“反沖運動火箭”教學設計

◇ 廣東 梅昌容

1 教學內容分析

1.1 新課程標準對本節的要求

本節是人教版《選修3-5》中的內容，知識實質上講的是動量守恒定律在生活、生產、科技中的實際應用，需要學生學會應用動量守恒定律解決實際問題.

1.2 教材的地位和作用

反沖運動在生產、生活乃至航天、國防、軍事中有著廣泛用途，也是新高考考查學生能力的出題點，本節既能鞏固和深化動量守恒定律，又與“科技興國”戰略相適應，對培養學生的科技意識和學科素養起著重要作用.由此可見本節教學尤為重要.

1.3 教材的思路和特點

教材首先通過思考與討論章魚、烏賊游泳時應用了什么物理原理引入新課，得到反沖運動的定義.然后簡單列舉生產、生活中的反沖運動現象，著重介紹我國火箭技術的發展，并用火箭噴射燃氣的例題研究反沖運動遵循的規律，將反沖運動生活化、實際化，激發學生的愛國熱情.例題模型簡單，學生完全可以自學.對火箭技術、航天技術介紹較簡單.

2 教學對象分析

2.1 學生的知識基礎

學生會用動量守恒定律對簡單問題進行分析和處理，有能力自行解決教材上的例題，但對反沖運動在生產、生活、科技中的實際應用比較陌生，理論聯系實際的水平還比較欠缺.

2.2 學生的認知特點

對應用所學物理知識解釋生活中的物理現象充滿興趣，對我國火箭的發射、航天技術、軍事前沿知識充滿濃厚的興趣，對未知世界充滿好奇.

2.3 教材設計

教材上的內容都比較簡單，學生可以自學完成.本節課借助小實驗讓學生直觀感受反沖，理解什么是反沖運動，理解生活處處皆物理，并起到鞏固應用動量守恒定律的作用.重點介紹火箭的工作原理，利用大量的視頻和圖片資料，用多媒體課件和“神舟”七號發射過程的實況錄像分析多級火箭的工作原理，加深學生對多級火箭的原理和發射過程的了解.結合灌溉噴水器、火箭、反擊式水輪機、導彈、榴彈炮等反映反沖現象在生產、生活中的應用，使我國科技、國防、軍事的發展得以展現，幫助學生進一步了解反沖運動在航天技術和宇宙航行中的重要地位.讓學生在輕松的課堂氣氛中既鞏固了知識，又培養了科學探究精神、實踐能力、創新意識，同時激發學生的愛國熱情，培養學生的學科核心素養.讓學生設計實驗，親身感受反沖運動，培養學生的動手能力和團結協作能力.最后將課堂延伸到課外，自制“水火箭”并完成研究性學習報告，培養學生實事求是、嚴謹踏實的科學態度.

3 教學目標

3.1 知識目標

1)知道什么是反沖運動，能舉出幾個反沖運動的實例；

2)知道火箭的飛行原理和主要用途；

3)結合生產、生活中的例子，理解什么是反沖運動，體會生活處處皆物理.

3.2 能力目標

1)結合實際例子，經歷實驗探究，知道什么是反沖運動；

2)能結合動量守恒定律對反沖現象作出解釋；

3)進一步提高應用動量守恒定律分析和解決實際問題的能力.

3.3 德育目標

1)通過實驗，分析得出什么是反沖運動，培養學生善于從實驗中總結規律和熱心科學研究的興趣、勇于探索的品質；

2)通過對我國火箭事業、航天技術和軍事實力發展的了解，激發學生的民族自尊心和自豪感，培養學生的愛國熱情.

4 教學重點、難點

重點：鞏固和深化動量守恒定律.

難點：應用動量守恒定律分析、解決反沖運動問題.

5 教學用具

教學用具包括氣球、紙杯、面粉、玩具小車、反沖塑料瓶、帶彎管的吸管、鋁箔紙、火柴和支架，反擊式水輪機轉輪的原理模型、“神舟”七號升空的視頻、空中閱兵的視頻、灌溉噴水器模擬視頻，多媒體輔助教學設備等.

6 教學流程圖

本節課教學流程圖如圖1所示.

圖1 教學流程圖

7 教學過程設計

7.1 創設情境，引入課題

【演示實驗1】放飛氣球

實驗裝置如圖2，將氣球和剪裁好的紙杯組裝好，氣球里面裝入少量面粉，以便觀察氣體的運動軌跡，給氣球充足氣以后由靜止放飛.

在演示實驗過程中，教師給予學生有效的引導，讓學生有目的地觀察實驗現象.

教師提問：靜止的氣球放飛后，噴出的氣體向哪個方向運動，氣球向哪個方向運動?

學生：觀察實驗，思考并回答問題.

【演示實驗2】用氣球驅動小車

實驗裝置如圖3，一輛玩具小車、一個充滿氣的氣球和一根直通塑料管，用軟木塞塞住管口.

圖2 氣球和紙杯

圖3 氣球和小車

教師提問：拔出軟木塞，氣球向哪個方向噴氣?小車向哪個方向運動?

學生：觀察實驗，思考并回答問題.

教師提問：這兩個實驗有什么共同之處? 實驗中，氣球、小車為什么會向后退呢?

教師引導學生概括上述實驗中氣球和小車的運動方向與噴氣的方向相反.

歸納總結反沖運動的定義：如果一個靜止的物體在內力作用下分裂為兩個部分，一部分向某個方向運動，另一部分必然向相反的方向運動.這個現象叫作反沖.

教師板書課題：反沖運動 火箭.

反沖運動中的系統：把物體和從物體內部噴射出的氣體、液體、小物塊的整體作為系統.

【設計意圖】用簡單易行的演示實驗引入課題，人為制造一點“驚險氣氛”，活躍課堂氛圍，激發學生學習興趣，直入本節課的主題，同時培養學生善于從實驗中總結規律和熱心科學研究的興趣、勇于探索的品質，以及觀察實驗、分析問題、探究和深入理解知識規律的能力.通過實驗讓學生明白什么是反沖，簡單明了，易于建構知識.

7.2 分析理論，呈現知識

讓學生回顧剛才的實驗，列舉幾個反沖運動的實例.分析討論反沖運動的受力特點，總結出反沖運動遵循的規律.

教師提問：列舉生活中你見到的反沖現象.

學生：討論、交流、思考并回答問題.

學生列舉：節日所放的禮花、文化廣場澆草坪的噴水器、水池中間的水柱噴水器、噴氣式飛機、火箭升空……

引導學生分析氣球、禮花、火箭等所做的反沖運動，得到做反沖運動物體的受力特點：做反沖運動系統所受的合外力一般不為零，且存在內力遠大于外力的情況，可以認為反沖運動中系統動量守恒.

教師板書：反沖運動的特點：內力?外力.

反沖運動遵循的規律：動量守恒定律.

【設計意圖】啟發學生思維，由淺入深，層層遞進，引導學生動腦思考，讓學生大膽說出自己的想法.培養學生的邏輯思維能力和語言表達能力.

7.3 知識應用，拓展提高

1)反沖的利用

a)灌溉噴水器.播放灌溉噴水器的視頻，教師引導學生觀看噴水的方向和旋轉方向有什么關系，思考為什么這個裝置會自動旋轉，有什么好處.

學生：觀察、思考、討論、回答問題.

b)火箭.播放火箭的發射視頻.教師指導學生觀看視頻、展示古代火箭和現代火箭的圖片，介紹火箭的基本構造、工作原理和火箭的發展史.

提問：我國古代的火箭是怎樣的? 現代的火箭又是怎樣的? 現代火箭和古代“火箭”有什么相同和不同之處?

學生：觀察、思考、討論、匯報.

【設計意圖】通過教師的引導，使學生思維在觀察的過程中得到啟發.了解火箭的構造原理和發展史，拓展了學生的知識面，激發了學生的愛國熱情.介紹現代的火箭(如圖4).現代火箭用來發射探測儀器，以及人造衛星、宇宙飛船、航天飛機等空間飛行器.

圖4 現代火箭

教師提問：現代火箭為什么要采用多級結構?

學生：觀察、思考、討論、感受，深化理解反沖知識.

多級火箭能及時把空殼拋掉，使火箭的總質量減少，因而能夠達到很大的速度，可用來完成洲際導彈、人造衛星、宇宙飛船等的發射工作，但火箭的級數不是越多越好，級數越多，構造越復雜，工作的可靠性越差，目前多級火箭一般都是三級火箭.

播放“神舟”七號發射視頻.

教師提問：影響火箭飛行速度的主要因素是什么? 用什么辦法能提高火箭的終極速度?

學生：觀看視頻，感受激動人心的時刻，尋找視頻中的反沖現象.

利用多媒體展示題目，用例題來解決火箭終極速度問題.

火箭發射前的總質量為M、燃料燃盡后的質量為m，火箭燃氣的噴射速度為v，燃料燃盡后火箭的飛行速度v1為多大?

將燃料和火箭看成一個系統，以地面為參照物，在很短的時間內，火箭速度的變化非常小，近似認為噴氣的速度不變，由動量守恒定律可得(M－m)vmv1＝0，由此可知該時刻火箭的速度

影響火箭飛行速度的因素主要有兩個：一是噴氣速度，二是質量比(即火箭開始飛行時的質量與燃料燃盡時的質量之比).

提高噴氣速度需要使用高質量燃料.目前常用的液體燃料是液氫，用液氧作氧化劑.現代液體燃料火箭的噴氣速度約為2.5km·s－1，提高到4～4.5km·s－1需很高的技術水平.目前的技術條件下，火箭的質量比是6～10，要發射人造衛星，用一級火箭不能達到所需速度，必須用多級火箭.

【設計意圖】通過介紹我國成功研制和發射長征系列火箭的實例，讓學生了解我國火箭的發明創造和不斷改進發展的過程，知道我國的火箭技術已經跨入了世界先進行列，激發學生的愛國熱情.并結合科技實際提出問題，培養學生應用動量守恒知識解決實際問題的能力.

c)噴氣式飛機.播放國慶閱兵視頻，給學生介紹噴氣式飛機，如圖5.引導學生利用反沖知識分析得出噴氣式飛機靠尾部噴出氣流的反沖作用而獲得很大的速度.

學生：觀看視頻，感受祖國的強大.

圖5 噴氣式飛機

【設計意圖】了解噴氣式飛機，激發學生對軍事、國防事業的興趣，培養學生的愛國情操.

d)反擊式水輪機.

教師：講解反擊式水輪機的工作原理和作用.反擊式水輪機是大型水力發電站應用最廣泛的水輪機.它是靠水流的反沖作用旋轉的，當水從反擊式水輪機的葉片流出時，轉軸由于水的反沖而旋轉，帶動發電機發電.我國早在20 世紀70 年代就能生產轉輪直徑5.5m、質量110t、最大功率達3×105kW 的反擊式水輪機.

圖6 反擊式水輪機及其內部結構

學生：觀看視頻，深化理解反沖知識，明確水輪機內部結構.利用動量守恒的知識分析解決問題.

介紹舉世矚目的三峽工程，如圖7.長江三峽水利樞紐是多目標開發的綜合利用工程，其防洪、發電、航運三大主要效益，均居世界同類水利工程前列.三峽工程安裝32臺單機容量7×105kW 的水電機組，是當今世界上容量最大、直徑最大、質量最大的機組.三峽水電站將以500kV 交流輸電線向華中、川東供電，以600kV 直流向華東送電，供電區域包括湖北、河南、湖南、江西、上海、江蘇、浙江、安徽、廣東九省市.

圖7 三峽水電站

【設計意圖】理論聯系實際，深化知識.了解舉世矚目的三峽工程，讓學生在為祖國感到自豪的同時，樹立遠大的理想和目標.

e)導彈.播放導彈視頻和圖片，介紹導彈.導彈是“導向性飛彈”的簡稱，是一種依靠制導系統來控制飛行軌跡的可以指定攻擊目標、甚至追蹤目標動向的無人駕駛武器.

【設計意圖】讓學生了解我國的國防和軍事的發展，激發學生的愛國熱情，培養學生的科技意識和科技素養.

2)反沖的防止

a)引導學生思考：用步槍射擊時，我們要把槍身抵在肩部，這樣做的目的是什么?

用槍射擊時，子彈向前飛去槍身向后發生反沖，槍身的反沖會影響射擊的準確性，所以用步槍時我們要把槍身抵在肩部，以減少反沖的影響.

b)中國新型自行榴彈炮.如圖8，榴彈炮口徑較大，殺傷威力大，并可打擊山背后的目標，是地面炮兵的主要炮種.榴彈炮彈道較彎曲，彈丸的落角很大，接近沿豎直方向下落，因而彈片可均勻地射向四面八方.榴彈炮可以配用燃燒彈、榴彈、特種彈、殺傷子母彈、反坦克布雷彈、反坦克子母彈等.

教師提問：自行榴彈炮為什么要裝在履帶式的車輛上呢? 履帶表面有較深的突起抓地鉤型設計，還有止退犁，有什么用呢?

學生：觀看圖片，聽教師介紹，仔細觀察榴彈炮的裝置結構，思考討論、回答問題.

圖8 自行榴彈炮

自行榴彈炮裝在履帶式的車輛上，履帶表面有較深的突起抓地鉤型設計，是為了增大動摩擦因數，在發射炮彈的時候阻止車向后退.止退犁上有兩個液壓緩沖器.這此都是為了提高火炮連射時的命中精度而精心設計的.

【設計意圖】讓學生了解我國國防和軍事的發展，激發學生的愛國熱情.

教師和學生總結：通過對幾個實例的分析，明確了反沖既有有利的一面，同時也有不利的一面，我們要學會用一分為二的觀點看待事物.

7.4 動手實驗，理論實踐

學生分小組動手設計實驗.

實驗1：發射“小火箭”.

實驗材料：提供薄鋁箔、從火柴頭上刮下的藥粉、支架、火柴.

教師提問：怎樣利用現有材料制作一個“小火箭”? 怎樣發射你的“小火箭”?

實驗2：噴水瓶旋轉實驗.

實驗材料：提供礦泉水瓶1 個(底部已經扎好6個孔)、帶彎管的吸管、細線、水.

教師提問：怎樣利用已有裝置使瓶子轉動起來?操作步驟如何? 你發現瓶子是怎樣動起來的? 為什么會這樣運動?

教師：巡視指導學生設計實驗.

學生：分組利用所給器材動手設計實驗，并做實驗.匯報實驗結果，相互交流.分享成功的喜悅，反思失敗的原因.

【設計意圖】學生以思考、討論、動手等形式進一步了解反沖運動，進一步理解反沖的內涵，培養學生實驗動手能力和團結合作精神.

7.5 知識應用，課外延伸

1)開展“水火箭”科技小制作比賽.

2)完成科技小論文.

學生：搜集準備制作“水火箭”的材料，制作“水火箭”.上網搜集材料，完成研究性學習報告.

教師：指導學生制作“水火箭”，指導學生搜集資料，指導學生完成研究性學習報告.

【設計意圖】將課堂延伸到課外，升華知識，激發學生進一步學習的興趣，培養學生動手實踐能力、團結協作能力和科技創新能力，培養學生實事求是、嚴謹踏實的科學態度，培養學生的物理學科核心素養.

8 課堂小結

讓一個學生到黑板上總結，其他學生在筆記本上總結，結束后相互比較，互相評價.總結如下：

1)反沖運動.

2)反沖運動的受力特點：內力?外力；遵循的規律：動量守恒定律.

3)反沖的應用：火箭、反擊式水輪機、噴氣式飛機、導彈、自動灌溉噴水裝置.

4)反沖的防止：步槍射擊、榴彈炮.

【設計意圖】把握本節知識要點，總結規律和方法，構建自己的知識框架，學會相互評價，取長補短.

9 教學反思

鑒于學生已經學過動量守恒定律及其應用，同時能對簡單的模型進行處理，并且教材上的內容比較淺顯易懂，所以對教材內容要求學生自學完成.筆者在設計本課時更注重反沖運動在生產、生活、航天、軍事中的實際應用.本節課通過演示實驗引入課題，激發學生的學習興趣，接著通過灌溉噴水器、火箭、反擊式水輪機、導彈、榴彈炮等反沖運動典型實例的分析，讓學生掌握怎樣應用動量守恒定律解決實際問題，將理論聯系生活實際.通過播放“神舟”七號升空的視頻、空中閱兵視頻等，讓學生了解我國科技、國防、軍事的發展，增強學生的民族自尊心和自豪感.讓學生設計實驗，親身感受反沖運動，最后自制“水火箭”的環節將課堂延伸到課外，培養學生的動手能力和團結協作能力.層層遞進的教學讓學生在輕松的課堂氣氛中既鞏固了知識，又培養了科學探究精神、實踐能力、創新意識，同時激發了學生的愛國熱情，使學科核心素養得以充分體現.

本節課在教學的指導思想上，始終堅持“教師為主導，學生為主體”的原則，通過教師創設問題情境和有效的設問引導，讓學生親歷物理知識的構建過程；在教學方法和手段上，綜合應用實驗演示、提問、思考、討論等多種方法，并輔以多媒體手段，以實驗、視頻和圖片資料為主要媒介，貫穿以問題為主線的師生對話交流的過程；在學法指導上，讓學生嘗試自己觀察思考、描述實驗現象，分析概括，得出結論，使學生在獲取知識的過程中，領會物理學的研究方法，受到科學思維方法的訓練以及物理學科核心素養的培養，教學目標得以達成.