“反冲运动火箭”教学设计

◇ 广东 梅昌容

1 教学内容分析

1.1 新课程标准对本节的要求

本节是人教版《选修3-5》中的内容，知识实质上讲的是动量守恒定律在生活、生产、科技中的实际应用，需要学生学会应用动量守恒定律解决实际问题.

1.2 教材的地位和作用

反冲运动在生产、生活乃至航天、国防、军事中有着广泛用途，也是新高考考查学生能力的出题点，本节既能巩固和深化动量守恒定律，又与“科技兴国”战略相适应，对培养学生的科技意识和学科素养起着重要作用.由此可见本节教学尤为重要.

1.3 教材的思路和特点

教材首先通过思考与讨论章鱼、乌贼游泳时应用了什么物理原理引入新课，得到反冲运动的定义.然后简单列举生产、生活中的反冲运动现象，着重介绍我国火箭技术的发展，并用火箭喷射燃气的例题研究反冲运动遵循的规律，将反冲运动生活化、实际化，激发学生的爱国热情.例题模型简单，学生完全可以自学.对火箭技术、航天技术介绍较简单.

2 教学对象分析

2.1 学生的知识基础

学生会用动量守恒定律对简单问题进行分析和处理，有能力自行解决教材上的例题，但对反冲运动在生产、生活、科技中的实际应用比较陌生，理论联系实际的水平还比较欠缺.

2.2 学生的认知特点

对应用所学物理知识解释生活中的物理现象充满兴趣，对我国火箭的发射、航天技术、军事前沿知识充满浓厚的兴趣，对未知世界充满好奇.

2.3 教材设计

教材上的内容都比较简单，学生可以自学完成.本节课借助小实验让学生直观感受反冲，理解什么是反冲运动，理解生活处处皆物理，并起到巩固应用动量守恒定律的作用.重点介绍火箭的工作原理，利用大量的视频和图片资料，用多媒体课件和“神舟”七号发射过程的实况录像分析多级火箭的工作原理，加深学生对多级火箭的原理和发射过程的了解.结合灌溉喷水器、火箭、反击式水轮机、导弹、榴弹炮等反映反冲现象在生产、生活中的应用，使我国科技、国防、军事的发展得以展现，帮助学生进一步了解反冲运动在航天技术和宇宙航行中的重要地位.让学生在轻松的课堂气氛中既巩固了知识，又培养了科学探究精神、实践能力、创新意识，同时激发学生的爱国热情，培养学生的学科核心素养.让学生设计实验，亲身感受反冲运动，培养学生的动手能力和团结协作能力.最后将课堂延伸到课外，自制“水火箭”并完成研究性学习报告，培养学生实事求是、严谨踏实的科学态度.

3 教学目标

3.1 知识目标

1)知道什么是反冲运动，能举出几个反冲运动的实例；

2)知道火箭的飞行原理和主要用途；

3)结合生产、生活中的例子，理解什么是反冲运动，体会生活处处皆物理.

3.2 能力目标

1)结合实际例子，经历实验探究，知道什么是反冲运动；

2)能结合动量守恒定律对反冲现象作出解释；

3)进一步提高应用动量守恒定律分析和解决实际问题的能力.

3.3 德育目标

1)通过实验，分析得出什么是反冲运动，培养学生善于从实验中总结规律和热心科学研究的兴趣、勇于探索的品质；

2)通过对我国火箭事业、航天技术和军事实力发展的了解，激发学生的民族自尊心和自豪感，培养学生的爱国热情.

4 教学重点、难点

重点：巩固和深化动量守恒定律.

难点：应用动量守恒定律分析、解决反冲运动问题.

5 教学用具

教学用具包括气球、纸杯、面粉、玩具小车、反冲塑料瓶、带弯管的吸管、铝箔纸、火柴和支架，反击式水轮机转轮的原理模型、“神舟”七号升空的视频、空中阅兵的视频、灌溉喷水器模拟视频，多媒体辅助教学设备等.

6 教学流程图

本节课教学流程图如图1所示.

图1 教学流程图

7 教学过程设计

7.1 创设情境，引入课题

【演示实验1】放飞气球

实验装置如图2，将气球和剪裁好的纸杯组装好，气球里面装入少量面粉，以便观察气体的运动轨迹，给气球充足气以后由静止放飞.

在演示实验过程中，教师给予学生有效的引导，让学生有目的地观察实验现象.

教师提问：静止的气球放飞后，喷出的气体向哪个方向运动，气球向哪个方向运动?

学生：观察实验，思考并回答问题.

【演示实验2】用气球驱动小车

实验装置如图3，一辆玩具小车、一个充满气的气球和一根直通塑料管，用软木塞塞住管口.

图2 气球和纸杯

图3 气球和小车

教师提问：拔出软木塞，气球向哪个方向喷气?小车向哪个方向运动?

学生：观察实验，思考并回答问题.

教师提问：这两个实验有什么共同之处? 实验中，气球、小车为什么会向后退呢?

教师引导学生概括上述实验中气球和小车的运动方向与喷气的方向相反.

归纳总结反冲运动的定义：如果一个静止的物体在内力作用下分裂为两个部分，一部分向某个方向运动，另一部分必然向相反的方向运动.这个现象叫作反冲.

教师板书课题：反冲运动 火箭.

反冲运动中的系统：把物体和从物体内部喷射出的气体、液体、小物块的整体作为系统.

【设计意图】用简单易行的演示实验引入课题，人为制造一点“惊险气氛”，活跃课堂氛围，激发学生学习兴趣，直入本节课的主题，同时培养学生善于从实验中总结规律和热心科学研究的兴趣、勇于探索的品质，以及观察实验、分析问题、探究和深入理解知识规律的能力.通过实验让学生明白什么是反冲，简单明了，易于建构知识.

7.2 分析理论，呈现知识

让学生回顾刚才的实验，列举几个反冲运动的实例.分析讨论反冲运动的受力特点，总结出反冲运动遵循的规律.

教师提问：列举生活中你见到的反冲现象.

学生：讨论、交流、思考并回答问题.

学生列举：节日所放的礼花、文化广场浇草坪的喷水器、水池中间的水柱喷水器、喷气式飞机、火箭升空……

引导学生分析气球、礼花、火箭等所做的反冲运动，得到做反冲运动物体的受力特点：做反冲运动系统所受的合外力一般不为零，且存在内力远大于外力的情况，可以认为反冲运动中系统动量守恒.

教师板书：反冲运动的特点：内力≫外力.

反冲运动遵循的规律：动量守恒定律.

【设计意图】启发学生思维，由浅入深，层层递进，引导学生动脑思考，让学生大胆说出自己的想法.培养学生的逻辑思维能力和语言表达能力.

7.3 知识应用，拓展提高

1)反冲的利用

a)灌溉喷水器.播放灌溉喷水器的视频，教师引导学生观看喷水的方向和旋转方向有什么关系，思考为什么这个装置会自动旋转，有什么好处.

学生：观察、思考、讨论、回答问题.

b)火箭.播放火箭的发射视频.教师指导学生观看视频、展示古代火箭和现代火箭的图片，介绍火箭的基本构造、工作原理和火箭的发展史.

提问：我国古代的火箭是怎样的? 现代的火箭又是怎样的? 现代火箭和古代“火箭”有什么相同和不同之处?

学生：观察、思考、讨论、汇报.

【设计意图】通过教师的引导，使学生思维在观察的过程中得到启发.了解火箭的构造原理和发展史，拓展了学生的知识面，激发了学生的爱国热情.介绍现代的火箭(如图4).现代火箭用来发射探测仪器，以及人造卫星、宇宙飞船、航天飞机等空间飞行器.

图4 现代火箭

教师提问：现代火箭为什么要采用多级结构?

学生：观察、思考、讨论、感受，深化理解反冲知识.

多级火箭能及时把空壳抛掉，使火箭的总质量减少，因而能够达到很大的速度，可用来完成洲际导弹、人造卫星、宇宙飞船等的发射工作，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，目前多级火箭一般都是三级火箭.

播放“神舟”七号发射视频.

教师提问：影响火箭飞行速度的主要因素是什么? 用什么办法能提高火箭的终极速度?

学生：观看视频，感受激动人心的时刻，寻找视频中的反冲现象.

利用多媒体展示题目，用例题来解决火箭终极速度问题.

火箭发射前的总质量为M、燃料燃尽后的质量为m，火箭燃气的喷射速度为v，燃料燃尽后火箭的飞行速度v1为多大?

将燃料和火箭看成一个系统，以地面为参照物，在很短的时间内，火箭速度的变化非常小，近似认为喷气的速度不变，由动量守恒定律可得(M－m)vmv1＝0，由此可知该时刻火箭的速度

影响火箭飞行速度的因素主要有两个：一是喷气速度，二是质量比(即火箭开始飞行时的质量与燃料燃尽时的质量之比).

提高喷气速度需要使用高质量燃料.目前常用的液体燃料是液氢，用液氧作氧化剂.现代液体燃料火箭的喷气速度约为2.5km·s－1，提高到4～4.5km·s－1需很高的技术水平.目前的技术条件下，火箭的质量比是6～10，要发射人造卫星，用一级火箭不能达到所需速度，必须用多级火箭.

【设计意图】通过介绍我国成功研制和发射长征系列火箭的实例，让学生了解我国火箭的发明创造和不断改进发展的过程，知道我国的火箭技术已经跨入了世界先进行列，激发学生的爱国热情.并结合科技实际提出问题，培养学生应用动量守恒知识解决实际问题的能力.

c)喷气式飞机.播放国庆阅兵视频，给学生介绍喷气式飞机，如图5.引导学生利用反冲知识分析得出喷气式飞机靠尾部喷出气流的反冲作用而获得很大的速度.

学生：观看视频，感受祖国的强大.

图5 喷气式飞机

【设计意图】了解喷气式飞机，激发学生对军事、国防事业的兴趣，培养学生的爱国情操.

d)反击式水轮机.

教师：讲解反击式水轮机的工作原理和作用.反击式水轮机是大型水力发电站应用最广泛的水轮机.它是靠水流的反冲作用旋转的，当水从反击式水轮机的叶片流出时，转轴由于水的反冲而旋转，带动发电机发电.我国早在20 世纪70 年代就能生产转轮直径5.5m、质量110t、最大功率达3×105kW 的反击式水轮机.

图6 反击式水轮机及其内部结构

学生：观看视频，深化理解反冲知识，明确水轮机内部结构.利用动量守恒的知识分析解决问题.

介绍举世瞩目的三峡工程，如图7.长江三峡水利枢纽是多目标开发的综合利用工程，其防洪、发电、航运三大主要效益，均居世界同类水利工程前列.三峡工程安装32台单机容量7×105kW 的水电机组，是当今世界上容量最大、直径最大、质量最大的机组.三峡水电站将以500kV 交流输电线向华中、川东供电，以600kV 直流向华东送电，供电区域包括湖北、河南、湖南、江西、上海、江苏、浙江、安徽、广东九省市.

图7 三峡水电站

【设计意图】理论联系实际，深化知识.了解举世瞩目的三峡工程，让学生在为祖国感到自豪的同时，树立远大的理想和目标.

e)导弹.播放导弹视频和图片，介绍导弹.导弹是“导向性飞弹”的简称，是一种依靠制导系统来控制飞行轨迹的可以指定攻击目标、甚至追踪目标动向的无人驾驶武器.

【设计意图】让学生了解我国的国防和军事的发展，激发学生的爱国热情，培养学生的科技意识和科技素养.

2)反冲的防止

a)引导学生思考：用步枪射击时，我们要把枪身抵在肩部，这样做的目的是什么?

用枪射击时，子弹向前飞去枪身向后发生反冲，枪身的反冲会影响射击的准确性，所以用步枪时我们要把枪身抵在肩部，以减少反冲的影响.

b)中国新型自行榴弹炮.如图8，榴弹炮口径较大，杀伤威力大，并可打击山背后的目标，是地面炮兵的主要炮种.榴弹炮弹道较弯曲，弹丸的落角很大，接近沿竖直方向下落，因而弹片可均匀地射向四面八方.榴弹炮可以配用燃烧弹、榴弹、特种弹、杀伤子母弹、反坦克布雷弹、反坦克子母弹等.

教师提问：自行榴弹炮为什么要装在履带式的车辆上呢? 履带表面有较深的突起抓地钩型设计，还有止退犁，有什么用呢?

学生：观看图片，听教师介绍，仔细观察榴弹炮的装置结构，思考讨论、回答问题.

图8 自行榴弹炮

自行榴弹炮装在履带式的车辆上，履带表面有较深的突起抓地钩型设计，是为了增大动摩擦因数，在发射炮弹的时候阻止车向后退.止退犁上有两个液压缓冲器.这此都是为了提高火炮连射时的命中精度而精心设计的.

【设计意图】让学生了解我国国防和军事的发展，激发学生的爱国热情.

教师和学生总结：通过对几个实例的分析，明确了反冲既有有利的一面，同时也有不利的一面，我们要学会用一分为二的观点看待事物.

7.4 动手实验，理论实践

学生分小组动手设计实验.

实验1：发射“小火箭”.

实验材料：提供薄铝箔、从火柴头上刮下的药粉、支架、火柴.

教师提问：怎样利用现有材料制作一个“小火箭”? 怎样发射你的“小火箭”?

实验2：喷水瓶旋转实验.

实验材料：提供矿泉水瓶1 个(底部已经扎好6个孔)、带弯管的吸管、细线、水.

教师提问：怎样利用已有装置使瓶子转动起来?操作步骤如何? 你发现瓶子是怎样动起来的? 为什么会这样运动?

教师：巡视指导学生设计实验.

学生：分组利用所给器材动手设计实验，并做实验.汇报实验结果，相互交流.分享成功的喜悦，反思失败的原因.

【设计意图】学生以思考、讨论、动手等形式进一步了解反冲运动，进一步理解反冲的内涵，培养学生实验动手能力和团结合作精神.

7.5 知识应用，课外延伸

1)开展“水火箭”科技小制作比赛.

2)完成科技小论文.

学生：搜集准备制作“水火箭”的材料，制作“水火箭”.上网搜集材料，完成研究性学习报告.

教师：指导学生制作“水火箭”，指导学生搜集资料，指导学生完成研究性学习报告.

【设计意图】将课堂延伸到课外，升华知识，激发学生进一步学习的兴趣，培养学生动手实践能力、团结协作能力和科技创新能力，培养学生实事求是、严谨踏实的科学态度，培养学生的物理学科核心素养.

8 课堂小结

让一个学生到黑板上总结，其他学生在笔记本上总结，结束后相互比较，互相评价.总结如下：

1)反冲运动.

2)反冲运动的受力特点：内力≫外力；遵循的规律：动量守恒定律.

3)反冲的应用：火箭、反击式水轮机、喷气式飞机、导弹、自动灌溉喷水装置.

4)反冲的防止：步枪射击、榴弹炮.

【设计意图】把握本节知识要点，总结规律和方法，构建自己的知识框架，学会相互评价，取长补短.

9 教学反思

鉴于学生已经学过动量守恒定律及其应用，同时能对简单的模型进行处理，并且教材上的内容比较浅显易懂，所以对教材内容要求学生自学完成.笔者在设计本课时更注重反冲运动在生产、生活、航天、军事中的实际应用.本节课通过演示实验引入课题，激发学生的学习兴趣，接着通过灌溉喷水器、火箭、反击式水轮机、导弹、榴弹炮等反冲运动典型实例的分析，让学生掌握怎样应用动量守恒定律解决实际问题，将理论联系生活实际.通过播放“神舟”七号升空的视频、空中阅兵视频等，让学生了解我国科技、国防、军事的发展，增强学生的民族自尊心和自豪感.让学生设计实验，亲身感受反冲运动，最后自制“水火箭”的环节将课堂延伸到课外，培养学生的动手能力和团结协作能力.层层递进的教学让学生在轻松的课堂气氛中既巩固了知识，又培养了科学探究精神、实践能力、创新意识，同时激发了学生的爱国热情，使学科核心素养得以充分体现.

本节课在教学的指导思想上，始终坚持“教师为主导，学生为主体”的原则，通过教师创设问题情境和有效的设问引导，让学生亲历物理知识的构建过程；在教学方法和手段上，综合应用实验演示、提问、思考、讨论等多种方法，并辅以多媒体手段，以实验、视频和图片资料为主要媒介，贯穿以问题为主线的师生对话交流的过程；在学法指导上，让学生尝试自己观察思考、描述实验现象，分析概括，得出结论，使学生在获取知识的过程中，领会物理学的研究方法，受到科学思维方法的训练以及物理学科核心素养的培养，教学目标得以达成.