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

该高中物理导学案围绕“宇宙航行”展开，核心知识点包括三个宇宙速度的推导与含义、人造地球卫星轨道分类及同步卫星特点。通过牛顿高山平抛理想实验导入，衔接平抛运动与卫星运动规律，搭建从地面运动到天体运动的学习支架。 资料亮点在于注重科学推理与模型建构，如第一宇宙速度的两种推导方法，同步卫星“八个一定”的规律总结。融入中国航天成就，培养科学态度与责任，课后习题设计聚焦概念辨析与实际应用，助力提升物理观念和科学思维能力。

第4节　宇宙航行 一、教与学目标 1.由牛顿高山平抛理想实验，分析物体绕地球运动的条件； 2.会利用万有引力定律、牛顿第二定律、圆周知识熟练推导第一宇宙速度； 3.理解三个宇宙速度的物理含义与数值；对比不同发射速度下卫星的运动状态； 4.理解人造地球卫星的轨道分类及地球同步卫星的特点。 5.了解人类从古代飞天梦到现代宇宙航行的发展历程，感受中国航天的科技成就； 二、教学重难点 （一）教学重点 第一宇宙速度的推导过程、物理意义。三个宇宙速度的含义、数值与应用。 （二）教学难点 利用万有引力定律与圆周运动规律结合分析卫星运动问题；同步卫星的轨道、周期、高度等核心规律的应用。 三、知识点一：三个宇宙速度 牛顿曾提出过一个著名的理想实验：如图所示，从高山上水平抛出一个物体，当抛出的速度足够大时，物体将环绕地球运动，成为人造地球卫星。 （1）当抛出速度较小时，物体做平抛运动，最终落地。 （2） 当物体刚好不落回地面时，物体将不再返回地面， 绕地球做匀速圆周运动。 1. 第一宇宙速度（推导并讲解） 例：已知地球的质量为M，地球半径为R，引力常量为G， 若物体紧贴地面飞行而不落回地面，其速度大小为多少？ 建立模型：卫星绕地球做匀速圆周运动 基本思路：向心力由地球对卫星的万有引力提供，当物体紧贴地面飞行时，近地卫星轨道半径（地球半径）。 方法1：万有引力提供向心力： 得： 方法2：地面附近万有引力≈重力 ，得 代入数据：R≈6400km，g≈9.8m/s2，计算得V ≈7.9km/s。 这就是物体在地球附近绕地球做匀速圆周运动的速度，叫作第一宇宙速度。又叫作环绕速度。 第一宇宙速度：(1)定义：物体在地球附近绕地球做 ① 运动的速度叫作第一宇宙速度。 (2)大小：v＝7.9 km/s。 （3）核心意义： ① 第一宇宙速度是卫星绕地球表面做匀速圆周运动的速度； ② 第一宇宙速度是成为地球卫星的最小发射速度； ③ 第一宇宙速度是卫星绕地球做匀速圆周运动的最大环绕速度。 2.第二宇宙速度（又叫作逃逸速度）： 在地面附近发射飞行器，如果速度大于 ② ，又小于11.2 km/s，它绕地球运行的轨迹就不是圆，而是椭圆。当飞行器的速度等于或大于11.2 km/s时，它就会克服地球的引力，永远离开 ③ 。我们把 ④ 叫作第二宇宙速度。 3.第三宇宙速度： 在地面附近发射飞行器，如果要使其挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系外，必须使它的速度等于或大于16.7 km/s，这个速度叫作第三宇宙速度。 4. 归纳总结不同发射速度对应的飞行器的运动状态： ①发射速度V＜7.9km/s：物体落回地面，不能成为地球卫星。 ②发射速度V=7.9km/s：近地卫星，绕地球表面做匀速圆周运动。 ③7.9km/s＜发射速度V＜11.2km/s：沿椭圆轨道绕地球运行。 ④发射速度16.7km/s＞V≥11.2km/s：克服地球引力，离开地球。 ⑤发射速度V≥16.7km/s：挣脱太阳引力，飞到太阳系外。 5. 问题：如果发射速度等于第一宇宙速度的2倍，飞行器将如何运动？ 四、知识点二：人造地球卫星 1. 卫星轨道：卫星绕地球匀速圆周运动，万有引力提供向心力， 轨道圆心必与地心重合。 其轨道可分为三类(如图所示) ① 赤道轨道：轨道与赤道共面，卫星始终在赤道正上方。 ② 极地轨道：轨道平面与赤道平面垂直，运行时能到达南北极上空。 ③ 一般轨道：轨道与赤道成一定夹角。 思考：图示a、b、c三轨道中不可以作为卫星轨道的是哪一条？ 2.地球同步卫星（也称静止卫星） (1)概念：相对于地面静止且与地球自转具有相同 ⑤ 的卫星，叫作地球同步卫星。 (2)特点：八个“一定” ①转动方向一定：与地球自转方向相同； ②周期一定：与地球自转周期相同；即T＝24 h； ③角速度一定：与地球自转的角速度相同；即ω=rad/s ④轨道平面一定：所有的同步卫星都在赤道的正上方，（轨道平面与赤道平面重合） ⑤高度一定：离地面高度固定；(h≈3.6×104 km)； ⑥轨道半径一定：圆周运动半径固定；(r≈4.2×104 km)； ⑦速率一定：线速度大小V=r；(v≈3.1×103 m/s)。 ⑧加速度大小一定：向心加速度大小a=r不变。a≈ ⑥ 应用：三颗同步卫星在赤道上空120°间隔分布时，可以实现的全球通信覆盖（除极地附近区域外）。 知识点五、载人航天与太空探索（阅读课本61-63页） 1961年4月12日，苏联航天员加加林进入了东方一号载人飞船。 1969年7月16日9时32分，运载阿波罗11号飞船的土星5号火箭在美国卡纳维拉尔角点火升空，拉开人类登月这一伟大历史事件的帷幕。 2003年10月15日9时，我国神州五号宇宙飞船把中国第一位航天员杨利伟送入太空。 2013年6月，神舟十号分别完成与天宫一号空间站的手动和自动交会对接。 2016年10月19日，神舟十一号完成与天宫二号空间站的自动交会对接。 2017年4月20日，我国又发射了货运飞船天舟一号，入轨后与天宫二号空间站实验室进行自动交会对接、自主快速交会对接等3次交会对接及多项实验。 六：课后练习，课本64页练习与应用 1.有人根据公式说：人造地球卫星的轨道半径增大2倍，卫星的速度也增大2倍。但由公式可知，轨道半径增大时，人造地球卫星的速度是减小的。应当怎样正确理解这个问题? 2."2003年10月15日9时，我国神舟五号宇宙飞船在酒泉卫星发射中心成功发射，把中国第一位航天员杨利伟送入太空。飞船绕地球飞行14圈后，于10月16日6时23分安全降落在内蒙古主着陆场。”根据以上消息，若不计发射与降落时间，把飞船看作绕地球做匀速圆周运动，试估算神舟五号绕地球飞行时距地面的高度。已知地球质量m地=6.0×1024kg，地球半径R=6.4×103km。 3.已知地球半径为R，地球表面的重力加速度为g，地球自转的周期为T，求地球同步卫星的向心加速度大小。 4. 金星的半径是地球半径的95%，质量为地球质量的82%，金星表面的自由落体加速度是多大?金星的“第一宇宙速度”是多大? 对应知识点的填空答案及课后习题答案： 知识点：①匀速圆周；②7.9km/s；③地球；④11.2km/s；⑤角速度；⑥a≈0.22 m/s2 课后习题：1、当角速度ω不变时，根据公式v=ωr，可知卫星的轨道半径增大为原来2倍，则线速度也增大为原来的2倍。但对于人造地球卫星来讲，当轨道半径增大时，角速度会改变，所以不能用公式v=ωr讨论卫星的线速度变化；在公式v=中，当卫星的轨道半径r增大时，引力常量G和地球的质量m地都不变，因此人造地球卫星的线速度减小。 2、神舟五号绕地球运动的向心力由其受到的地球的万有引力提供 G= 其中周期T=≈91.64min≈5500s r= =6.7x106 m 其距地面的高度为h=r-R=6.7x106m-6.4x106 m=3x105 m=300 km 3、对于在地球表面的物体：G=mg 对于地球同步卫星：G= 两式联立，得地球同步卫星的轨道半径为r= 地球同步卫星的加速度a= == 4、设金星质量为m1半径为R1、金星表面自由落体加速度为g1；在金星表面对m物体有 G=mg1 设地球质量为m2、半径为R2地球表面自由落体加速度为g2；在地球表面对m物体有 G=mg2 由以上两式得：== 由G=m= = 7.36 km/s。 学科网（北京）股份有限公司 $