2024-2025學(xué)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(xué)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(nèi)容授課時(shí)數(shù)授課班級(jí)授課人數(shù)授課地點(diǎn)授課時(shí)間教學(xué)內(nèi)容分析本節(jié)課的主要教學(xué)內(nèi)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(nèi)容主要包括：1.衛(wèi)星的軌道與速度關(guān)系；2.宇宙速度的概念及其計(jì)算；3.了解載人航天和空間站的基本原理。

教學(xué)內(nèi)容與學(xué)生已有知識(shí)的聯(lián)系在于，學(xué)生在之前的學(xué)習(xí)中掌握了萬有引力定律、牛頓運(yùn)動(dòng)定律等基礎(chǔ)知識(shí)，能夠理解并運(yùn)用這些知識(shí)來分析衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，本節(jié)課將引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步探索衛(wèi)星軌道、速度的物理關(guān)系，以及宇宙速度的計(jì)算，從而加深對(duì)航天原理的理解，并與現(xiàn)實(shí)中的載人航天和空間站建設(shè)相聯(lián)系，提高學(xué)生的知識(shí)應(yīng)用能力。核心素養(yǎng)目標(biāo)1.物理觀念：理解并掌握宇宙航行的物理原理，形成對(duì)衛(wèi)星軌道、速度關(guān)系的深刻認(rèn)識(shí)，建立正確的宇宙速度概念。

2.科學(xué)思維：運(yùn)用物理學(xué)方法，分析航天器運(yùn)動(dòng)規(guī)律，培養(yǎng)邏輯推理和數(shù)學(xué)運(yùn)算能力。

3.科學(xué)探究：通過實(shí)例探究，培養(yǎng)學(xué)生提出問題、解決問題的能力，激發(fā)對(duì)航天科學(xué)的興趣。

4.科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：了解載人航天和空間站的發(fā)展，激發(fā)學(xué)生的國(guó)家自豪感，培養(yǎng)對(duì)科技創(chuàng)新的責(zé)任感。重點(diǎn)難點(diǎn)及解決辦法重點(diǎn)：

1.衛(wèi)星軌道與速度關(guān)系的理解。

2.宇宙速度的計(jì)算及應(yīng)用。

3.載人航天和空間站的基本原理。

難點(diǎn)：

1.衛(wèi)星在不同軌道上的速度變化規(guī)律。

2.宇宙速度計(jì)算中的物理意義理解。

3.航天器實(shí)際運(yùn)行中的復(fù)雜因素分析。

解決辦法與突破策略：

1.通過動(dòng)態(tài)模擬軟件演示衛(wèi)星軌道與速度關(guān)系，增強(qiáng)直觀理解。

2.結(jié)合實(shí)際案例，引導(dǎo)學(xué)生逐步推導(dǎo)宇宙速度的計(jì)算公式，強(qiáng)調(diào)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(xué)生構(gòu)建復(fù)雜系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。

4.設(shè)計(jì)小組討論活動(dòng)，讓學(xué)生合作解決具體問題，培養(yǎng)問題解決能力和團(tuán)隊(duì)合作精神。教學(xué)方法與手段教學(xué)方法：

1.講授法：通過生動(dòng)的語(yǔ)言和清晰的邏輯，向?qū)W生講解衛(wèi)星軌道與速度關(guān)系、宇宙速度概念等基本理論知識(shí)，確保學(xué)生能夠系統(tǒng)地掌握物理概念和原理。

-結(jié)合實(shí)際案例，如我國(guó)嫦娥探月工程，講解理論知識(shí)在實(shí)際中的應(yīng)用，提高學(xué)生的興趣和認(rèn)識(shí)。

-設(shè)置互動(dòng)環(huán)節(jié)，鼓勵(lì)學(xué)生提問，及時(shí)解答學(xué)生的疑惑，增強(qiáng)課堂的互動(dòng)性和學(xué)生的參與感。

2.討論法：針對(duì)宇宙航行中的關(guān)鍵問題，組織學(xué)生進(jìn)行小組討論，促使學(xué)生主動(dòng)思考，培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維和團(tuán)隊(duì)合作能力。

-設(shè)計(jì)具有啟發(fā)性的討論題目，如“如何計(jì)算衛(wèi)星的逃逸速度？”等，引導(dǎo)學(xué)生深入探討物理問題。

-在討論過程中，教師巡回指導(dǎo)，提供必要的幫助，確保討論的深度和廣度。

3.實(shí)驗(yàn)法：利用物理實(shí)驗(yàn)室或虛擬實(shí)驗(yàn)軟件，進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生親身體驗(yàn)宇宙航行的物理過程，增強(qiáng)實(shí)踐操作能力。

-設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，如制作模型衛(wèi)星，觀察不同軌道上的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，加深對(duì)軌道速度關(guān)系的理解。

-利用計(jì)算機(jī)模擬軟件，模擬衛(wèi)星發(fā)射和軌道運(yùn)行，讓學(xué)生直觀感受宇宙航行的復(fù)雜性和精確性。

教學(xué)手段：

1.多媒體設(shè)備：運(yùn)用PPT、視頻、動(dòng)畫等多種形式的多媒體教學(xué)資源，直觀展示宇宙航行的物理現(xiàn)象和原理。

-使用動(dòng)畫演示衛(wèi)星發(fā)射和軌道變化，幫助學(xué)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(xué)生對(duì)航天科技的興趣和好奇心。

2.教學(xué)軟件：利用物理教學(xué)軟件，如物理實(shí)驗(yàn)室模擬軟件、天文觀測(cè)軟件等，提高教學(xué)互動(dòng)性和實(shí)踐性。

-利用軟件模擬宇宙速度的計(jì)算過程，讓學(xué)生通過操作軟件來理解計(jì)算方法。

-使用天文觀測(cè)軟件，讓學(xué)生模擬觀測(cè)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)，增強(qiáng)學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

3.網(wǎng)絡(luò)資源：整合互聯(lián)網(wǎng)上的優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，如科普文章、在線課程等，拓寬學(xué)生的知識(shí)視野。

-推薦相關(guān)的科普文章和視頻，讓學(xué)生在課后自主學(xué)習(xí)，拓展課堂學(xué)習(xí)內(nèi)容。

-引導(dǎo)學(xué)生訪問航天機(jī)構(gòu)的官方網(wǎng)站，獲取最新的航天資訊，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)航天科技發(fā)展的認(rèn)識(shí)。教學(xué)實(shí)施過程1.課前自主探索

教師活動(dòng)：

-發(fā)布預(yù)習(xí)任務(wù)：通過學(xué)校在線學(xué)習(xí)平臺(tái)，發(fā)布關(guān)于宇宙航行預(yù)習(xí)的PPT和視頻資料，明確預(yù)習(xí)目標(biāo)和要求。

-設(shè)計(jì)預(yù)習(xí)問題：圍繞“宇宙速度的計(jì)算及應(yīng)用”，設(shè)計(jì)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(yù)習(xí)進(jìn)度：通過學(xué)習(xí)平臺(tái)跟蹤學(xué)生的預(yù)習(xí)情況，及時(shí)給予反饋。

學(xué)生活動(dòng)：

-自主閱讀預(yù)習(xí)資料：學(xué)生按照要求，自主學(xué)習(xí)預(yù)習(xí)資料，初步了解宇宙航行的基本概念。

-思考預(yù)習(xí)問題：學(xué)生對(duì)預(yù)習(xí)問題進(jìn)行獨(dú)立思考，記錄自己的理解和新產(chǎn)生的疑問。

-提交預(yù)習(xí)成果：學(xué)生將預(yù)習(xí)筆記、問題等提交至學(xué)習(xí)平臺(tái)或通過電子郵件發(fā)送給老師。

教學(xué)方法/手段/資源：

-自主學(xué)習(xí)法：培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考和自主學(xué)習(xí)的能力。

-信息技術(shù)手段：利用在線平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)資源的共享和預(yù)習(xí)進(jìn)度的監(jiān)控。

作用與目的：

-幫助學(xué)生提前接觸課程內(nèi)容，為課堂學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

-培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)習(xí)慣和解決問題的初步能力。

2.課中強(qiáng)化技能

教師活動(dòng)：

-導(dǎo)入新課：通過播放神舟飛船發(fā)射的視頻，引起學(xué)生對(duì)宇宙航行的興趣。

-講解知識(shí)點(diǎn)：詳細(xì)講解宇宙速度的概念及其計(jì)算方法，結(jié)合實(shí)際案例幫助學(xué)生理解。

-組織課堂活動(dòng)：設(shè)計(jì)小組討論，讓學(xué)生探討衛(wèi)星軌道與速度的關(guān)系，并進(jìn)行角色扮演，模擬航天工程師解決實(shí)際問題。

-解答疑問：在課堂活動(dòng)中，針對(duì)學(xué)生的疑問進(jìn)行解答和指導(dǎo)。

學(xué)生活動(dòng)：

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

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

-提問與討論：對(duì)于不懂的問題或新想法，勇敢提出并參與課堂討論。

教學(xué)方法/手段/資源：

-講授法：通過講解，幫助學(xué)生深入理解宇宙速度等知識(shí)點(diǎn)。

-實(shí)踐活動(dòng)法：通過小組討論和角色扮演，提高學(xué)生的參與感和實(shí)踐能力。

-合作學(xué)習(xí)法：通過團(tuán)隊(duì)協(xié)作，培養(yǎng)學(xué)生的溝通和協(xié)作能力。

作用與目的：

-加深學(xué)生對(duì)宇宙航行物理原理的理解，掌握宇宙速度的計(jì)算。

-通過實(shí)踐活動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和問題解決能力。

-增強(qiáng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)和溝通能力。

3.課后拓展應(yīng)用

教師活動(dòng)：

-布置作業(yè)：根據(jù)課堂內(nèi)容，布置相關(guān)的課后習(xí)題，鞏固宇宙速度的計(jì)算和應(yīng)用。

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

-反饋?zhàn)鳂I(yè)情況：及時(shí)批改作業(yè)，給予學(xué)生反饋，指導(dǎo)學(xué)生改進(jìn)。

學(xué)生活動(dòng)：

-完成作業(yè)：認(rèn)真完成課后習(xí)題，鞏固課堂所學(xué)知識(shí)。

-拓展學(xué)習(xí)：利用老師推薦的資源，進(jìn)行深入學(xué)習(xí)和思考。

-反思總結(jié)：對(duì)自己的學(xué)習(xí)過程進(jìn)行反思，總結(jié)學(xué)習(xí)收獲，提出改進(jìn)建議。

教學(xué)方法/手段/資源：

-自主學(xué)習(xí)法：鼓勵(lì)學(xué)生自主完成作業(yè)，進(jìn)行拓展學(xué)習(xí)。

-反思總結(jié)法：引導(dǎo)學(xué)生通過反思，促進(jìn)自我提升。

作用與目的：

-鞏固學(xué)生在課堂上學(xué)到的知識(shí)點(diǎn)和技能。

-通過拓展學(xué)習(xí)，拓寬知識(shí)視野，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

-通過反思總結(jié)，幫助學(xué)生形成良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，促進(jìn)個(gè)人成長(zhǎng)。教學(xué)資源拓展1.拓展資源：

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

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

-科普文章：航天雜志、科學(xué)網(wǎng)站等媒體發(fā)布的關(guān)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(shí)地參觀，了解航天器實(shí)物、模型以及發(fā)射過程，感受航天科技的偉大。

-在線課程：國(guó)內(nèi)外開放的在線課程，如“天體物理”、“航天工程”等，為學(xué)生提供更深入的專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)。

2.拓展建議：

-閱讀科普書籍：學(xué)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(guó)航天科技的發(fā)展歷程。

-觀看科普視頻：利用課余時(shí)間觀看科普視頻，通過生動(dòng)的畫面和實(shí)例，加深對(duì)宇宙航行知識(shí)的理解。

-閱讀科普文章：定期閱讀航天雜志或科學(xué)網(wǎng)站上的科普文章，了解宇宙航行領(lǐng)域的最新動(dòng)態(tài)和技術(shù)發(fā)展。

-實(shí)地參觀：組織或參加學(xué)校組織的航天博物館、科技館參觀活動(dòng)，親身體驗(yàn)航天科技的魅力。

-學(xué)習(xí)在線課程：根據(jù)自己的興趣和時(shí)間，選擇合適的在線課程進(jìn)行深入學(xué)習(xí)，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(diǎn)題型整理1.計(jì)算題：衛(wèi)星的宇宙速度計(jì)算

題目：一顆衛(wèi)星質(zhì)量為m，地球質(zhì)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(jìn)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(jìn)入圓形軌道時(shí)，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(jì)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(jī)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(zhì)量，m為衛(wèi)星質(zhì)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(jī)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(jì)算題：衛(wèi)星發(fā)射燃料問題

題目：已知衛(wèi)星質(zhì)量m，火箭質(zhì)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(zhì)量。

解答：

根據(jù)動(dòng)量守恒定律，火箭燃燒前后的總動(dòng)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(zhì)量為：

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

4.計(jì)算題：空間站對(duì)接問題

題目：空間站A以速度v繞地球勻速運(yùn)行，空間站B需要與A對(duì)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(jī)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(zhì)量，m為空間站質(zhì)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(jī)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(jī)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(yīng)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(zhì)量為M，衛(wèi)星質(zhì)量為m。求衛(wèi)星在該軌道上的運(yùn)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(yùn)行周期T與軌道半徑r的關(guān)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(guān)，一般而言，軌道高度越低，衛(wèi)星壽命越短?？梢怨浪阈l(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(xué)反思在這次的教學(xué)中，我對(duì)宇宙航行這一章節(jié)有了更深入的理解，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了一些需要改進(jìn)的地方。

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

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

此外，我還發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)航天器實(shí)際運(yùn)行中的復(fù)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(xué)生在課