 ） （选题目的：展现新中国科技成就，增强自豪感和对物理科学的亲近感。） [例 2]据某报报道，某国发射了一颗周期为 80 分钟的人造地球卫星，用你学过的知识判断这则新闻的真伪。 （选题目的：加强科学、社会、生活的联系，让学生感觉到生活中到处有物理，反对伪科学。） 通过对卫星绕行星运动的研究，帮助学生建立起关于各种人造地球卫星运行状况的正确图景。 帮助学生养成用万有引力是天体运动的向心力这一基本方法研究问题的习惯，培养学生归纳、分析和推导及合理表达能力。 加强学生对知识的迁移与应用，加深学生对天体运动的动力学关系的正确理解，实现练习与课堂内容的高度统一。 5.梦想成真 让学生阅读材料“梦想成真”，并回答以下问题： 1.谁为人类迈向太空提供科学思想？ 2.第一颗人造地球卫星何时何地发射成功？ 3.第一艘载人飞船何时何地发射成功？ 4.人类何时登上月球的？ 以人类登月 40周年纪念的相关新闻为切入点，通过图片及视频展示，了解人类探索太空的历史。 教师：千年的敦 煌壁画留下了古人飞 天的梦想。从寰宇响 彻的“东方红”到太 空漫步的翟志刚；从 神一到神七，从无人 到有人；从嫦娥奔月 到载人飞行，中国在 为太空添色！ 借助多媒体，播 放神舟七号发射及出 仓视频剪辑录像。边 展示边介绍中国载人 航天事业的发展历程 1. 三 种 宇 宙 速 度： v1=7.9km/s．（会推 导）；v2=11.2 km/s； v3=16.7 km/s 2. 卫星绕地球做 匀速圆周运动所需的 向心力由万有引力提 供: 尽管人类已经跨 入太空，登上月球， 但是，相对于宇宙之 宏大，地球和月亮不 过是茫茫宇宙中的两 粒尘埃；相对于宇宙 之久长，人类历史不 过是宇宙年轮上一道 小小的刻痕。宇宙留 给人们的思考和疑问 深邃而广阔。宇宙有 没有边界？有没有起 始和终结？地外文明 在哪里？……这些都 是留给大家将来去解决的问题。 四、布置作业 1．阅读教材中的“科学漫步”和“STS”材料； 2．上网查阅：人造卫星的种类、同步卫星的含义及特点。将学生分组，每个小组任选一个主题进行研究，并利用互联网搜集查找相关资料，制作汇报 PPT或海报，下节课进行交流共享。 专题学习网站：上海网上天文台：http://www.astron.sh.cn； SPACE空间：http://ccce.51.net/main.htm； 中国载人航天工程网：http://www.cmse.gov.cn； 中国探月网：http://www.clep.org.cn/ 让学生了解人类探索太空的过程，感知人类探索宇宙的梦想及成就。并通过对我国航天事业发展史的展示，渗透爱国主义教育。 对本节内容及知识进行总结、梳理，帮助学生建构知识脉络。同时，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。 板书设计：宇宙航行 一、牛顿的设想 二、宇宙速度 推导 1 第一宇宙速度： skm /9.7 ， 推导 2 第二宇宙速度： skm /2.11 第三宇宙速度： skm /7.16 。 三、卫星的运行规律 四、作业布置