7.4宇宙航行 教学设计-2026-2027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“宇宙航行”核心知识点，涵盖三个宇宙速度、卫星运行规律、同步卫星及变轨思想。通过牛顿“高山大炮”思想实验导入，从平抛物体过渡到卫星绕地运动，衔接万有引力与圆周运动知识，搭建学习支架。 该资料以核心素养为导向，物理观念上提炼“高轨低速大周期”规律，科学思维上通过推导第一宇宙速度培养模型建构能力，科学态度与责任上结合我国航天成就激发使命感。采用思想实验、公式推导、数据对比突破难点，典型习题助学生巩固，为教师提供清晰教学路径，提升课堂效率。

教学设计 课程名称 宇宙航行 教师姓名 授课时长 40分钟 知识点来源 学科：物理　　年级：高一　　教材版本：人教版（2019）必修第二册 课题：第七章　万有引力与宇宙航行　第4节　宇宙航行 知识点描述 第一宇宙速度：物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动所需的速度，，是最小发射速度、最大环绕速度。 第二宇宙速度：11.2 km/s，当发射速度≥11.2 km/s时物体脱离地球引力束缚，成为绕太阳运行的人造行星。 第三宇宙速度：16.7 km/s，当发射速度≥16.7 km/s时物体脱离太阳系引力束缚。 卫星运行规律：万有引力提供向心力，；r越大，v、ω越小，T越大（高轨慢）。 地球同步卫星：周期与地球自转周期相同（24 h），轨道平面在赤道平面内，轨道半径一定（约3.6×10⁷ m），相对地面静止。 变轨思想：卫星由低轨到高轨需在适当位置加速离心进入椭圆转移轨道，再在远地点加速进入高轨圆轨道。 载人航天与航天事业：了解我国载人航天、空间站等成就（结合资料）。 教学目标（指向核心素养） 一、物理观念 1.理解三个宇宙速度的含义，知道第一宇宙速度的推导与数值。 2.理解卫星做圆周运动的规律，形成“轨道越高、速度越小而周期越大”的天体运动观念。 二、科学思维 1.经历由万有引力提供向心力推导第一宇宙速度与卫星运行规律的过程，体会模型建构与公式推导方法。 2.能分析同步卫星的轨道特点与卫星变轨的能量思想，发展科学推理与论证能力。 三、科学探究 1.围绕“卫星为什么不会掉下来”“如何使卫星到更高轨道”等问题提出猜想并定量解释。 2.通过比较不同轨道卫星的v、T，经历数据比较与规律归纳的过程。 四、科学态度与责任 1.结合我国载人航天、北斗导航、空间站成就，增强民族自豪感与科学使命感。 2.认识宇宙航行中的安全与科学伦理问题，关注物理与航天技术的关系。 教学重点 三个宇宙速度的含义与第一宇宙速度的推导；卫星运行参数随轨道半径的变化规律（r↑→v↓、ω↓、T↑）。 教学难点 理解“最小发射速度”与“最大环绕速度”的第一宇宙速度双重含义；同步卫星轨道平面与半径的制约条件。 适用对象 高一年级学生（人教版2019·必修第二册） 课型 （注：可选择如下选项，也可以补充填写） √新授课　□复习课　□习题课　□实验课　□其他 教学用途 （注：可选择如下选项，也可以补充填写） √课堂教学　□课前预习　□课后复习　□其他 设计思路 教材与学情：学生已会用万有引力定律与圆周运动规律求解天体问题，本节聚焦“发射—环绕—变轨”的工程物理思想。 设计主线：问题（怎样发射卫星）→ 第一宇宙速度推导 → 卫星运行规律 → 同步卫星与变轨 → 我国航天成就，全课40分钟。 难点突破：用“抛出的石头”思想实验过渡到“人造卫星”模型，把发射速度与环绕速度讲清。 反馈矫正：以“高轨低速大周期”判断及同步卫星条件讨论检测理解，纠正“发射速度越大轨道越高速度越大”的直觉错误。 教 学 过 程 环节 内 容 设计意图 一、导入新课 （约4分钟） 【情境引入】牛顿曾设想：从高山顶平抛物体，速度足够大时物体将不再落回地面而绕地球运动。 【设问】需要多大的速度才能让物体绕地球做圆周运动？——引出课题：宇宙航行。 用牛顿“高山大炮”思想实验导入，把“发射卫星”问题转化为圆周运动问题。 二、新课教学（一） （约13分钟） 1.建模：近地卫星绕地球做匀速圆周运动，万有引力提供向心力，。 2.计算：代入、、，得。 3.讨论：既是最大环绕速度（轨道半径最小），又是最小发射速度。 4.第二、三宇宙速度：（脱离地球）、（脱离太阳系）。 图7.4-1 三个宇宙速度 从理想实验到公式推导再到数值体验，讲透第一宇宙速度的双重含义。 二、新课教学（二） （约12分钟） 1.一般规律：卫星绕地球做匀速圆周运动，GMm/r²=mv²/r=mω²r=m·4π²r/T²。 2.推导结论：、、，轨道半径r越大，v、ω越小，T越大。 3.同步卫星：周期T=24 h、轨道在赤道平面、高度约3.6×10⁷ m，相对地面静止（通讯、导航卫星）。 4.判断练习：比较低轨、同步轨道卫星的速度与周期。 由向心力通式统一导出三个结论，让学生掌握“轨道决定参数”的分析方法。 二、新课教学（三） （约7分钟） 1.变轨思想：低轨加速→离心进入椭圆→远地点加速→进入高轨圆轨道；卫星对接靠轨道调整。 2.我国的航天成就：东方红一号、神舟系列、嫦娥探月、天问探火、北斗导航、中国空间站等。 3.交流讨论：航天发射为什么要建在低纬度？返回舱为什么需要减速制动？ 用变轨与我国航天成就的讨论，激发爱国情感并体会物理在航天工程中的作用。 三、课堂小结与作业 （约4分钟） 1.知识小结：三个宇宙速度；卫星规律“高轨低速大周期”；同步卫星特点。 2.方法小结：卫星问题——“万有引力=向心力，谁绕谁列式”。 把卫星规律提炼为“高轨低速大周期”口诀，方便学生在应用与后续学习中使用。 四、课堂作业（举一反三·典型题5道） 题1．如图所示，在牛顿的《自然哲学的数学原理》中，他设想：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：够大时，物体就不会落回地面，这个最小速度为（　　） A．7.9km/s B．9.8km/s C．11.2km/s D．16.7km/s 题2．如图所示，北斗卫星导航系统中，静止轨道卫星和中圆轨道卫星均绕地球做匀速圆周运动。它们的轨道高度分别为36000km和21500km。线速度大小分别为和，角速度大小分别为和，下列判断正确的是（　　） A．＜，＜ B．＞，＞ C．＞，＜ D．＜，＞ 题3．神舟十六号载人飞船与空间站组合顺利交会对接。在对接完成之前，神舟十六号需要完成六次自主变轨，距离地面的高度从200km上升到400km，逐渐接近空间站。已知同步卫星距离地面高度约为36000km，对于变轨过程，下列说法正确的是（　　） A． 变轨完成后，飞船的向心加速度增大了 B．变轨完成后，飞船速度大于地球第一宇宙速度 C．在变轨过程中，需要对飞船加速 D．变轨完成后，飞船的运行周期大于24小时 题4．（多选）土星环远看美丽壮观，近看则是由众多的冰块、碎石组成，它们如同众多的小卫星，绕着土星做近似匀速圆周运动。则对于组成土星环的这些冰块、碎石，下列说法正确的是（　　） A．由可知，距离土星越远的冰块、碎石的线速度越大 B．由可知，距离土星越远的冰块、碎石所受到的土星的引力越小 C．由常量可知，距离土星越远的冰块、碎石绕土星公转的周期越长 D．由可知，距离土星越远的冰块、碎石的角速度越小 题5．2022年10月9日，我国成功发射“夸父一号”探测卫星，用于探测由太阳发射而来的高能宇宙射线，卫星绕地球做匀速圆周运动，运行轨道离地面的高度为720km，下列说法正确的是（　　） A．“夸父一号”的运行速度大于 B．“夸父一号”的向心加速度小于地球同步卫星的向心加速度 C．为使“夸父一号”能更长时间观测太阳，采用a轨道比b轨道更合理 D．“夸父一号”绕地球做圆周运动的周期为24小时 参考答案 题1．A A．7.9km/s为第一宇宙速度，它是最小发射速度，最大环绕速度，即当物体以该速度抛出后物体将环绕地球表面做圆周运动，不会落回地面，且该速度为抛出后不落回地面的最小抛出速度，故A正确；C．11.2km/s为第二宇宙速度，以该速度将物体抛出，物体将脱离地球引力的束缚，不会落回地面，但该速度不是物体抛出后不落回地面的最小抛出速度，故C错误；B．9.8km/s介于第一宇宙速度与第二宇宙速度之间，以该速度抛出物体，物体将在距地球表面一定高度的轨道上环绕地球做圆周运动，物体不会落回地面，但该速度不是物体抛出后不落回地面的最小抛出速度，故B错误；D．16.7km/s为第三宇宙速度，物体以该速度抛出，将脱离太阳引力的束缚，逃离太阳系，物体不会落回地面，但该速度不是物体抛出后不落回地面的最小抛出速度，故D错误。故选A。 题2．A根据万有引力提供向心力，则解得，由上述结果可知，轨道半径r越大，角速度越小，线速度v就越小，所以＜，＜。故选A。 题3．CA．变轨完成后，飞船的轨道半径变大，根据万有引力提供向心力可知变轨完成后，轨道半径r增大，所以飞船的向心加速度减小了，故A错误；B．根据万有引力提供向心力可知第一宇宙速度是环绕地球做圆周运动卫星的最大速度，变轨完成后，飞船的轨道半径变大，飞船速度小于第一宇宙速度，故B错误；C．在变轨过程中，飞船从低轨道进入高轨道，机械能增加，需要对飞船加速，故C正确；D．根据万有引力提供向心力所以变轨完成后，飞船的运行的轨道半径小于同步卫星的轨道半径，所以飞船运动的周期小于同步卫星的运行周期，即小于24小时，故D错误。故选C。 题4．CD 。 冰块、碎石如同众多的小卫星，绕着土星做近似匀速圆周运动，由引力作为向心力可得解得故距离土星越远的冰块、碎石的线速度越小，角速度越小，周期越长，A错误，CD正确；B．由由于不知冰块、碎石的质量大小关系所以无法比较受到的土星的引力大小，B错误。故选CD。 题5．CA．第一宇宙速度为围绕地球做圆周运动的最大速度，则“夸父一号”的运行速度小于，故A错误；B．由万有引力提供向心力有解得由于“夸父一号”的轨道半径小于地球同步卫星的轨道半径，则“夸父一号”的向心加速度大于地球同步卫星的向心加速度，故B错误；C．由图可知，采用a轨道可以更长时间观测太阳，故C正确；D．由万有引力提供向心力有解得由于“夸父一号”的轨道半径小于地球同步卫星的轨道半径，则“夸父一号”绕地球做圆周运动的周期小于地球同步卫星的周期24小时，故D错误。故选C。 教学反思 1.学生易把“发射速度”与“环绕速度”混为一谈，应用“发射要克服引力、环绕需向心力”的对比讲清。 2.“轨道越高周期越大”与直觉相反，用同步卫星与近地卫星的数据对比强化结论。 3.变轨涉及能量观念，可结合功能关系解释“加速升轨”，为后续机械能学习埋下伏笔。 8 学科网（北京）股份有限公司 $