7.4 宇宙航行 教学设计（以嫦娥奔月为线索）-2025-2026学年高一下学期物理人教版必修第二册

高中物理《宇宙航行》教学设计 奚坤 一、教学基本信息 学科：高中物理 适用学段：高一下学期 课时安排：1课时（45分钟） 教材版本：高中物理必修第二册 核心主题：依托中国嫦娥探月工程发射、奔月、绕月全流程，串联宇宙航行核心知识点，融入近地卫星、地球同步卫星、通讯卫星、气象卫星的知识讲解，落实万有引力定律的航天应用，融合物理核心素养与家国情怀教育 二、教学目标 （一）物理观念 1. 精准理解第一、第二、第三宇宙速度的数值、物理意义及适用场景，清晰区分三者本质差异。 2. 熟练掌握宇宙航行卫星变轨的力学原理，明确加速离心、减速近心的核心逻辑，建立“万有引力—运动状态—轨道变化”的关联认知。 3. 明晰万有引力在探测器绕地、奔月、绕月全过程，以及各类卫星运行中的核心作用，破除“脱离引力”的认知误区。 （二）科学思维 1. 结合嫦娥探测器近地环绕、变轨奔月的真实情境，推导第一宇宙速度公式，提升模型建构与逻辑推理能力。 2. 通过对比近地卫星与地球同步卫星的运动参数、受力特点，分析通讯卫星、气象卫星的工作原理，培养归纳总结与知识迁移能力。 （三）科学探究 1. 以嫦娥奔月流程为探究主线，通过小组合作讨论发射速度范围、变轨操作、受力特点等问题，落实科学探究的思考与交流环节。 2. 结合生活实例，探究通讯卫星、气象卫星的轨道选择依据，体会物理知识在航天工程中的实际应用。 （四）科学态度与责任 1. 结合中国嫦娥系列探月成就、各类人造卫星的应用成果，感受国家航天实力，增强民族自豪感与科学自信心。 2. 体会航天工程的严谨性，培养求真务实的科学态度与勇于探索的科学精神。 三、教学重难点 （一）教学重点 1. 三大宇宙速度的物理意义，尤其是第一宇宙速度的推导过程与核心内涵。 2. 嫦娥探测器发射、变轨、月球捕获环节的力学原理及能量变化分析。 3. 近地卫星、地球同步卫星的轨道特点、运动规律及核心区别。 （二）教学难点 1. 第一宇宙速度“最小发射速度、最大环绕速度”双重意义的理解。 2. 卫星变轨过程中，万有引力与向心力的供需关系、机械能变化的综合分析。 3. 地球同步卫星的轨道约束条件、运行参数特点，以及不同功能卫星的应用逻辑。 四、教学准备 教具：多媒体课件（含嫦娥奔月神话动画+真实发射变轨视频、变轨示意仿真、各类卫星运行仿真） 学具：配套导学案（含预习任务、课堂思考题、当堂检测题） 五、教学过程 （一）情境导入：从神话到现实 播放短视频：融合古代嫦娥奔月神话动画与嫦娥五号发射升空、太空变轨、月球环绕的真实航天画面，搭配我国通讯卫星、气象卫星服务生活的实拍素材，形成古今对比、航天与生活关联的情境。 问题引导： 1. 神话里嫦娥凭仙力奔月，现实中我国嫦娥探测器要成功抵达月球，需要克服哪些物理障碍？ 2. 我们身边的天气预报、电视信号传输，都离不开太空中的卫星，这些卫星和嫦娥探测器一样，都遵循万有引力定律，本节课就以中国嫦娥奔月工程为核心线索，学习《宇宙航行》的核心知识，认识各类人造卫星，探究航天背后的物理原理。 导入课题：本节课就以中国嫦娥奔月工程为核心线索，学习《宇宙航行》的核心知识，探究学习宇宙航天背后的物理原理。 （二）新知探究一：嫦娥奔月的发射门槛——三大宇宙速度 1. 预习反馈与误区纠正 展示学生导学案预习答案，重点纠正“嫦娥发射速度等于第一宇宙速度”“达到第二宇宙速度才能奔月”等常见误区。 2. 第一宇宙速度推导与意义 情境设问：嫦娥探测器在地球近地轨道做匀速圆周运动时，忽略空气阻力，向心力由什么力提供？ 师生共同推导： 万有引力完全提供向心力：，推导得出； 近地面万有引力近似等于重力，联立，得； 代入数据、地球半径，计算得第一宇宙速度。 核心意义：近地卫星绕地球做匀速圆周运动的最小发射速度，也是最大环绕速度。 3. 三大宇宙速度对比表格 宇宙速度 数值 物理意义 嫦娥工程适用情况 第一宇宙速度 7.9 km/s 绕地球近地圆周运动最小发射速度、最大环绕速度 探测器绕地飞行基础速度 第二宇宙速度 11.2 km/s 脱离地球引力束缚，绕太阳运行的最小发射速度 奔月无需达到，否则脱离地球引力 第三宇宙速度 16.7 km/s 脱离太阳引力束缚，飞出太阳系的最小速度 探月工程不涉及此速度 4. 嫦娥奔月发射速度分析 结合真实航天数据：嫦娥探测器发射速度需满足7.9km/s<v< 11.2km/s，经多次加速后进入地月转移轨道的速度约10.58 km/s。 小组讨论：为何奔月发射速度不能达到11.2 km/s？低于7.9 km/s会出现什么结果？ 总结：月球仍在地球引力范围内，达到第二宇宙速度会彻底脱离地球，无法被月球捕获；低于7.9 km/s，探测器会因万有引力大于所需向心力落回地面，无法绕地飞行。 （三）新知探究二：嫦娥奔月的轨道艺术——变轨原理 1. 嫦娥奔月全流程梳理 播放动态示意图，梳理核心流程：近地圆轨道→椭圆转移轨道→月球捕获圆轨道。 2. 变轨力学原理分析 低轨变高轨（奔月升空阶段）：探测器需向后喷气加速，此时万有引力小于所需向心力（），做离心运动，轨道抬升；能量变化为动能增大、引力势能增大、发动机做功使总机械能增加。 近月捕获阶段：靠近月球时需向前喷气减速，月球对探测器的万有引力大于所需向心力，做近心运动，被月球引力捕获进入绕月轨道；能量变化为动能减小、引力势能减小、总机械能减小。 新知拓展：常见人造卫星介绍（衔接嫦娥绕地轨道，贴合教学主线） （四）新知探究三：嫦娥奔月的保障卫星—各类人造卫星介绍 （1）近地卫星 · 定义：轨道半径近似等于地球半径（），贴近地球表面运行的人造卫星。 · 轨道特点：轨道为圆形，轨道平面可绕地心任意调整，运行高度极低（一般几百公里以内）。 · 运行规律：运行速度等于第一宇宙速度7.9km/s，是所有绕地卫星中运行速度最大、周期最小的卫星，周期约85分钟。 · 关联嫦娥工程：嫦娥探测器发射后，首先进入的就是近地卫星轨道，在此轨道完成加速变轨，开启奔月之旅。 （2）地球同步卫星 · 定义：运行周期与地球自转周期完全相同（），相对于地球表面某一位置静止不动的卫星。 · 轨道约束：必须定点在赤道正上方，轨道为圆形且与赤道平面重合，运行高度约36000km，运行速度约3.1km/s。 · 核心特点：周期、角速度与地球自转一致，轨道高度、轨道平面固定，是人造卫星中轨道条件最严格的一类。 · 关联航天：我国嫦娥探月工程的测控通信，部分依靠地球同步卫星实现信号传输。 （3）通讯卫星 · 定义：主要用于转发无线电信号，实现地面站、舰船、飞行器之间通信联络的卫星，属于功能型卫星。 · 轨道选择：大多为地球同步卫星，定点赤道上空，可实现全球大范围、全天候通信，也有部分采用低轨道或中轨道设计。 · 实际应用：电视节目传输、手机国际通信、航天探测器测控通信、应急通信保障等，我国的北斗导航卫星也兼具通讯卫星功能。 （4）气象卫星 · 定义：对地球大气和地表进行气象观测、数据采集的卫星，属于遥感类卫星。 · 轨道类型：分为太阳同步轨道气象卫星（近地轨道，周期短，可每日多次观测全球）和地球同步轨道气象卫星（定点赤道，实时监测某一区域天气）。 · 实际应用：天气预报、台风监测、暴雨预警、气候研究、生态环境监测等，我国的风云系列气象卫星，为民生和航天工程提供了关键气象数据。 5. 小组探究：近地卫星与地球同步卫星对比 结合表格，小组讨论两类卫星的轨道半径、运行速度、周期、向心力大小差异，总结万有引力定律在不同卫星运行中的应用规律。 （五）课堂小结：知识体系构建 师生共同梳理思维导图，形成完整知识脉络： 万有引力定律→提供向心力→三大宇宙速度→卫星变轨原理→嫦娥奔月工程应用→近地卫星/同步卫星/通讯/气象卫星特点与应用 强调核心考点：第一宇宙速度推导、变轨速度与能量变化、万有引力全程作用、两类核心卫星的区别、功能卫星应用。 （五）当堂检测：巩固落实 （六）分层作业布置 整理课堂笔记，完成教材7.4节后第1、3、5题，对比近地卫星与地球同步卫星的核心参数，巩固宇宙速度、变轨及卫星基础知识点。 六、板书设计 7.4 宇宙航行——以嫦娥奔月为例 一、三大宇宙速度 1. 第一宇宙速度 推导：、 意义：最小发射速度、最大环绕速度 2. 第二宇宙速度：脱离地球引力 3. 第三宇宙速度：脱离太阳引力 二、嫦娥奔月变轨原理 发射速度7.9km/s< v< 11.2km/s 升空变轨：向后喷气加速→离心运动→机械能增加 近月捕获：向前喷气减速→近心运动→机械能减小 三、常见人造卫星 1. 近地卫星：，， 2. 地球同步卫星：，赤道上空，高度固定 3. 通讯卫星：同步轨道为主，信号转发 七、教学反思 本节课以中国嫦娥探月工程为真实情境，将抽象的宇宙航行知识具象化，同时融入近地卫星、地球同步卫星、通讯卫星、气象卫星的系统介绍，把航天知识与生活实际紧密结合，既落实了物理学科知识，又渗透了家国情怀，有效激发学生学习兴趣。 学生对第一宇宙速度的双重意义、变轨能量变化、地球同步卫星的轨道约束条件理解仍存在难点，后续可通过更多动画仿真演示、针对性习题强化突破。 可适当增加神舟飞船、中国空间站、北斗卫星等更多航天案例，进一步拓展学生知识视野，强化知识与生活、科技的联系，提升学生知识应用能力。 ( 1 ) 学科网（北京）股份有限公司 $