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1、万有引力定律的应用-人造卫星教学设计 一、设计基本理念与特点学科教学活动要以学生为主体，促进学生知识、技能、品德三维一体的全面发展。在本节课之前，学生已掌握了平抛运动、匀速圆周运动、万有引力定律等基本理论，具备了解决问题的基本工具。教材中把理解人造卫星的发射原理作为重点与难点，但是根据新课程的教学理念主要是培养学生分析为题解决问题的能力，而且近几年的高考也将人造卫星的运动特点分析作为重点。所以在本届课的教学设计中，笔者大胆的改变传统的教材思路，先分析人造卫星的运行特点，在解释人造卫星的发射原理。因此课堂中对人造卫星的运动规律的认识主要采取：分析现象发现规律思考原理解释问题的思路，对于人造卫星的
2、发射原理主要采取：设疑思考启发引导这样一条主线，在设计中突出发挥学生的主体作用，激发鼓励学生的大胆思考、积极参与，让学生通过自己的分析研究来掌握获取相关的知识和方法。二、教学背景分析（1）教材分析万有引力定律的应用-人造卫星系新课程鲁科版必修2第五章第二节内容，重点讲述了人造卫星的发射原理，推导了第一宇宙速度,并介绍了第二、第三宇宙速度。人造卫星是万有引力定律在天文学上应用的一个非常重要实例，是人类征服自然的见证，体现了知识的力量，是学生学习了解现代科技知识的一个极好素材。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。学生通过前面的学习已经知道了行星的运
3、动规律，因此在分析人造卫星的运动学特点，和动力学特点可采取类比的方法，近而进一步理解应用万有引力定律分析天体运动的方法。因此，本节课是“万有引力定律与航天”中的重点内容，是学生进一步学习、研究、探索天体物理问题的理论基础。另外，学生通过对人类在宇宙航行领域中的伟大成就及我国在航天领域成就的了解，增强学生的民族自信心和自豪感。（2）学情分析学生已掌握了运动的合成与分解、牛顿运动定律、圆周运动等章节的理论。并在本章之前学习了万有引力定律的知识，能运用万有引力定律揭示一些天体运动的特点。学生可以类比行星运动的特点原理自己分析人造卫星的规律。另外学生也可以利用前面的知识和对宇宙奥秘的好奇心来探索人造卫
4、星的发射及宇宙速度。学生可以通过联想上一章所学的对平抛物体的运动的处理方法来探究牛顿的思考，以地心为参考系平抛出去的物体从空间运动效果上可分解为指向地心的自由落体运动和绕地心的匀速圆周运动。而这两个分运动都是变速度运动，它们都需要一个指向地心的力来维持它们各自的运动状态。因此万有引力就有要改变两个运动状态的效果，即要既要产生自由落体加速度又要产生向加速度。当万有引力只能提供向心力时，自由落体加速度就变成零，这样平抛出去的物体就落不下来了，从而得到第一宇宙速度。再根据圆周运动和机械运动的知识可知道速度再大一些会做椭圆运动或摆脱地球对它的约束。这样，人们就可以到更远的地方去探索宇宙的奥秘了（3）教
5、学重点，难点 教学重点：卫星运行的动力学特点规律，近地卫星、地球同步卫星运行规律。教学难点：卫星的运行速度与发射速度的区别；地球同步卫星的特点。三、教学目标（一）知识与技能（1）了解人造卫星的有关知识；（2）分析人造卫星的运动规律近掌握近地卫星、地球同步卫星运行规律；（3）掌握三个宇宙速度的物理意义；（4）会推导第一宇宙速度；（5）简单了解航天发展史；（6）能用所学知识求解卫星基本问题。（二）过程与方法（1）培养学生观察数据分析数据的能力；（2）培养学生科学推理、探索能力；（3）培养学生在处理实际问题时，如何构建物理模型的能力；（4）学习科学的思维方法培养学生归纳、分析和推导及合理表达能力。（
6、三）情感态度与价值观介绍世界及我国航天事业的发展现状，激发学习科学，热爱科学的激情，增强民族自信心和自豪感。【教学方式】演示、讲授、合作交流。【教学手段】多媒体设备、物理课件。四、教学过程与教学资源设计第一环节：新课引入教师：（ppt 关于嫦娥奔月的图片 ）“嫦娥奔月”一个美丽的传说承载着多少中国人千百年来飞天的梦想。学生：欣赏图片。教师：2010年10月1日，我国在西昌卫星发射中心成功发射了嫦娥二号卫星为我国探月工程的开展，迈出了更为坚实的一步。，下面请同学们和老师一起观看嫦娥二号卫星发射升空精彩的瞬间。（播放嫦娥二号卫星发射视频） 教师：仰望星空，浩瀚的宇宙苍穹给人以无限遐想，千百年来，人
7、类一直向往能插上翅膀飞出地球，去探索宇宙的奥秘，李白的“俱怀逸兴壮思飞，欲上青天揽明月”是怎样的一种豪情？到今天这一梦想实现了吗？学生：实现了。（激起学生兴趣）教师：人们利用卫星，揭开了人类探索宇宙的新篇章。提问：大家对卫星了解多少呢？学生：踊跃回答，各小组组长代表小组向班级同学展示她们对卫星的研究；(学生播放ppt通过展示图片介绍世界各国及我国发射人造卫星的基本情况，包括数量，种类，用途。）学生：观看图片，了解航天技术的发展情况本环节设计目的：1通过教师的语言魅力，和图片激发学生的学习兴趣2通过介绍世界各国及我国的航天技术的发展激发学生的爱国热情3随着网络的普及学生已可以通过网路了解一些新事
8、物，课下研究性学习的作业布置给学生，课堂学生展示提高学生的学习兴趣。在轻松的环境中引入新课。第二环节：人造卫星规律的探究过渡教师：说的很好，相信我们的同学对卫星已经有了初步的了解，在刚刚大家的介绍过程中，有一组数据引起老师的注意，老师将它们列成表格： 参数卫星在轨高度( H)运行速度(v)运行周期 (T)天宫一号382KM7.88KM/s约90分钟东方红一号728.25KM7.55KM/s114分钟 鑫诺六号通信广播卫星35786 KM 3.1KM/s23小时56分4秒 教师提问观察数据思考：1不同卫星的其运行轨道相同吗？2不同的卫星运行时有什么规律？3你能试着用你学过的知识解释为什么有这样的
9、规律吗？演示课件：几颗不同轨道卫星同时绕地运行动画,从而直观判断以上变化关系学生：1观察数据，发现规律。2合作交流，类比行星运动特点分析人造卫星的运行特点。 3试着从力和运动的角度分析问题。教师引导学生发现。人造卫星运行特点运动学特点：（板书）1轨迹：椭圆 有的近似为圆2人造卫星的半径不同，其运行的周期也不同，而且半径越大，其周期越大。3类比行星运动分析原因，卫星围绕地球作匀速圆周运动，需要向心力。地球和卫星之间的引力提供向心力。4学生自己应用前面万有引力知识分析 卫星与地球间的万有引力提供了向心力（板书）（1）由 得，r越大，v越小（2）由 得，r越大，w 越小（3）由 得，r越大，T越大教
10、师小结：卫星绕地运转轨道半径越大，速度越小、角速度越小、周期越大；（板书）本环节设计目的：通过学生观察数据对卫星运动有一个形象认识，同时培养学生观察数据，提起有用数据，和分析数据的能力。通过引导学生类比行星运动特点分析卫星运动规律，渗透科学的思维方法。通过学生相互交流，讨论的形式，调动学生积极的参与课堂教学。同时培养学生从物理学的角度思考问题的能力，和表达能力。最后学生自己发现卫星运动规律并能够应用物理知识解决实际生活中的问题。第三环节：宇宙速度教师：反之卫星绕地运转轨道半径越小，速度越大、角速度越大、周期越小；那么卫星运行的半径能很小很小吗？学生：不能，最小为地球的半径思考问题1：近地面的卫
11、星的速度是多少呢？对于靠近地面的卫星，可以认为此时的 r 近似等于地球半径R，把r用地球半径R代入，可以求出：这就是人造地球卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动所必须具有的最低发射速度，也是最大的运行速度，也叫做第一宇宙速度。1第一宇宙速度79 km/s定义：人造卫星在地面附近绕地球作匀速圆周运动所必须具有的速度。思考：发射什么样的卫星最容易？学生讨论统一结论：高轨道发射卫星比低轨道发射卫星困难，原因是高轨道发射卫星时火箭要克服地球对它的引力做更多的功。以第一宇宙速度发射卫星时其刚好能在地球表面附近作匀速圆周运动；如果卫星的速度小于第一宇宙速度，卫星将落到地面而不能绕地球运转；进入半径越大的轨道
12、，所需要的发射V 越大。思考：这与刚才得出的半径越大的轨道，所需要的 运行速度V 越小矛盾吗？讨论：人造卫星的发射速度与运行速度是两个不同的概念。（1）发射速度所谓发射速度是指被发射物在地面附近离开发射装置时的初速度，并且一旦发射后就再无能量补充，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。要发射一颗人造地球卫星，发射速度不能小于第一宇宙速度。若发射速度等于第一宇宙速度，卫星只能“贴着”地面近地运行。如果要使人造卫星在距地面较高的轨道上运行，就必须使发射速度大于第一宇宙速度。（2）运行速度：是指卫星在进入运行轨道后绕地球做匀速圆周运动的线速度。当卫星“贴着”地面运行时，
13、运行速度等于第一宇宙速度。根据可知，人造卫星距地面越高（即轨道半径r越大），运行速度越小。实际上，由于人造卫星的轨道半径都大于地球半径，所以卫星的实际运行速度一定小于发射速度。介绍；（板书）运行速度 指卫星在稳定的轨道上绕地球转动的线速度发射速度 指被发射物体离开地面时的水平初速度类比得出：（板书）2第二宇宙速度（脱离速度）：意义：使卫星挣脱地球的引力束缚，成为绕太阳运行的人造行星的最小发射速度。如果人造天体的速度大于112km/s而小于167km/s，则它的运行轨道相对于太阳将是椭圆，太阳就成为该椭圆轨道的一个焦点。3第三宇宙速度（逃逸速度）：意义：使卫星挣脱太阳引力束缚的最小发射速度。如果
14、人造天体具有这样的速度并沿着地球绕太阳的公转方向发射时，就可以摆脱地球和太阳引力的束缚而邀游太空了。随着科学技术的发展，我们探测太空的脚步会越走越快，越走越远。也许有一天我们也能到其它星球旅游定居。（动画展示三大宇宙速度）第四环节：卫星发射原理教师：【问题】地面上的物体，怎样才能成为人造地球卫星呢？介绍牛顿的卫星设想（FLASH）教师引导：我们抛一物体怎样才能抛的远？讨论：依据平抛运动学生知道：速度越大，越远，那速度足够大，又有什么现象？学生探讨：统一结论：不落回地球。教师总结：这时由于有引力在，卫星想落回地面，但有一定的速度又落不回地面就形成了卫星？思考：物体需要多大的发射速度，才能刚好贴着
15、地面转？学生讨论教师点拨：这时（r=R）学生：得出第一宇宙速度79 km/s本环节设计目的：初步建立卫星的运动模型。利用助学课件呈现直观、鲜明的图景，为学生的思考搭台阶。引导学生用物理模型的方法，调动已有的知识储备处理问题。通过先定性、后定量的办法，让学生的认知逐步提升。第五环节：地球同步卫星教师：卫星与我们的生产生活联系越来越紧密（ppt展示卫星在我们的生产、生活的应用）【问题】如果我们利用地球人造卫星对地球上的A位置进行观测，通过前面的计算我们知道卫星最快也要间隔85分钟才能再次飞临A处上空，如果我们要对该地进行24小时不间断的观测，请问大家有什么办法可以实现？学生探究：同步卫星有以下几个
16、特点：(1)同步卫星的运行方向与地球自转方向一致(2)同步卫星的运转周期与地球自转周期相同，T24 h.（3)同步卫星的运行角速度等于地球自转的角速度教师：地球同步卫星的轨道又该是怎样的呢学生探究：展示学生画的同步卫星轨道教师学生共同探究得出结论：同步卫星的轨道一定与赤道平面共面且在一定高度本环节设计目的：通过学生讨论探究同步卫星的运行及轨道特点、，培养学生的语言表达能力。培养学生从物理角度分析实际生活的能力。并切实理解人造卫星的动力学特征，和运动学特点。五、学习效果评价设计（1）学生完成课堂检测1关于第一宇宙速度，下面说法：它是人造卫星绕地球飞行的最小速度；它是发射人造卫星进入近地圆轨道的最
17、小速度；它是人造卫星绕地球飞行的最大速度；它是发射人造卫星进入近地圆轨道的最大速度。以上说法中正确的有（）A B C D2对于绕地球做匀速圆周运动的人造地球卫星，下列说法正确的是（）A人造地球卫星的实际绕行速率一定大于79km/sB从卫星上释放的物体将作平抛运动C在卫星上可以用天平称物体的质量D我国第一颗人造地球卫星（周期是684103s）离地面高度比地球同步卫星离地面高度小3某同学通过直播得知“神舟”六号在圆轨道上运转一圈的时间小于24小时，由此他将其与同步卫星进行比较而得出以下结论，其中正确的是（）A“神舟”六号运行的向心加速度大于同步卫星的向心加速度B“神舟”六号在圆轨道上的运行速率小于
18、同步卫星的速率C“神舟”六号在圆轨道上的运行角速度小于同步卫星的角速度D“神舟”六号运行时离地面的高度小于同步卫星的高度4三颗人造地球卫星A、B、C在同一平面内沿不同的轨道绕地球做匀速圆周运动，且绕行方向相同，已知RARBRC 。若在某一时刻，它们正好运行到同一条直线上，如图所示。那么再经过卫星A的四分之一周期时，卫星A、B、C的位置可能是（）（2）学生小结本节课的知识重点知道卫星的运行规律和动力学特点。知道发射卫星的3个宇宙速度。（3）回家搜集了解更多的与卫星相关的知识。六、点评1从教学设计理念上：本节课在设计中突出发挥学生的主体作用，激发鼓励学生的大胆思考、积极参与，让学生通过自己的分析研究来掌握获取相关的知识和方法。2从教学环节上：改变了原有的教学思路，而以学生原有的知识认知为基础，将新的问题情景类比旧的知识的方式提出，使学生即能巩固旧的知识，又可在分析新问题中获得新知识。从而使学生在教师的层层设问中，自己分析体会人造卫星的运行特点和发射原理3从教学效果上：从观察数据开始，教师设计的教学环节，就能使不同层次的学生都能参与中来，而学生的分组讨论和交流合作的形式，也让学生能够充分的思考问题。从而达到了活跃课堂提高教学效率的目的。