人文精神与科学精神有效植入物理教学的案例.doc

6.5宇宙航行
精河县高级中学 王桂荣
教学目标
1、知识与技能
（1）了解人造地球卫星的最初构想。
（2）会解决涉及人造地球卫星运动的较简单的问题。
（3）知道三个宇宙速度的含义和数值，会推导第一宇宙速度。
2、过程与方法：通过运用万有引力定律推导第一宇宙速度，培养学生运用知识解决问题的能力。
3、情感、态度与价值观
（1）通过介绍我国在卫星发射方面的成就．激发学生的爱国主义精神；
（2）感受人类对宇宙不断探索的精神．帮学生树立不断探索科学和献身科学的人生价值观。
教学重点：第一宇宙速度的推导，激发学生科学献身精神。
教学难点：运行速率与轨道半径之间的关系。
教学方法：探究、讨论、讲授。
教具准备：多媒体课件
教学过程：
第五节 宇宙航行
（一）新课导入
1957年前苏联发射了第一颗人造地球卫星，开创了人类航天史的新纪元。我国在1970年发射第一颗人造地球卫星---“东方红一号”，之后我国相继发射了六大系列不同种类的地球卫星，截至2015年8月31日在轨地球卫星中我国有142颗，我国不仅掌握了卫星研发技术还掌握了卫星回收技术和“一箭多星”技术。同学们知道卫星发射的最小速度是多少吗？关于同步卫星你了解多少呢？这节课，我们就一起来学习有关人造地球卫星的知识。
该环节设计意图：提出问题目的是激发爱学生的求知欲和学习兴趣，介绍我国卫星发射的成就能有效地激起学生的爱国精神。这都属于人文精神的渗透。
（二）进行新课
1、牛顿的设想
（1）牛顿对人造卫星原理的描绘。
设想在高山上有一门大炮，水平发射炮弹，初速度越大，水平射程就越大，可以想象当初速度足够大时，这颗炮弹将不会落到地面，将和月球一样成为地球的一颗卫星。
（2）人造卫星绕地球运行的动力学原因。
人造卫星在绕地球运行时，只受到地球对它的万有引力作用，人造卫星作圆周运动的向心力由万有引力提供。
（3）人造卫星的运行速度。
设地球质量为M，卫星质量为m，轨道半径为r，由于万有引力提供向心力，则，
∴，
教师引导学生分析表达式中各物理量间的关系：
学生：万有引力常量和地球质量都是定值，卫星绕地球作圆周运动的速度与轨道半径的二次方根成反比
即高轨道上运行的卫星，线速度小。
师提出问题：角速度和周期与轨道半径的关系呢？
师引导学生做以下推导：
，
学生归纳总结：高轨道上运行的卫星，角速度小，周期长。
该环节设计意图：让学生认识到科学研究时也需要大胆的想象，但是任何科学想象都要植根于一定的科学知识土壤，依赖于一定的知识水平，还要经得起理论与实践的检验。其中科学想象和卫星运行速度推导是理论联系实际的重要性属于人文渗透，而想象要以科学知识为理论依据是科学精神的渗透。
那么卫星要要绕地球做圆周运动究竟需要多大的运行速度呢？同学们可不可以用所学的知识算一下呢？（激发学习积极性，学以致用）
2、宇宙速度
（1）第一宇宙速度
问题：牛顿实验中，炮弹至少要以多大的速度发射，才能在地面附近绕地球做匀速圆周运动？若已知地球半径为R=6370km。
教师引导学生分析：在地面附近绕地球运行，轨道半径即为地球半径。由万有引力提供向心力：
得： 又∵ ∴
结论：如果发射速度小于7.9km/s，炮弹将落到地面，而不能成为一颗卫星；发射速度等于7.9km/s，它将在地面附近作匀速圆周运动；要发射一颗半径大于地球半径的人造卫星，发射速度必须大于7.9km/s。可见，向高轨道发射卫星比向低轨道发射卫星要困难。
意义：第一宇宙速度是人造卫星在地面附近环绕地球作匀速圆周运动所必须具有的速度，所以也称为环绕速度。
（2）第二宇宙速度：大小。
意义：使卫星挣脱地球的束缚，成为绕太阳运行的人造行星的最小发射速度，也称为脱离速度。
注意：发射速度大于7.9km/s，而小于11.2km/s，卫星绕地球运动的轨迹为椭圆；等于或大于11.2km/s时，卫星就会脱离地球的引力，不再绕地球运行。
（3）第三宇宙速度：大小：。
意义：使卫星挣脱太阳引力束缚的最小发射速度，也称为逃逸速度。
注意：发射速度大于11.2km/s，而小于16.7km/s，卫星绕太阳作椭圆运动，成为一颗人造行星。如果发射速度大于等于16.7km/s，卫星将挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的空间。

3、人造卫星的发射速度与运行速度
（1）发射速度：
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，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。
（2）运行速度：
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。当卫星“贴着”地面飞行时，运行速度等于第一宇宙速度，当卫星的轨道半径大于地球半径时，运行速度小于第一宇宙速度。
（3）同步卫星
所谓同步卫星，是相对于地面静止的，和地球具有相同周期的卫星，T=24h，同步卫星必须位于赤道上方距地面高h处，并且h是一定的。同步卫星也叫通讯卫星。

由得：h= （T为地球自转周期，M、R分别为地球的质量，半径）。代入数值得h=。
我国现有在轨的同步卫星14颗！（激发民族自豪感和爱国精神）
例题分析
例题1：有两颗人造卫星，都绕地球做匀速圆周运行，已知它们的轨道半径之比r1：r2＝4：1，求：（1）这颗卫星的线速度之比；（2）角速度之比；（3）周期之比；（4）向心加速度之比？
解：（1）由得，所以
（2）由得，所以
（3）由得
（4）由得
练习：
1957年前苏联发射了第一颗人造地球卫星，开创了人类航天史的新纪元，已知卫星重83.6Kg，每96min绕地球一圈。那么这颗地球卫星的轨道半径是多少？离地高度是多少？卫星运行的角速度是多大？
设计意图：巩固学生对匀速圆周运动知识在人造卫星问题方面的实际运用，还增加了学生的学习兴趣。同时也对第一颗人造卫星有了更全面的认识和了解，拓宽了知识面。
4.梦想成真
师：探索宇宙的奥秘，奔向广阔而遥远的太空，是人类自古以来的梦想，那么梦想成真了吗？请同学们展示自己搜集的人类实现梦想的历程。
学生展示搜集的图文资料。
生甲：展示《嫦娥奔月》的图文故事，表达了我国古代人民对月亮的美好向往。我国明朝的万户可以称之为飞天第一人，把自制得火箭绑在椅子上，然后自己坐在椅子上，双手举着大风筝，设想利用火箭的推力，借助风筝把自己送上天，不幸火箭爆炸，万户也因此献出了生命。2003年2月1日，美国哥伦比亚号航天飞机返航时在大气层中解体，七名航天员全部遇难。无数探索者用自己的汗水和生命铺设了人类通往宇宙的道路
（体现了人类对未知世界的美好向往，可贵的科学探索精神和为科学不畏牺牲的献身精神）
生乙：1957年10月4日，世界上第一颗人造地球卫星发射成功。开启了人类飞天的大门，也揭开了人类历史的新篇章。 1961年4月12日，苏联空军少校加加林进入了“东方一号”载人飞船，火箭点火起飞绕地球飞行一圈，历时108min，然后重返大气层，安全降落在地面上，铸就了人类进入太空的丰碑。1969年7月16日9时32分，“阿波罗11号”成功登临月球，载人航天技术迅速发展。（人类对未知世界探索的脚步永不停歇）
1992年，中国载人航天工程正式启动，2003年10月15日9时，我国“神舟”五号宇宙飞船在酒泉卫星发射中心成功发射，把中国第一位航天员杨利伟送入太空，飞船绕地球飞行14圈后，于10月16日6时23分安全降落在内蒙古主着陆场。这次成功发射实现了中华民族千年的飞天梦想，标志着中国成为世界上第三个能够独立开展载人航天活动的国家，为进一步的空间科学研究奠定了坚实的基础。伴随着“神舟’五号的发射成功，中国已正式启动“嫦娥工程”，并于2007年10月24日成功发射嫦娥一号绕月卫星，2013年12月2日嫦娥三号月球探测器发射成功并于当月14日软着陆月球表面， “嫦娥奔月”不再是美丽的神话了！
设计意图：通过了解人类探索宇宙的历程，向学生展示了人类对未知世界的美好向往，可贵的科学探索精神和为了科学不畏牺牲的献身精神，通过介绍我国的航天事业，激发了民族自豪感和爱国主义精神，可极大地激发学生对航天英雄的崇敬之情以及对航天事业的向往，有效地对学生进行了人文精神与科学精神的渗透。
小结：
谈一谈这节课你收获了什么？（培养学生归纳总结、语言表达能力）

板书设计：
第五节 宇宙航行
1、宇宙速度
7.9km/s 11.2km/s 16.7km/s
第一宇宙速度是卫星发射的最小速度，是在轨道上运行的最大速度。
2、人造地球卫星
3、同步卫星：定点在赤道上空，周期T、高度h、线速度v一定。T=24h h=36000km v=3.1km/s
4、梦想成真
（1）世界的成就
（2）中国的成就