2024-2025学年高中物理 第六章 万有引力与航天 5 宇宙航行（3）教学设计 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（3）教学设计新人教版必修2学校授课教师课时授课班级授课地点教具教学内容教材章节：新人教版必修2第六章万有引力与航天5宇宙航行（3）

内容：本节课主要围绕宇宙航行中的第三部分展开，包括宇宙飞船的轨道运动、变轨原理、宇宙探测器的设计与任务等。通过学习，学生将掌握轨道运动的基本规律，了解宇宙探测器的原理及其在科学研究中的应用。核心素养目标培养学生科学探究精神，通过宇宙航行案例，提升学生运用物理知识解决实际问题的能力。增强学生的科学思维，学会从物理角度分析宇宙飞船的运动轨迹和能量转换。同时，激发学生的科学兴趣和爱国情怀，认识到物理学在航天科技发展中的重要作用。学习者分析1.学生已经掌握了哪些相关知识：

学生在进入本节课之前，已经学习了牛顿运动定律、万有引力定律以及机械能守恒等基础知识。他们能够理解物体在重力作用下的运动规律，以及能量在不同形式之间的转换。

2.学生的学习兴趣、能力和学习风格：

高中学生对宇宙和航天科技通常具有浓厚的兴趣，他们渴望了解航天器的工作原理和宇宙探索的最新进展。学生的能力方面，部分学生可能在数学和物理计算方面较为擅长，能够快速掌握复杂的物理公式和计算方法。学习风格上，学生中既有偏好通过实验探究物理现象的，也有倾向于通过理论分析来理解物理规律的。

3.学生可能遇到的困难和挑战：

在学习宇宙航行时，学生可能会遇到以下困难和挑战：一是对轨道力学和能量转换的理解不够深入，二是复杂计算可能导致学生产生畏难情绪，三是缺乏实际航天知识的背景，可能难以将理论知识与实际应用联系起来。此外，对于宇宙航行中的相对论效应，如时间膨胀等概念，学生可能感到难以理解。教学资源准备1.教材：确保每位学生都有新人教版必修2教材，以便查阅相关章节内容。

2.辅助材料：准备与宇宙航行相关的图片、图表、航天器发射视频等多媒体资源，以增强直观教学效果。

3.实验器材：准备轨道模型、万有引力模拟装置等，供学生进行实验操作和观察。

4.教室布置：设置分组讨论区，安排实验操作台，并确保教室环境安全、整洁。教学过程设计1.导入新课（5分钟）

目标：引起学生对宇宙航行的兴趣，激发其探索欲望。

过程：

开场提问：“你们看过电影《星际穿越》吗？你们对宇宙航行有什么疑问？”

展示一些关于航天器的图片或视频片段，让学生初步感受宇宙航行的魅力或特点。

简短介绍宇宙航行的基本概念和重要性，为接下来的学习打下基础。

2.宇宙航行基础知识讲解（10分钟）

目标：让学生了解宇宙航行的基本概念、组成部分和原理。

过程：

讲解宇宙航行的定义，包括其主要组成元素或结构，如火箭、卫星、宇宙飞船等。

详细介绍宇宙航行的组成部分或功能，使用图表或示意图帮助学生理解。

3.宇宙航行案例分析（20分钟）

目标：通过具体案例，让学生深入了解宇宙航行的特性和重要性。

过程：

选择几个典型的宇宙航行案例进行分析，如阿波罗登月计划、火星探测器任务等。

详细介绍每个案例的背景、特点和意义，让学生全面了解宇宙航行的多样性或复杂性。

引导学生思考这些案例对人类科技发展和国际合作的贡献，以及如何应用宇宙航行技术解决地球上的问题。

小组讨论：将学生分成小组，每组讨论一个案例的未来发展或改进方向，并提出创新性的想法或建议。

4.学生小组讨论（10分钟）

目标：培养学生的合作能力和解决问题的能力。

过程：

将学生分成若干小组，每组选择一个与宇宙航行相关的主题进行深入讨论，如“如何实现星际旅行”。

小组内讨论该主题的现状、挑战以及可能的解决方案。

每组选出一名代表，准备向全班展示讨论成果。

5.课堂展示与点评（15分钟）

目标：锻炼学生的表达能力，同时加深全班对宇宙航行的认识和理解。

过程：

各组代表依次上台展示讨论成果，包括主题的现状、挑战及解决方案。

其他学生和教师对展示内容进行提问和点评，促进互动交流。

教师总结各组的亮点和不足，并提出进一步的建议和改进方向。

6.课堂小结（5分钟）

目标：回顾本节课的主要内容，强调宇宙航行的重要性和意义。

过程：

简要回顾本节课的学习内容，包括宇宙航行的基本概念、组成部分、案例分析等。

强调宇宙航行在人类探索宇宙、推动科技进步方面的价值和作用，鼓励学生进一步探索和应用宇宙航行知识。

布置课后作业：让学生撰写一篇关于宇宙航行的短文或报告，要求结合所学知识，探讨宇宙航行的未来可能性，以巩固学习效果。学生学习效果学生学习效果主要体现在以下几个方面：

1.知识掌握程度：

学生通过本节课的学习，能够掌握宇宙航行的基本概念、原理和相关技术。具体包括：

-理解宇宙航行的定义、发展历程及其对人类科技进步的意义。

-掌握宇宙航行中的力学原理，如牛顿运动定律、万有引力定律、开普勒定律等。

-了解宇宙航行中的能量转换和守恒定律，以及其在实际应用中的作用。

2.分析问题与解决问题的能力：

通过案例分析，学生能够学会运用物理知识分析宇宙航行中的实际问题，并尝试提出解决方案。具体表现如下：

-学会分析宇宙探测器的设计与任务，理解其在科学研究中的作用。

-通过小组讨论，学生能够结合所学知识，对宇宙航行中的难题进行探讨，提出创新性想法。

3.合作能力与沟通能力：

在小组讨论和课堂展示环节，学生的合作能力和沟通能力得到显著提升。具体包括：

-学会在小组中分工合作，共同完成任务。

-学会倾听他人意见，尊重他人观点，提高沟通效果。

-学会清晰、准确地表达自己的观点，提高语言表达能力。

4.科学探究精神与创新意识：

通过学习宇宙航行，学生的科学探究精神和创新意识得到激发。具体包括：

-关注航天科技发展动态，培养对科学的热情和好奇心。

-尝试从物理角度分析宇宙航行中的现象，提高科学思维水平。

-积极探索宇宙航行中的未知领域，勇于创新，敢于挑战。

5.爱国情怀与责任感：

通过学习宇宙航行，学生的爱国情怀和责任感得到增强。具体包括：

-认识到我国航天事业的成就，增强民族自豪感。

-意识到航天科技对国家发展的重要性，激发为国家科技事业做贡献的决心。

-关注航天科技在国际竞争中的地位，培养国际视野。

6.课后延伸与拓展：

学生通过课后作业，能够将所学知识应用到实际生活中，进一步巩固学习成果。具体包括：

-撰写关于宇宙航行的短文或报告，提高写作能力。

-收集航天科技相关资料，拓宽知识面。

-关注航天科技新闻，了解航天领域的最新进展。典型例题讲解例题1：一艘宇宙飞船以初速度v0从地球表面发射，忽略空气阻力，求飞船达到高度h时的速度v。

解答：

根据机械能守恒定律，飞船在发射到高度h的过程中，其动能和势能之和保持不变。设地球表面的重力加速度为g，地球半径为R，飞船质量为m，则有：

(1/2)mv0^2+mgh=(1/2)mv^2

化简得：

v^2=v0^2+2gh

解得：

v=√(v0^2+2gh)

例题2：一艘宇宙飞船在距离地球表面高度为h的地方，以速度v0发射，求飞船达到第一宇宙速度v1时的距离地球表面的高度。

解答：

第一宇宙速度是指物体在地球表面附近做圆周运动所需的最小速度。设地球质量为M，飞船质量为m，地球半径为R，则有：

GMm/R^2=mv1^2/R

化简得：

v1=√(GM/R)

在飞船从高度h达到第一宇宙速度v1的过程中，动能和势能之和保持不变，即：

(1/2)mv0^2+mgh=(1/2)mv1^2

代入v1的表达式，得：

v0^2+2gh=v1^2

化简得：

h=(v1^2-v0^2)/(2g)

例题3：一颗人造卫星在距离地球表面高度为h的轨道上绕地球做匀速圆周运动，已知地球半径为R，求卫星的角速度ω。

解答：

卫星在轨道上绕地球做匀速圆周运动时，由万有引力提供向心力，即：

GMm/(R+h)^2=mω^2(R+h)

化简得：

ω=√(GM/(R+h)^3)

代入万有引力常量G和地球质量M的值，得：

ω≈2π/√[(R+h)^3/T]

其中T为卫星绕地球一周的时间。

例题4：一艘宇宙飞船在地球表面附近发射，求飞船达到轨道高度h时所需的最小初速度v0。

解答：

飞船在发射到高度h的过程中，动能和势能之和保持不变，即：

(1/2)mv0^2=mgh

化简得：

v0=√(2gh)

代入地球表面重力加速度g和轨道高度h的值，得：

v0≈7.9km/s

例题5：一艘宇宙飞船在地球表面附近发射，求飞船达到轨道高度h时所需的最小燃料消耗量Q。

解答：

飞船在发射到高度h的过程中，动能和势能之和保持不变，即：

Q=mgh

代入地球表面重力加速度g、轨道高度h和飞船质量m的值，得：

Q≈7.9hm^3/kg板书设计①万有引力与航天

-宇宙航行概述

-轨道力学基础

-能量转换与守恒

②宇宙航行基础知识

-宇宙航行的定义与历史

-航天器的基本类型与功能

-地球轨道与宇宙探测器

③轨道力学计算

-牛顿运动定律在航天中的应用