2024-2025学年高中物理 第六章 万有引力与航天 5 宇宙航行（2）教案 新人教版必修2

2024-2025学年高中物理第六章万有引力与航天5宇宙航行（2）教案新人教版必修2授课内容授课时数授课班级授课人数授课地点授课时间教学内容分析本节课的主要教学内容为高中物理新人教版必修2第六章“万有引力与航天”中的第5节“宇宙航行（2）”。内容主要包括：1.卫星的轨道与速度关系；2.宇宙速度的概念及其计算；3.了解载人航天和空间站的基本原理。

教学内容与学生已有知识的联系在于，学生在之前的学习中掌握了万有引力定律、牛顿运动定律等基础知识，能够理解并运用这些知识来分析卫星运动规律。在此基础上，本节课将引导学生进一步探索卫星轨道、速度的物理关系，以及宇宙速度的计算，从而加深对航天原理的理解，并与现实中的载人航天和空间站建设相联系，提高学生的知识应用能力。核心素养目标1.物理观念：理解并掌握宇宙航行的物理原理，形成对卫星轨道、速度关系的深刻认识，建立正确的宇宙速度概念。

2.科学思维：运用物理学方法，分析航天器运动规律，培养逻辑推理和数学运算能力。

3.科学探究：通过实例探究，培养学生提出问题、解决问题的能力，激发对航天科学的兴趣。

4.科学态度与责任：了解载人航天和空间站的发展，激发学生的国家自豪感，培养对科技创新的责任感。重点难点及解决办法重点：

1.卫星轨道与速度关系的理解。

2.宇宙速度的计算及应用。

3.载人航天和空间站的基本原理。

难点：

1.卫星在不同轨道上的速度变化规律。

2.宇宙速度计算中的物理意义理解。

3.航天器实际运行中的复杂因素分析。

解决办法与突破策略：

1.通过动态模拟软件演示卫星轨道与速度关系，增强直观理解。

2.结合实际案例，引导学生逐步推导宇宙速度的计算公式，强调物理意义的解释。

3.利用图表、视频资料介绍载人航天和空间站的工作原理，帮助学生构建复杂系统的认识。

4.设计小组讨论活动，让学生合作解决具体问题，培养问题解决能力和团队合作精神。教学方法与手段教学方法：

1.讲授法：通过生动的语言和清晰的逻辑，向学生讲解卫星轨道与速度关系、宇宙速度概念等基本理论知识，确保学生能够系统地掌握物理概念和原理。

-结合实际案例，如我国嫦娥探月工程，讲解理论知识在实际中的应用，提高学生的兴趣和认识。

-设置互动环节，鼓励学生提问，及时解答学生的疑惑，增强课堂的互动性和学生的参与感。

2.讨论法：针对宇宙航行中的关键问题，组织学生进行小组讨论，促使学生主动思考，培养学生的批判性思维和团队合作能力。

-设计具有启发性的讨论题目，如“如何计算卫星的逃逸速度？”等，引导学生深入探讨物理问题。

-在讨论过程中，教师巡回指导，提供必要的帮助，确保讨论的深度和广度。

3.实验法：利用物理实验室或虚拟实验软件，进行模拟实验，让学生亲身体验宇宙航行的物理过程，增强实践操作能力。

-设计简单的实验，如制作模型卫星，观察不同轨道上的运动状态，加深对轨道速度关系的理解。

-利用计算机模拟软件，模拟卫星发射和轨道运行，让学生直观感受宇宙航行的复杂性和精确性。

教学手段：

1.多媒体设备：运用PPT、视频、动画等多种形式的多媒体教学资源，直观展示宇宙航行的物理现象和原理。

-使用动画演示卫星发射和轨道变化，帮助学生形象理解抽象的物理概念。

-播放航天发射和空间站生活的视频，激发学生对航天科技的兴趣和好奇心。

2.教学软件：利用物理教学软件，如物理实验室模拟软件、天文观测软件等，提高教学互动性和实践性。

-利用软件模拟宇宙速度的计算过程，让学生通过操作软件来理解计算方法。

-使用天文观测软件，让学生模拟观测卫星运动，增强学习体验。

3.网络资源：整合互联网上的优质教学资源，如科普文章、在线课程等，拓宽学生的知识视野。

-推荐相关的科普文章和视频，让学生在课后自主学习，拓展课堂学习内容。

-引导学生访问航天机构的官方网站，获取最新的航天资讯，增强学生对航天科技发展的认识。教学实施过程1.课前自主探索

教师活动：

-发布预习任务：通过学校在线学习平台，发布关于宇宙航行预习的PPT和视频资料，明确预习目标和要求。

-设计预习问题：围绕“宇宙速度的计算及应用”，设计问题，如“什么是第一宇宙速度？它如何影响卫星的轨道？”

-监控预习进度：通过学习平台跟踪学生的预习情况，及时给予反馈。

学生活动：

-自主阅读预习资料：学生按照要求，自主学习预习资料，初步了解宇宙航行的基本概念。

-思考预习问题：学生对预习问题进行独立思考，记录自己的理解和新产生的疑问。

-提交预习成果：学生将预习笔记、问题等提交至学习平台或通过电子邮件发送给老师。

教学方法/手段/资源：

-自主学习法：培养学生独立思考和自主学习的能力。

-信息技术手段：利用在线平台，实现资源的共享和预习进度的监控。

作用与目的：

-帮助学生提前接触课程内容，为课堂学习打下基础。

-培养学生的自主学习习惯和解决问题的初步能力。

2.课中强化技能

教师活动：

-导入新课：通过播放神舟飞船发射的视频，引起学生对宇宙航行的兴趣。

-讲解知识点：详细讲解宇宙速度的概念及其计算方法，结合实际案例帮助学生理解。

-组织课堂活动：设计小组讨论，让学生探讨卫星轨道与速度的关系，并进行角色扮演，模拟航天工程师解决实际问题。

-解答疑问：在课堂活动中，针对学生的疑问进行解答和指导。

学生活动：

-听讲并思考：认真听讲，积极思考老师提出的问题，如“为什么卫星需要达到一定速度才能进入轨道？”

-参与课堂活动：在小组讨论中积极发言，通过角色扮演等活动，体验宇宙航行知识的应用。

-提问与讨论：对于不懂的问题或新想法，勇敢提出并参与课堂讨论。

教学方法/手段/资源：

-讲授法：通过讲解，帮助学生深入理解宇宙速度等知识点。

-实践活动法：通过小组讨论和角色扮演，提高学生的参与感和实践能力。

-合作学习法：通过团队协作，培养学生的沟通和协作能力。

作用与目的：

-加深学生对宇宙航行物理原理的理解，掌握宇宙速度的计算。

-通过实践活动，培养学生的动手能力和问题解决能力。

-增强学生的团队合作意识和沟通能力。

3.课后拓展应用

教师活动：

-布置作业：根据课堂内容，布置相关的课后习题，巩固宇宙速度的计算和应用。

-提供拓展资源：推荐相关的科普文章和在线课程，供学生深入了解宇宙航行的最新发展。

-反馈作业情况：及时批改作业，给予学生反馈，指导学生改进。

学生活动：

-完成作业：认真完成课后习题，巩固课堂所学知识。

-拓展学习：利用老师推荐的资源，进行深入学习和思考。

-反思总结：对自己的学习过程进行反思，总结学习收获，提出改进建议。

教学方法/手段/资源：

-自主学习法：鼓励学生自主完成作业，进行拓展学习。

-反思总结法：引导学生通过反思，促进自我提升。

作用与目的：

-巩固学生在课堂上学到的知识点和技能。

-通过拓展学习，拓宽知识视野，提高学生的科学素养。

-通过反思总结，帮助学生形成良好的学习习惯，促进个人成长。教学资源拓展1.拓展资源：

-科普书籍：《航天知识普及》、《探索宇宙奥秘》等，这些书籍详细介绍了宇宙航行的历史、原理以及我国航天科技的发展。

-科普视频：中央电视台《走近科学》等科普节目有关宇宙航行的专题视频，帮助学生更直观地了解宇宙航行的相关知识。

-科普文章：航天杂志、科学网站等媒体发布的关于宇宙航行、卫星轨道、宇宙速度等方面的科普文章。

-航天博物馆或科技馆：实地参观，了解航天器实物、模型以及发射过程，感受航天科技的伟大。

-在线课程：国内外开放的在线课程，如“天体物理”、“航天工程”等，为学生提供更深入的专业知识学习。

2.拓展建议：

-阅读科普书籍：学生可以选择一本感兴趣的科普书籍，深入了解宇宙航行的历史和原理，了解我国航天科技的发展历程。

-观看科普视频：利用课余时间观看科普视频，通过生动的画面和实例，加深对宇宙航行知识的理解。

-阅读科普文章：定期阅读航天杂志或科学网站上的科普文章，了解宇宙航行领域的最新动态和技术发展。

-实地参观：组织或参加学校组织的航天博物馆、科技馆参观活动，亲身体验航天科技的魅力。

-学习在线课程：根据自己的兴趣和时间，选择合适的在线课程进行深入学习，提高自己在天体物理、航天工程等方面的专业素养。重点题型整理1.计算题：卫星的宇宙速度计算

题目：一颗卫星质量为m，地球质量为M，地球半径为R，卫星距离地面的高度为h。求卫星进入圆形轨道所需的最小速度（第一宇宙速度）。

解答：

根据万有引力定律，卫星所受的引力为：

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

其中，G为万有引力常数。

卫星进入圆形轨道时，向心力由万有引力提供，即：

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

将上述两式联立，得到第一宇宙速度：

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

2.计算题：卫星轨道变化问题

题目：已知卫星在某一高度的轨道速度为v1，若要将卫星送入更高轨道，轨道速度变为v2，求所需增加的速率。

解答：

根据能量守恒定律，卫星在轨道上的总机械能E为：

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

其中，G为万有引力常数，M为地球质量，m为卫星质量，R为地球半径，h为卫星距离地面的高度。

卫星在轨道1上的速度为v1，轨道2上的速度为v2，则卫星在轨道1和轨道2上的机械能分别为：

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

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

其中，h1和h2分别为卫星在轨道1和轨道2上距离地面的高度。

根据能量守恒定律，E1=E2，可以得到：

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

整理得到：

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

所需增加的速率为：

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

3.计算题：卫星发射燃料问题

题目：已知卫星质量m，火箭质量M，火箭燃烧后的速度v1，燃烧前的速度v0。求火箭燃烧所需的最小燃料质量。

解答：

根据动量守恒定律，火箭燃烧前后的总动量守恒，即：

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

其中，v2为卫星发射后的速度。

解得：

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

火箭燃烧所需的最小燃料质量为：

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

4.计算题：空间站对接问题

题目：空间站A以速度v绕地球匀速运行，空间站B需要与A对接。求空间站B从低轨道加速到与A轨道相同高度所需的速度增量。

解答：

空间站A在轨道上的机械能E1为：

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

其中，G为万有引力常数，M为地球质量，m为空间站质量，R为地球半径，h为空间站距离地面的高度。

空间站B在低轨道上的机械能E2为：

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

其中，h2为空间站B距离地面的高度。

空间站B加速后，与空间站A在同一轨道上的速度为v2，机械能E3为：

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

根据能量守恒定律，E2=E3，可以得到：

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

整理得到：

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

空间站B所需的速度增量为：

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

5.应用题：卫星寿命问题

题目：已知卫星在某一高度的轨道半径为r，地球质量为M，卫星质量为m。求卫星在该轨道上的运行周期T，并估算卫星的寿命。

解答：

根据开普勒第三定律，卫星在轨道上的运行周期T与轨道半径r的关系为：

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

解得：

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

卫星的寿命与轨道高度有关，一般而言，轨道高度越低，卫星寿命越短。可以估算卫星在轨道上的寿命为：

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

其中，v为卫星在轨道上的速度。教学反思在这次的教学中，我对宇宙航行这一章节有了更深入的理解，同时也发现了一些需要改进的地方。

首先，我发现学生对宇宙速度的计算理解不够深入。虽然我在课堂上详细讲解了宇宙速度的概念及其计算方法，但学生在实际操作中还是遇到了一些困难。因此，我计划在下一节课中增加一些实例练习，让学生通过实际操作来加深对宇宙速度计算的理解。

其次，我发现学生对卫星轨道与速度关系的理解也有待提高。虽然我在课堂上通过动态模拟软件演示了卫星轨道与速度关系，但学生在小组讨论中仍然存在一些疑问。因此，我计划在下一节课中增加一些小组讨论的环节，让学生通过合作学习来更好地理解这一关系。

此外，我还发现学生对航天器实际运行中的复杂因素分析能力不足。虽然我在课堂上利用图表、视频资料介绍了载人航天和空间站的工作原理，但学生在课