教学交流| 楚东阳 丁建才:高中物理教学案例《反冲现象 火箭》
一、设计思想
物理学是一门以实验为基础的科学,学生学习物理的过程其实就是学生通过自身经历观察、实验探究等活动,发现问题,解决问题,建构知识、形成观念的过程。在物理实验探究过程中,要求学生拥有探究意识,能够提出物理问题,发现物理规律;具有设计实验探究方案,获取和处理证据和信息的能力,可以正确实施实验探究方案后得出结论并做出解释;要求学生可以收集并分析信息,对实验探究过程和结果进行交流、评估和反思。物理核心素养是学生在接受物理过程中逐渐形成的适应个人终身发展和社会发展需要的必要品格和关键能力,主要由“物理观念”“科学思维”“实验探究”“科学态度与责任”等四个要素构成。本节课首先复习旧知识,接着通过演示实验、观看视频、分组实验观察认识反冲现象。结合教师自制水火箭,介绍火箭的飞行原理。依据教材“思考与讨论”进行教师精讲,引导学生根据动量守恒定律,完成对人的速度变化量的推导。在此基础上定量分析火箭的速度。结合课后习题,充分发挥学生在课堂的主体作用,通过展示、点评和补充,进一步掌握反冲现象在生活中的应用。最后阅读“科学漫步”,既对火箭知识进行了拓展,又进一步介绍我国在航天事业中的成就,有利于激发学生的爱国热情。
二、教材分析
本节内容是动量一章的最后一节,具有本章知识总结和复习的性质,此外,由于高考改革趋向能力测试,更多地涉猎生活和科技前沿问题,使得本节知识变得尤为重要。
三、学情分析
由于学生已学习动量及动量守恒定律,能对一些物理模型进行简单解题,但是,没有把这些知识应用于实践的经验,难以完成知识内化,一旦涉及具体问题,往往束手无策。因此,本节课的主要任务是通过学生对反冲现象的学习,提升学生从实际问题中提炼出物理模型的能力,同时,中国是航天大国,学生了解国家航天事业的成就,有利于激发起学生以后投身航天事业的热情,增强对我国科学技术发展的自信。
四、教学目标
(一)通过实验认识反冲运动,能举出反冲运动的实例,知道火箭的发射是反冲现象。
(二)能结合动量守恒定律对常见的反冲现象做出解释。(三)了解我国航天事业的巨大成就,增强对我国科学技术发展的自信。
五、重点难点
(一)知道什么是反冲现象。
(二)巩固和深化动量守恒定律,知道反冲运动和火箭原理以及了解反冲运动的应用。
(三)应用动量守恒定律分析、解决反冲运动。
六、教学过程
(一)复习上节课内容
提问:
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描述动量守恒定律的内容?
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动量守恒的条件是什么?
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动量守恒定律研究的对象的什么?导入新课演示实验:易拉罐侧面下方,斜扎三个孔,吊起来,注满水后,喷水过程中发现易拉罐的旋转。
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播放视频,观看火箭升空过程。
分组实验:将吹满气的气球释放,观察气球的运动
教师提出问题:你还能根据生活经验举出其他类似的例子吗?
学生思考、代表发言。
教师提出问题:刚才观察到的现象有什么共同特点?
①物体可以看作由哪两部分组成?
②这两部分构成的系统所受的外力是否近似为0?或者某一方向上的合力是否近似为0?
学生思考、小组讨论,学生回答,教师补充。
得出反冲的概念
(一)反冲现象概念:系统在内力作用下,一部分向某个方向运动,另一部分必然向相反的方向运动。这个现象叫做反冲现象。
教师提出问题:我们通过实验现象总结出反冲运动的特点,在这些现象背后包含着什么物理原理呢?
学生回答:动量守恒定律。
教师带领学生分析:反冲运动是系统内力作用的结果,当内力远远大于外力时,系统动量近似守恒。
教师提问:你还能根据生活经验举出其他反冲的例子吗?
学生思考、代表发言。
教师引导学生用一分为二的观点看待反冲现象,在实际生活中,利用有利的一面,防止有害的一面。
(二)火箭
教师提问:通过课本(P25)观察古代火箭的特点?
学生阅读课本,回答。
视频展示教师制作水火箭的发射过程。
教师提问:水火箭与古代火箭有什么相同和不同之处?
引导学生回答:水火箭和古代火箭原理相同,都是利用反冲现象来工作的。但水火箭喷的是水,古代火箭喷的是火焰。
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教师精讲教材(P25)中的“思考与讨论”,明确研究对象和参照物的选取。此时,参照物是飞船,研究对象是人和小物体这个系统。原来系统是静止的,总动量为零,人抛出小物体后,总动量依旧为零。
人的质量为m,小物体的质量为△m,抛出小物块的速度是u,人获得的速度是△v
根据动量守恒定律m△v+△mu=0
解得△v=-△mu/m
学生计算:
小物体动量的改变量是多少?
人的动量改变量是多少?
人的速度改变量是多少?
对于火箭的发射,火箭壳体和火箭内的气体组成系统,在喷气过程中动量守恒。选与原来火箭相对静止的物体为参照物,火箭原来的动量为零,喷气后火箭与燃气的总动量仍然为零。
设火箭在时间△t内喷射燃气的质量是△m,喷出的速度是u喷出燃气后火箭的质量是m。火箭获得的速度是△v
根据动量守恒定律m△v+△mu=0
解得△v=-△mu/m由上式表明,火箭喷出的燃气的速度u越大,火箭喷出物质的质量与货架本身质量之比越大,火箭获得的速度△v就越大。
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当堂检测
(1)一架喷气式飞机飞行的速800m/s,如果它喷出的气体相对飞机的速度小于800m/s,那么以地面为参考系,气体的速度方向实际上是与飞机飞行的方向相同的。如果在这种情况下继续喷出气体,飞机的速度还会增加吗?为什么?
(2)一连同装备共有100kg的航天员,脱离宇宙飞船后,在离飞船45m的位置与飞船处于相对静止的状态。装备中有一个高压气源,能以50m/s的速度喷出气体。航天员为了能在10min内返回飞船,他需要在开始返回的瞬间一次性向后喷出多少气体?
(3)用火箭发射人造地球卫星,假设最后一节火箭的燃料用完后,火箭壳体和卫星一起以7.0×103m/s的速度绕地球做匀速圆周运动。已知卫星的质量为500kg,最后一节火箭壳体的质量为100kg。某时刻火箭壳体与卫星分离,分离时卫星与火箭壳体沿轨道切线方向的相对速度为1.8×103m/s。试分析计算:分离后卫星的速度增加到多大?火箭壳体的速度是多大?分离后它们将如何运动?
(4)一个士兵坐在皮划艇上,他连同装备和皮划艇的总质量是120kg。这个士兵用自动步枪在2s内沿水平方向连续射出10发子弹,每发子弹的质量是10g,子弹离开枪口时相对步枪的速度是800m/s。射击前皮划艇是静止的,不考虑水的阻力。
①每次射击后皮划艇的速度改变多少?
②连续射击后皮划艇的速度是多大?
③连续射击时枪所受到的平均反冲作用力是多大?学生展示、点评、补充。教师补充。
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拓展学习
一起阅读科学漫步(P26),了解多级火箭能及时把空壳抛掉,使火箭的总质量减少,能够达到很高的速度,但火箭的级数不是越多越好,级数越多,构造越复杂,工作的可靠性越差,目前多级火箭一般是不超过四级。既是对火箭知识的拓展,又是进一步介绍我国在航天事业中成就,有利于激发学生的爱国热情。
(六)课堂小结
(1)知道什么是反冲,实际中有哪些反冲的运用。
(2)学会用动量守恒解释有关反冲的现象。
(3)知道火箭的原理和我国在火箭技术上的发展,培养报效祖国科技事业的伟大情感。