《宇宙航行》多媒体教学设计（张前军 张峰） - 图文

《宇宙航行》多媒体教学设计

张前军 张峰

江苏省沭阳高级中学，江苏 沭阳 223600 （《物理教学探讨》2012年第12期）

摘要：新课程改革强调课程三维目标的落实，本文给出了一个《宇宙航行》的多媒体教学设计，在此过程中充分利用多媒体辅助教学的优点，以此来展示在教学过程中如何落实三维目标。

关键词：宇宙航行；多媒体设计；三维目标；

1 教材分析

《宇宙航行》是新课程人教版物理必修2第六章《万有引力与航天》第五节内容，介绍了万有引力的实践性成就，需要学生重点理解第一宇宙速度，同时也要培养学生养成是万有引力提供天体运动向心力的这一基本方法来研究卫星问题的习惯，还要让学生通过了解航天发展史，感受人类不断探究自然的精神，激发学生的爱国热情和民族自豪感。

教材只介绍了人造地球卫星的发射原理和人类的航天成就，但是人造地球卫星是万有引力定律在天文学上应用的一个重要实例，因此必不可少的要补充介绍卫星的运动规律，让学生能够区别卫星的发射速度和环绕速度，让学生形成较正确的卫星运动图景。 2 多媒体设计

通过网络搜集与航天有关的大量诗歌、图片、动画插件以及影像素材，精选并合理组合，制作了卫星发射和在轨运动的模拟动画，希望使素材的呈现更加自然、流畅，并在教学中使学生拥有美的享受，从而突破卫星问题中的一些难点。 3 教学过程 3.1 新课引入

老师（以下简称为“师”）：有梦想谁都了不起，有勇气就会创造奇迹。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。下面请欣赏一首表达人类对太空向往的小诗。

展示一幅仰望星空的唯美画面和小诗，并请学生深情朗诵。 学生（以下简称为“生”）：朗诵《畅想天空》。

我好想

拥有一双羽翼飞翔 离天空近一点 然后再近一点 我不断的畅想 所谓深邃的天空 那儿有多远 那儿有多美

师：立即展示（“渐变”、“非常慢”）一幅美丽的太空照片。 生：（非常美丽的动画效果引起了学生的惊讶）哇呀??

师：是啊，如此美妙的太空，怎能不激起人类探索的欲望呢？ 多媒体设计意图（以下简称“意图”）：通过图片与诗意相映衬，结合多媒体所动态呈现的绚丽灿烂的太空照片更激起学生学习太空知识的热情。 3.2 一、人类探索太空的历程

师：在科技不发达的古代，人们常以神话来寄托这种向往。如嫦娥奔月（展示嫦娥奔月的图片），但也有不惜牺牲生命亲身实践的勇士，如明代的万户飞天（展示万户飞天的图片）。

2011年4月12日是人类进入太空的50周年，为此凤凰卫视制作了视频短片——《征空50年：航天

一小步，地球一大步》。下面请大家一起来欣赏，从中窥见人类进入太空的大事件（播放视频）。

（解说词：）人类征空已经踏入50周年的金夕纪念，自苏联宇航员加加林成为太空旅行第一人之后，人类航天事业不断迅速发展，包括美国登月，而中国的航天事业更是突飞猛进，奋起直追。

众所周知，人类最先实现太空之旅的是苏联宇航员加加林，但其实更早征空的是太空犬。在1950年代至1960年代之间，苏联航天主管部门为了确认类太空飞行有可能性，因此派出一批太空犬当先锋，进行了至少57次的太空任务，在次轨道和轨道上做太空飞行。而人类的征空史就由当年27岁的苏联宇航员加加林于1961年4月12日开启，他乘坐东方一号航天飞船发射升空，在最大高度为310公里的轨道上绕地球一周，历时1小时29分，实现了人类的首次太空之旅。

在苏联率先征空后，美国在太空事业奋起直追，在1969年7月21日3名美国宇航员搭乘太阳神十一号执行登月任务，当美国人阿姆斯特朗踏上月球表面时是人类征空的另一个高峰。

到了1983年，时任美国总统的里根首先提出国际空间站的设想，经过十多年的探索和多次重新设计，直到苏联解体俄罗斯加盟，国际空间站才完成设计开始实施，到了今天，宇航员已经能在空间站长期进行科学研究了，其正在为将来开发太空资源而努力着。

作为后来者的中国，载人航天事业在21世纪突飞猛进，2003年10月15日杨利伟乘坐神舟五号飞船首次进入太空，围绕地球14圈之后安全返回地面，杨利成为中国第一位进入太空的航天员，也使得中国成为世界上第三个，也是发展中国家第一个能够独立进行开展载人航天活动的国家。2005年10月神舟六号载人飞船载着航天员费俊龙和聂海胜经过115小时32分钟的太空飞行后，完成了中国有人参与的空间科学实验。而翟志刚、刘伯明、景海鹏三名航天员在2008年9月乘坐神舟七号升空。翟志刚更首度实施空间出舱活动，在太空第一次留下中国人的足迹。

意图：通过以上的多媒体表现，不仅将教材中“梦想成真”部分的文本材料进行了活化，实现情景的再现，而且对文本内容进行了拓展，实现学生对文本知识全面的、深刻的理解，对中国航天事业飞速发展的介绍更激发起学生的民族自豪感。 3.3 二、人造卫星的运动规律

师：人们常说航天事业是一项高精尖的事业，与自己相去甚远，其实大家已是高中学生，完全有能力去理解航天工程中的一些基本原理。人类发射的众多航天器中，绝大多数都是人造地球卫星，下面以人造地球卫星为例，研究一下卫星在轨运动的规律。

为简化问题分析，假设卫星都是在圆轨道上做圆周运动。请分析： 问题（1）：做匀速圆周运动的物体受力有何特点？ 问题（2）：卫星在地球上空受哪些力作用？卫星圆周运动的向心力由什么力提供？ 问题（3）：假设已知地球质量为M、卫星轨道半径为r，卫星质量为m，引力常量为G。试由向心力方程推导卫星运动的线速度v、角速度ω、周期T与半径r的关系式。

生：思考、讨论并回答。 回答（1）：合力提供向心力。 回答（2）：卫星只受万有引力，万有引力全部提供向心力。

Mmv24?22?m?r?m2r得 回答（3）：由G2?mrrTGMGMr3卫星线速度v?、角速度??、周期T?2?。 3rGMr师：试比较不同轨道半径上的卫星，是哪种类型卫星运动快？

生：半径r变小时，线速度v变大、角速度ω变大和周期T变小都表示运动快，所以半径小的卫星运动快。

师：能否发射一颗在地球某一纬度面（非赤道平面）上做圆周运动的卫星呢？

生：不能。卫星轨道圆心不在地心，万有引力一部分提供向心力，另一部分将会使卫星轨道往赤道平面处移动。

师：展示图解分析过程，如图1所示。 总结卫星运动的基本规律：

①万有引力全部提供向心力，轨道圆心一定在地心； ②半径小，转得快。

图1 图解卫星运动 图2 卫星圆周运动

卫星绕地球做圆周运动到底是一个什么样的情景呢？展示卫星在不同轨道平面上和同一轨道平面中不同轨道半径上运动的模拟动画，如图2所示。

意图：通过多媒体动画演示，直观表现出难以观察的卫星运动物理情景，帮助学生建立感性的卫星运动模型图，也为今后的卫星问题分析打下立体模型基础。

结合卫星运动的动画模型，请思考： 问题（4）：同步卫星转动周期和地球自转周期相同，各地人们从地球上仰望卫星，仿佛悬挂在太空静止不动。同步卫星可能在极地轨道、赤道轨道和一般轨道上中的哪一个轨道上呢？

问题（5）：能否发射一颗轨道平面始终与地球某经度线平面重复的极地轨道卫星呢？ 生：思考、讨论并回答。 回答（4）：同步卫星轨道为赤道轨道。 回答（5）：（激烈讨论后统一）不能。因为地球在自转，而卫星轨道平面是不转的。 3.4 三、宇宙速度

师：我们已经知道卫星运动的规律，如何实现将卫星送入太空轨道呢？牛顿在思考万有引力定律时就提出了发射卫星的构想：把物体从高山上水平抛出，速度一次比一次大，落地点也就一次比一次远（老师以抛粉笔头演示）。

（强调）如果抛出的速度足够大，物体就不再落回地面，它将绕地球运动，成为人造地球卫星，如图3所示。

究竟抛出的速度大到何值时物体才不落回地面呢？我们首先思考在地表飞行

图3 牛顿设想

的卫星速度问题，假设已知地球质量为M、半径为R，卫星质量为m，引力常量为G。请思考：

问题（1）：试推导在地表飞行的卫星速度v1表达式。 问题（2）：试用地表重力加速度g表示v1；若g近似取10m/s2，R=6400km，试估算v1数值。 问题（3）：从卫星运动规律分析，v1是卫星运动的最小速度还是最大速度？为什么？ 生：思考、讨论并回答。

v12MmGM回答（1）：由G2?m得，v1?。

RRR回答（2）：又由GMm?mg得，v1?gR；v1≈8km/s。 2R回答（3）：v1是卫星运动的最大速度。因为，贴地表飞行的卫星轨道半径是最小的。

师：在以上的定量计算中，g取10m/s2是为了方便近似计算，而精确的计算v1＝7.9km/s。结合以上分析，我们可以得到人造地球卫星环绕地球运动的速度v取值范围是多大？

生：v≤7.9km/s。

师：如果物体抛出时速度等于物体在轨道上运动的速度时，物体就变成了绕地飞行的卫星，而一般卫

星的运动轨道都高于地表。从发射方面分析，v1是发射卫星的最小速度还是最大速度？为什么？ 生：v1是发射卫星的最小速度。抛出的初速度越大，物体才能飞到更高轨道上。

师：若卫星发射速度比7.9km/s 再大时，卫星将飞得更远，此时的卫星轨道为椭圆。理论计算表明：当发射速度为11.2km/s时，卫星将飞到离地球无限远的地方，即脱离地球引力作用而不再回来。但此时还没有脱离太阳的引力作用范围；当卫星的发射速度为16.7km/s时，卫星将飞出太阳系，即脱离太阳引力作用而不再回来。这三个速度是采用抛体式发射的人类航天器脱离三个宇宙空间的临界初速度，分别把它们称为第一宇宙速度、第二宇宙速度、第三宇宙速度。人造地球卫星的的发射速度v发取值范围是多大？

生：7.9km/s≤v发＜11.2km/s。

师：当然实际卫星的发射根本不是采用牛顿的抛体式，而是利用喷气推进的多级火箭。

意图：通过多媒体模拟动画、图片展示，让学生分清物理学的理论与实际情况，增进了解中国的航天事业概况，建立全面的、科学的知识体系。 3.5 总结：（略） 4 教学后记

教师作为课堂教学的组织者应该根据教学内容及学生的实际情况创造性地使用教材，对教材进行合理的加工、开发，提高课堂教学的实际效果。本节教学设计完全颠倒了教材内容的先后顺序，笔者先通过概括性的诗歌、图片、影像介绍了古今中外的航天事业发展情况，激发学生的学习热情；然后通过层层设疑在先（补充）探讨卫星在轨运动问题后，自然而然地过渡到卫星发射问题，整个教学过程环节流畅，一气呵成。

参考文献

［1］赵天阳．谈多媒体教学在物理课堂教学中的作用［J］．物理教学探讨，2010，53（8） ［2］袁财容，高亚浩．新课改背景下的高中物理课堂教学设计［J］．物理教学探讨，2011，32（4）

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