7.4 宇宙航行 导学案 -2026-2027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，核心知识点包括宇宙速度、人造卫星运动规律及同步卫星特点。通过牛顿设想的水平抛出物体情景导入，连接万有引力定律与圆周运动知识，搭建从理论到应用的学习支架。 资料结合嫦娥七号、北斗卫星等实例，通过问题导学和两种方法推导第一宇宙速度，培养科学思维中的模型建构与科学推理能力。例题设计注重联系实际，帮助学生理解卫星分类及运动特点，提升科学探究能力与科学态度。

7.4 宇宙航行 [学习目标]　 1.了解人造卫星的最初构想，会推导第一宇宙速度。 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。 3.了解发射速度和环绕速度的区别和联系。 4.了解宇宙航行的历程和进展。 一、　宇宙速度 【导学】 1.在地球表面将一物体以较小的速率水平抛出，物体将落到地上；若物体以更大的初速度水平抛出时，物体将飞得更远；当物体以足够大的水平速度抛出时，物体将环绕地球运动。 (1)速度需要达到多大（所需数据从课本中查得），物体才不会再落回地球表面？在不同的星球抛出去，使之不再回到星球表面，需要的速度一样吗？ (2)将卫星发射到更高的轨道上，需要的速度越大还是越小？ 【知识整理】 2．第一宇宙速度 定义：物体在地球________绕地球做匀速圆周运动的速度，叫作第一宇宙速度。 大小：v=________。 意义： （1）是航天器成为卫星的________发射速度。 （2）是卫星的最大________。 3．第二宇宙速度 当飞行器的速度________11.2km/s时，它就会克服地球的引力，永远离开地球。我们把11.2 km/s叫作第二宇宙速度。 4．第三宇宙速度 在地面附近发射的飞行器，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____________16.7 km/s，这个速度叫作第三宇宙速度。 【例题】 5．以下太空探索实践中需要的发射速度是多少？ 2、 第一宇宙速度的计算 【导学】 6．牛顿的设想 如图所示，在1687年出版的《自然哲学的数学原理》中，牛顿设想：把物体从高山上水平抛出，速度一次比一次大，落地点也就一次比一次远；抛出速度足够大时，物体就不会落回地面，成为________。 【知识整理】 第一宇宙速度的计算方法 方法一：万有引力提供向心力，由得。 方法二：重力提供向心力，由 得。 【例题】 7．嫦娥七号探测器计划于2026年下半年发射，将着陆于月球南极区域进行水冰资源勘查。已知月球质量为，月球半径为，引力常量为。则月球第一宇宙速度约为（     ） A． B． C． D． 8．若金星与地球的质量之比为a、半径之比为b，则金星与地球的第一宇宙速度之比为（　　） A． B． C． D． 9．已知地球的质量为M，半径为R，引力常量为G。忽略地球自转影响。 (1)求地球表面处的重力加速度g； (2)推导第一宇宙速度的表达式； 三、人造卫星 【知识整理】 10．常见卫星按用途分类：常见卫星有__________卫星、测地卫星、气象卫星、科学卫星等。 11．北斗卫星导航系统由5颗________轨道和30颗非静止轨道卫星组网而成的全球卫星导航系统。静止轨道卫星又称为同步卫星，其轨道平面与________平面重合，并且位于________上空________高度上。 12．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_________。 （2）特点 ①转动方向一定：和地球自转方向_____； ②周期一定：和地球自转周期_____，即T＝24 h； ③角速度一定：_____地球自转的角速度； ④轨道平面一定：所有的同步卫星都在赤道的_____，其轨道平面必须与赤道平面_____； ⑤高度一定：离地面高度固定_______（约3.6×104 km）； ⑥速率一定：线速度大小_______（约3.1×103 m/s）。 13．近地卫星、静止卫星、极地卫星和月球 （1）近地卫星：地球表面附近的卫星，；线速度大小、周期，分别是人造地球卫星做匀速圆周运动的最大速度和最小周期。 （2）地球静止卫星：位于地面上方高度约__________ km处，周期与地球自转周期________。其中一种的轨道平面与赤道平面成0度角，运动方向与地球自转方向______，因其相对地面静止，也称静止卫星。 （3）极地卫星：轨道平面与赤道平面夹角为90°的人造地球卫星，运行时能到达南北极上空。 （4）月球绕地球的公转周期T＝27.3天，月球和地球间的平均距离约38万千米，大约是地球半径的60倍。 【例题】 14．我国“北斗导航系统”中有多颗地球静止卫星，下列关于它们的说法中正确的是（　　） A．它们的质量一定相同 B．它们的速率可能不同 C．它们一定在赤道的正上方 D．它们的向心加速度大小可能不同 15．截至2026年3月，中国在轨人造地球卫星总数约1100-1164颗，其中中地球轨道（MEO）卫星（简称“中卫”）约35颗，地球静止轨道（GEO）同步卫星约103颗（简称“静卫”）。“中卫”轨道高度低于“静卫”轨道。下列说法正确的是（　　） A．“中卫”线速度在和之间 B．“静卫”线速度小于“中卫”线速度 C．“静卫”运行周期小于“中卫”的运行周期 D．“静卫”轨道可以定点在我国领土正上方 16．（多选）2025年3月29日消息，我国将充分运用北斗卫星通信、AI新技术，打造“数字化救援一张图”。北斗卫星导航系统包括五颗静止轨道卫星和三十颗非静止轨道卫星。地球视为球形，假设甲卫星是轨道倾角（轨道平面和赤道平面的夹角）为零的圆形地球同步卫星。乙卫星是（轨道为圆周）非静止轨道卫星，它离地高度与静止轨道卫星相同，但轨道平面和赤道平面的夹角为，自西向东绕地球运行。下列说法正确的是（　　） A．甲和其它四颗静止轨道卫星的周期和速率均相同 B．非静止轨道卫星乙的发射速度大于 C．静止轨道卫星甲每天都要准时经过河南某地的正上方 D．非静止轨道卫星乙轨道平面必过地心 17．（多选）2025年6月20日20时37分，我国在西昌卫星发射中心使用长征三号乙运载火箭成功将中星卫星发射升空，卫星进入预定轨道后，始终与地面保持相对静止。中星卫星（    ） A．发射速度小于 B．预定轨道与赤道面共面 C．在轨道上运行时，所受合力为零 D．运行线速度比静止在地球赤道上物体的线速度大 试卷第1页，共3页 试卷第1页，共3页 学科网（北京）股份有限公司 参考答案 1.（1）达到第一宇宙速度不会回到地球 不相同 （2）不一样 2． 附近 7.9 最小 环绕速度 3．等于或大于 4．等于或大于 5. ，， 6．人造地球卫星 7．A 【详解】第一宇宙速度是星体表面附近环绕天体做匀速圆周运动的速度，此时万有引力提供向心力，由公式 化简得第一宇宙速度表达式为 代入已知数据计算得 故选A。 8．C 【详解】根据万有引力提供向心力 可得，第一宇宙速度为 其中为引力常量，为天体质量，为天体半径。设金星与地球的第一宇宙速度分别为和，则第一宇宙速度之比为 已知金星与地球的质量比，半径比，代入得 故选C。 9．(1) (2) 【详解】（1）忽略地球自转，地球表面物体所受万有引力等于重力 解得 （2）卫星在地球表面附近绕地球做匀速圆周运动，万有引力提供向心力 解得 10．通信 11． 地球静止 地球赤道 地球赤道 12． 地球同步卫星 相同 相同 等于 正上方 重合 不变 一定 13． 36000 相同 相同 14．C 【详解】A．同步卫星的轨道参数与卫星自身质量无关，不同卫星的质量可以不相同，故A错误； B．由推导得，同步卫星轨道半径为固定值，因此所有同步卫星的速率一定相同，故B错误； C．同步卫星要保持相对地面静止，轨道必须处于赤道平面内，因此一定在赤道正上方，故C正确； D．由推导得，同步卫星轨道半径为固定值，因此所有同步卫星的向心加速度大小一定相同，故D错误。 故选C。 15．B 【详解】A．是第一宇宙速度，也是所有绕地球做匀速圆周运动卫星的最大环绕速度。所有绕地球做匀速圆周运动的卫星线速度都不超过，由于“中卫”是绕地球运行的卫星，所以线速度小于，故A错误； B．根据万有引力提供向心力有 解得卫星围绕地球做稳定圆周运动的线速度为 故轨道半径越大，线速度越小，由于“静卫”与“中卫”相比轨道高度更高，更大，所以“静卫”的线速度小于“中卫”的线速度，故B正确； C．根据万有引力提供向心力有 解得卫星围绕地球做稳定圆周运动的周期为 故轨道半径越大，周期越大，由于“静卫”与“中卫”相比更大，所以“静卫”的运行周期大于“中卫”的运行周期，故C错误； D．由于地球静止轨道即“同步卫星的轨道”只能在赤道平面内，我国位于北半球，所以“静卫”轨道不可能在我国上空，故D错误。 故选B。 16．AD 【详解】A．静止轨道卫星的特点是：定位置（赤道的上方）、定周期（24h）、定速率、定高度，所以甲和其它四颗静止轨道卫星的周期和速率均相同，故A正确； B．非静止轨道卫星乙的发射速度应大于，小于，故B错误； C．静止轨道卫星在赤道正上方，不会经过河南某地的正上方，故C错误； D．非静止轨道卫星乙轨道的圆心是地心，故D正确。 故选AD。 17．BD 【详解】A．卫星进入预定轨道后，始终与地面保持相对静止，可知，该卫星为地球同步静止卫星，其发射速度一定大于第一宇宙速度，故A错误； B．结合上述，该卫星为地球同步静止卫星，可知，其预定轨道与赤道面共面，故B正确； C．在轨道上运行时，由万有引力提供向心力，所受合力不为零，故C错误； D．结合上述，该卫星为地球同步静止卫星，角速度与地球自转角速度相等，根据 可知，该卫星运行线速度比静止在地球赤道上物体的线速度大，故D正确。 故选BD。 答案第1页，共2页 答案第1页，共2页 学科网（北京）股份有限公司 $