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

该高中物理教学设计聚焦《万有引力与宇宙航行》中“宇宙航行”核心内容，涵盖宇宙速度、同步卫星、卫星变轨等知识点。通过问题探究导入，如推导第一宇宙速度、分析不同轨道发射速度差异，衔接万有引力定律与圆周运动知识，搭建学习支架。 此资料以新课标核心素养为导向，物理观念上明确宇宙速度推导及同步卫星“六定”特点，科学思维通过神舟十三号轨道参数计算等例题培养推理能力，科学态度与责任结合“风云”卫星等实例渗透探索精神。助力学生构建天体运动模型，为教师提供清晰教学框架，提升课堂效率。

高中物理人教版必修第二册 第七章《万有引力与宇宙航行》 第4节 宇宙航行 教学设计 上课班级 上课时间 年 月 日 课时： 节 课题 第4节 宇宙航行 学习目标 一、物理观念 1.知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度. 2.了解人造卫星的用途和轨道特点，掌握同步卫星的特点． 3.会应用万有引力定律分析卫星运行规律。 二、科学思维 1.知道处理星体绕中心天体做圆周运动的基本思路. 2.了解人造卫星的有关知识，会分析人造地球卫星的受力和运动情况并解决涉及人造卫星运动的相关问题。 三、科学探究 1.知道卫星变轨的原因，会分析卫星变轨前后的物理量变化. 2.了解发射速度与环绕速度的区别与联系，理解天体运动中的能量观。 四、科学态度与责任 1.了解宇宙航行的历程与发展，感受人类对未知世界的探索精神及物理模型的重要性。 2.知道同步卫星和其他卫星的区别，会分析人造地球卫星的受力和运动情况,会解决涉及人造地球卫星运动的较简单的问题。 学习重难点 1.知道“赤道上的物体”“同步卫星”“近地卫星”的区别与联系. 2.知道航天器的对接问题的处理方式，掌握双星运动的特点，会分析双星问题． 学习活动设计 1、 新课引入 问题探究发射卫星，要有足够大的速度才行。 （1） 怎样求地球的第一宇宙速度？不同星球的第一宇宙速度是否相同？ ［提示］根据 ，得 ；可见第一宇宙速度由中心天体的质量和半径决定，不同星球的第一宇宙速度不同。 （2） 把卫星发射到更高的轨道上需要的发射速度越大还是越小？ ［提示］轨道越高，需要的发射速度越大。 1.第一宇宙速度：第一宇宙速度是人造卫星近地环绕地球做匀速圆周运动的速度。 2.第一宇宙速度的两种推导方法 对于近地人造卫星，轨道半径 近似等于地球半径 ，卫星在轨道处所受的万有引力近似等于卫星在地面上所受的重力，地球质量为 ， 取 ， 取 。 方法一： 方法二： 二、教学过程 （一）宇宙速度 1．第一宇宙速度 (1)第一宇宙速度的推导： 已知地球质量M和半径R，航天器在地面附近绕地球的运动可视为匀速圆周运动，地球对航天器的引力提供航天器做圆周运动所需的向心力，轨道半径r近似认为等于地球半径R，由＝m，可得v＝. (2)定义：航天器在地面附近绕地球做匀速圆周运动所必须具有的速度7.9 km/s称为第一宇宙速度，也叫环绕速度． 2．第二宇宙速度 当发射速度大于等于11.2 km/s时，航天器会挣脱地球的引力绕太阳运动或飞向其他行星，人们将v＝11.2 km/s称为第二宇宙速度，又叫逃逸速度． 3．第三宇宙速度 当发射速度大于等于16.7 km/s时，航天器会挣脱太阳的引力，飞出太阳系，这一速度称为第三宇宙速度． 【例1】2021年10月16日神舟十三号载人飞船顺利将翟志刚、王亚平、叶光富3名航天员送入太空，假设神舟十三号载人飞船在距地面高度为h的轨道做圆周运动，已知地球的半径为R，地球表面的重力加速度为g，引力常量为G，下列说法正确的是(　　) A．神舟十三号载人飞船的线速度大于地球第一宇宙速度 B．神舟十三号载人飞船运行的周期为T＝2π C．神舟十三号载人飞船轨道处的重力加速度为g′＝ D．地球的平均密度ρ＝ 答案　BC 解析　根据万有引力提供向心力可得G＝＝m＝man 且在地球表面满足G＝mg，即GM＝gR2 由题意知神舟十三号载人飞船轨道半径为 r＝R＋h 所以解得周期为T＝2π， 线速度为v＝ 由于神舟十三号载人飞船的轨道半径大于地球近地卫星的轨道半径，所以其线速度小于地球近地卫星线速度，即小于第一宇宙速度； 向心加速度即重力加速度为an＝g′＝，故A错误，B、C正确； 根据密度公式得ρ＝＝，故D错误． （二）地球同步卫星 （1）概念：相对于地面静止且与地球自转具有相同周期的卫星，叫作地球同步卫星。 （2）特点 ①确定的转动方向：和地球自转方向一致。 ②确定的周期：和地球自转周期相同，即 。 ③确定的角速度：等于地球自转的角速度。 ④确定的轨道平面：所有的同步卫星都在赤道的正上方，其轨道平面必须与赤道平面重合。 ⑤确定的高度：离地面高度固定不变 。 ⑥确定的环绕速率：线速度大小一定 。 【例2】（多选）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——“风云一号”，绕地球做匀速圆周运动的周期为 ，另一类是地球同步轨道卫星——“风云二号”，运行周期为 。下列说法正确的是( AB ) A. “风云一号”的线速度大于“风云二号”的线速度 B. “风云一号”的向心加速度大于“风云二号”的向心加速度 C. “风云一号”的发射速度大于“风云二号”的发射速度 D. “风云一号”“风云二号”均相对于地面静止 [解析]选 。由开普勒第三定律 知，“风云二号”的轨道半径大于“风云一号”的轨道半径，由 ，得 ， ， 越大， 越小， 越小， 、 正确；把卫星发射得越远，所需发射速度越大， 错误；只有同步卫星相对于地面静止， 错误。 （三）卫星变轨问题 （1）稳定运行 卫星绕天体稳定运行时，万有引力提供卫星做圆周运动的向心力，即 。 （2）变轨运行 当卫星由于某种原因，其速度 突然变化时， 和 不再相等，会出现以下两种情况： ①当 时，卫星做近心运动； ②当 时，卫星做离心运动。 【例3】某卫星轨道Ⅱ与轨道Ⅰ、Ⅲ相切于 、 两点，如图所示。停泊轨道Ⅰ距地面约 ，卫星沿轨道Ⅰ过 点的速度、加速度分别为 、 ；卫星沿转移椭圆轨道Ⅱ过 点的速度、加速度分别为 、 ，过 点的速度、加速度分别为 、 ；同步轨道Ⅲ距地面约 ，卫星沿轨道Ⅲ过 点的速度、加速度分别为 、 。关于该卫星，下列说法正确的是( C ) A. B. C. D. [解析]卫星无论沿轨道Ⅰ过 点还是沿转移椭圆轨道Ⅱ过 点，受到的万有引力相同，根据 可知加速度 ，但是卫星过 点由轨道Ⅰ到转移椭圆轨道Ⅱ需要加速，所以 ，故 错误；卫星沿转移椭圆轨道Ⅱ过 点受到的万有引力大于过 点受到的万有引力，根据 可知 ，卫星由轨道Ⅱ上的 点运动到轨道Ⅱ上的 点的过程中做减速运动，则 ，故 错误；同理可得，卫星沿转移椭圆轨道Ⅱ过 点的加速度等于沿轨道Ⅲ过 点的加速度，即 ，卫星由转移椭圆轨道Ⅱ经 点到轨道Ⅲ需要加速，故 ，故 正确；根据 可知 ，由 可知 ，又有 ，所以 ，故 错误。 板书设计 （一）宇宙速度 1．第一宇宙速度 2．第二宇宙速度 3．第三宇宙速度 （二）地球同步卫星 （三）卫星变轨问题 课后作业 1.(多选)同步卫星与地心的距离为r，运行速率为v1，向心加速度大小为a1，地球赤道上的物体随地球自转的向心加速度大小为a2，第一宇宙速度为v2，地球半径为R，则下列关系式正确的是(　　) A.＝ B.＝()2 C.＝ D.＝ 2.2020年7月23日，我国首次火星探测任务“天问一号”探测器在海南文昌发射场用“长征五号”运载火箭成功发射，一步实现火星探测器的“绕、着、巡”。假设该火星探测器探测火星时，经历如图所示的变轨过程。关于该探测器的下列说法正确的是(　　) A．探测器在轨道Ⅱ上运动时，经过P点时的速度小于经过Q点时的速度 B．探测器在轨道Ⅱ上运动时，经过P点时的速度大于在轨道Ⅲ上运动时经过P点时的速度 C．探测器在轨道Ⅲ上运动到P点时的加速度大于探测器在轨道Ⅱ上运动到P点时的加速度 D．探测器在轨道Ⅰ上经过P点时的速度小于探测器在轨道Ⅱ上经过P点时的速度 3．据中国气象局表示，针对我国出现的持续性雾霾天气，“风云三号”卫星能及时监测雾霾覆盖省份、覆盖面积和强度等情况．已知“风云三号”在距地球表面高度为h的轨道上做匀速圆周运动，地球的半径为R，地球表面的重力加速度为g，引力常量为G.求： (1)地球的质量； (2)“风云三号”卫星在轨道上的运行周期T. 1.答案　AD 解析　以第一宇宙速度运行的卫星为近地卫星． 对于卫星，其共同特点是万有引力提供向心力， 则G＝m，故 ＝. 对于同步卫星和地球赤道上的物体，其共同特点是角速度相等，根据a＝ω2r，有＝. 2.答案D　 [根据开普勒行星运动定律知探测器在椭圆轨道上运动时，在P点的速度大于在Q点的速度，故A错误；探测器往低轨道运动需要减速，故探测器在轨道Ⅱ上运动时经过P点时的速度小于在轨道Ⅲ上运动时经过P点时的速度，在轨道Ⅰ上经过P时的速度小于在轨道Ⅱ上经过P点时的速度，故B错误，D正确；不管在哪个轨道上，探测器在P点受到的万有引力是相等的，所以加速度相等，故C错误。] 3.答案　(1)　(2) 解析　(1)在地球表面对质量为m′的物体有m′g＝G 解得地球的质量为M＝. (2)设距地面高度为h的卫星的质量为m，根据万有引力提供向心力有 G＝m 联立②③解得T＝. 教学反思 学科网（北京）股份有限公司 $