7.4 宇宙航行 学案-2025-2026学年高一下学期物理人教版必修第二册

该高中物理导学案聚焦“宇宙航行”主题，核心知识点涵盖宇宙速度推导与含义、人造地球卫星（含同步卫星特点）及航天探索历程。课堂导入从卫星最初构想切入，结合万有引力定律推导第一宇宙速度，搭建前后知识联系的学习支架。 此导学案以核心素养为导向，通过公式推导培养物理观念（运动与相互作用），借助卫星轨道模型建构提升科学思维（科学推理），典例与达标题结合“悟空”卫星等实例，强化理论应用，融入航天史内容还能培养学生的科学态度与责任。

第4节 宇宙航行 学案 核心素养目标 1.了解人造地球卫星的最初构想，会推导第一宇宙速度。 2.知道三个宇宙速度的含义，了解发射速度与环绕速度的区别和联系。 3.知道同步卫星和其他卫星的区别。 4.了解宇宙航行的历程和进展，会分析人造地球卫星的受力和运动情况，并解决涉及人造地球卫星运动的简单问题。 基础知识： 知识点一　宇宙速度 1．第一宇宙速度的推导 (1)已知地球质量m地和半径R，物体在地面附近绕地球的运动可视作匀速圆周运动，万有引力提供物体运动所需的向心力，轨道半径r近似认为等于地球半径R，由＝m，可得v＝ 。 (2)已知地面附近的重力加速度g和地球半径R，由mg＝m得v＝。 2．三个宇宙速度及含义 数值 意义 第一宇 宙速度 7.9 km/s 物体在地球附近绕地球做匀速圆周运动的速度 第二宇 宙速度 11.2 km/s 在地面附近发射飞行器使其克服地球引力，永远离开地球的最小地面发射速度 第三宇 宙速度 16.7 km/s 在地面附近发射飞行器使其挣脱太阳引力束缚，飞到太阳系外的最小地面发射速度 知识点二　人造地球卫星　载人航天与太空探索 1．1957年10月4日，世界上第一颗人造地球卫星发射成功。 2．1970年4月24日，我国第一颗人造地球卫星“东方红1号”发射成功。为我国航天事业作出特殊贡献的科学家钱学森被誉为“中国航天之父”。 3．地球静止卫星 (1)位于赤道上方，高度约为36_000_km。 (2)周期与地球自转周期相同。 (3)轨道平面与赤道平面成0度角，运动方向与地球自转方向相同，相对地面静止。 重难点理解： 一、宇宙速度的推导和理解 1．最小发射速度与最大环绕速度 (1)“最小发射速度”：如果发射速度低于第一宇宙速度，因为受到地球引力作用，发射出去的卫星就会再回到地球上，所以第一宇宙速度是发射人造卫星的最小速度。 (2)“最大环绕速度”：在所有环绕地球做匀速圆周运动的卫星中，近地卫星的轨道半径最小，由G＝m可得v＝ ，轨道半径越小，线速度越大，所以在这些卫星中，近地卫星的线速度即第一宇宙速度是最大环绕速度。 2．卫星的轨道与发射速度关系 (1)当7.9 km/s≤v发<11.2 km/s时，卫星绕地球做椭圆运动。 (2)当11.2 km/s≤v发<16.7 km/s时，卫星绕太阳旋转，成为太阳系一颗“小行星”，或绕其他行星旋转，成为其他行星的一颗卫星。 (3)当v发≥16.7 km/s时，卫星脱离太阳的引力束缚跑到太阳系以外的空间中去。 典例1：中国发射火星探测器，计划在10年后实现火星的采样返回。已知火星的质量约为地球的，火星的半径约为地球的。下列关于火星探测器的说法正确的是(　　) A．发射速度只要大于第一宇宙速度即可 B．发射速度只有达到第三宇宙速度才可以 C.发射速度应大于或等于第二宇宙速度，小于第三宇宙速度 D．火星探测器环绕火星运行的最大速度约为第一宇宙速度的2倍 解析　火星探测器前往火星，脱离地球引力束缚，还在太阳系内，发射速度应大于或等于第二宇宙速度，小于第三宇宙速度，故A、B错误，C正确。由G＝m得v＝ ，已知火星的质量约为地球的，火星的半径约为地球的，则火星的第一宇宙速度约为地球第一宇宙速度的，火星探测器环绕火星运行的最大速度为火星的第一宇宙速度，故D错误。答案　C 二　人造地球卫星 1．人造地球卫星的轨道 (1)卫星的轨道平面可以在赤道平面内(如静止轨道)，可以通过两极上空(极地轨道)，也可以和赤道平面成任意角度，如图所示。 (2)因为地球对卫星的万有引力提供了卫星绕地球做圆周运动的向心力，所以地心必定是卫星圆轨道的圆心。 2．静止卫星的六个“一定” 典例2：我国暗物质粒子探测卫星“悟空”发射升空进入高为5.0×102 km的预定轨道。“悟空”卫星和地球静止卫星的运动均可视为匀速圆周运动。已知地球半径R＝6.4×103 km。下列说法正确的是(　　) A．“悟空”卫星的线速度比静止卫星的线速度小 B．“悟空”卫星的角速度比静止卫星的角速度小 C．“悟空”卫星的运行周期比静止卫星的运行周期小 D．“悟空”卫星的向心加速度比静止卫星的向心加速度小 解析　地球静止卫星距地表36 000 km，由v＝ 可知，“悟空”卫星的线速度更大，所以A错误；由ω＝可知，“悟空”卫星的角速度更大，即周期更小，由an＝可知，“悟空”卫星的向心加速度更大，因此B、D错误，C正确。答案　C 当堂达标： 1．如图所示，图中v1、v2和v3分别为第一宇宙速度、第二宇宙速度和第三宇宙速度，三个飞行器a、b、c分别以第一宇宙速度、第二宇宙速度和第三宇宙速度从地面上发射，三个飞行器中能够克服地球的引力，永远离开地球的是(　　) A．只有a　　　　　　B．只有b C．只有c D．b和c 2．我国在轨运行的气象卫星有两类，如图所示，一类是极地轨道卫星——“风云1号”，绕地球做匀速圆周运动的周期为12 h，另一类是地球静止卫星——“风云2号”，运行周期为24 h。下列说法正确的是(　　) A.“风云1号”的线速度大于“风云2号”的线速度 B．“风云2号”的运行速度大于7.9 km/s C．“风云1号”的发射速度大于“风云2号”的发射速度 D．“风云1号”和“风云2号”均相对地面静止 3．“祝融号”火星车登陆火星之前，“天问一号”探测器沿椭圆形的停泊轨道绕火星飞行，其周期为2个火星日，假设某飞船沿圆轨道绕火星飞行，其周期也为2个火星日，已知一个火星日的时长约为一个地球日，火星质量约为地球质量的0.1倍，则该飞船的轨道半径与地球同步卫星的轨道半径的比值约为(　　) A． B． C． D． 4．已知地球的半径为R，自转周期为T，地球表面的重力加速度为g，则关于地球的卫星说法正确的是(　　) A．第二宇宙速度大于月球的公转速度 B．静止卫星的周期大于月球的公转周期 C．最小发射速度为 D．静止卫星到地面的高度为 参考答案： 1.解析：D　当发射的速度大于或等于第二宇宙速度时，卫星会挣脱地球的引力，不再绕地球飞行。当发射的速度大于或等于第三宇宙速度时，卫星会挣脱太阳的引力，飞出太阳系。选项D正确。 2.解析：A　根据开普勒第三定律＝k可知，“风云2号”的轨道半径大于“风云1号”的轨道半径，由G＝m，得v＝ ，r越大，v越小，A正确。第一宇宙速度7.9 km/s是卫星的最大环绕速度，B错误。把卫星发射得越远，所需发射速度越大，C错误。只有静止卫星相对地面静止，D错误。 3.解析：D　绕中心天体做圆周运动，根据万有引力提供向心力，可得＝mR，则T＝ ，R＝，由于一个火星日的时长约为一个地球日，火星质量约为地球质量的0.1倍，则飞船的轨道半径R飞＝＝ ＝R同，则＝，故D正确。 4.解析：A　第二宇宙速度是脱离地球的速度，大于月球公转的速度，故A正确；静止卫星的周期是24小时，小于月球的公转周期，故B错误；在地球表面附近运行的卫星发射速度最小，由G＝m，G＝mg解得地球的卫星最小发射速度为v＝，故C错误；由G＝m(R＋h)，G＝mg，解得静止卫星到地面的高度为h＝ －R，故D错误。 学科网（北京）股份有限公司 $