高中物理人教版必修 第二册 4. 宇宙航行教学设计.docxVIP

4.宇宙航行

课程：高中物理

教材：高中物理人教版必修第二册

章节：4.宇宙航行

教材分析

宇宙速度这一节在高中物理中具有承上启下的重要作用，既是对万有引力定律的具体应用，又为后续学习天体运动和航天知识奠定基础。核心概念包括三个宇宙速度的推导与物理意义，涉及v=Gm地r和v

学情分析

学生已掌握万有引力定律、圆周运动及向心力等基础知识，具备一定的公式推导能力。高二阶段学生抽象思维逐步成熟，对航天科技充满兴趣，但对宇宙速度的物理意义和层次区分易混淆。教学重点在于理解第一宇宙速度的两种推导方法及其物理情境，难点是区分三个宇宙速度对应的运动结果与能量关系，需强化从受力与运动关系到能量视角的过渡，提升模型建构与科学推理能力。

教学目标

物理观念：

能够运用万有引力定律推导第一宇宙速度，理解三个宇宙速度的物理意义及其与轨道运动的关系。

科学思维：

能够通过比较不同推导方法（万有引力公式与重力近似）得出第一宇宙速度，培养运用近似处理和模型简化的能力。

科学探究：

能够根据给定的地球参数计算第一宇宙速度，并设计实验验证卫星运动速度与轨道高度的关系。

科学态度与责任：

能够认识人类航天探索历程的重大意义，体会我国航天成就的民族自豪感，形成探索宇宙的科学志向。

重点难点

教学重点：

通过公式推导，理解第一宇宙速度的物理意义及计算方法

通过情境分析，掌握三个宇宙速度的区别与应用条件

教学难点：

理解第二、第三宇宙速度中“摆脱引力”所需的能量关系

掌握地球同步卫星相对静止的轨道条件与受力特点

课堂导入

同学们，你们是否注意到公园里的旋转飞椅？当设备启动时，座椅会逐渐加速，最后带着乘客在空中划出优美的圆形轨迹。仔细观察会发现，无论飞椅转得多快，连接座椅的钢索始终保持着相同的倾斜角度。这种现象背后隐藏着一个有趣的物理规律：是什么力量让数百公斤的座椅和乘客能够稳定地做圆周运动而不坠落？为什么钢索的倾斜角度与旋转速度有着微妙的对应关系？

宇宙速度

探究新知

创设情景

在电视直播中，我们常看到火箭腾空而起，将卫星送入太空。这些卫星环绕地球飞行，既不坠落也不飞离地球。它们之所以能稳定运行，是因为具有特定的发射速度。例如，近地轨道上的卫星飞行速度约为7.9km/s，这一速度恰好使其受到的地球引力刚好提供做圆周运动所需的向心力。

问题探讨

问题：

问题1：为什么卫星能在空中绕地球做圆周运动而不掉下来？

问题2：若已知地球质量m地和轨道半径r，如何计算卫星绕地球运行的速度？

问题3：能否用重力加速度g和地球半径R来表示第一宇宙速度？

问题4：当发射速度大于7.9km/s时，飞行器的运动轨迹会发生什么变化？

探讨：

问题1：卫星绕地球做圆周运动时，地球对它的万有引力提供了所需的向心力。由于没有其他显著外力干扰，引力始终指向地心，使卫星不断改变速度方向而不脱离轨道，从而维持圆周运动。

问题2：根据牛顿第二定律和万有引力定律，有Gmm地r2=

问题3：在地面附近，物体所受重力近似等于万有引力，即mg=Gmm地R2

问题4：当速度超过7.9km/s但小于11.2km/s时，飞行器将沿椭圆轨道绕地球运行；当速度达到或超过11.2km/s时，它将摆脱地球引力束缚，飞离地球，此即第二宇宙速度。

归纳总结

第一宇宙速度为v=G

第一宇宙速度也可表示为v=g

第二宇宙速度为11.2km/s，是飞行器摆脱地球引力所需的最小速度。

第三宇宙速度为16.7km/s，是飞行器摆脱太阳引力、飞出太阳系所需的最小速度。

概念深化

问题

为什么即使达到了第二宇宙速度，飞行器仍不能飞出太阳系？

答案

第二宇宙速度仅能使飞行器克服地球引力，脱离地球束缚，但此时它仍在太阳引力场中运行，继续绕太阳公转。要飞出太阳系，必须进一步克服太阳的引力，这需要更大的动能，对应第三宇宙速度16.7km/s。因此，脱离地球不等于脱离太阳系，必须逐级突破引力束缚。

新知巩固

例题1

一颗绕地球做匀速圆周运动的卫星与地心的距离为地球半径的2倍，卫星圆形轨道平面与地球赤道平面重合，卫星的运行周期为T。下列判断正确的是（）

A．卫星的运行周期T约为近地卫星运行周期的2倍

B．卫星的运行速度约为第一宇宙速度的2倍

C．卫星运行轨道上各点的重力加速度为地球表面重力加速度的14

D．卫星运行一周，太阳能板收集光能的时间约为

解答

卫星绕地球做匀速圆周运动，万有引力提供向心力：

Gmm地r

又由周期公式：T=2πr

设地球半径为R，则该卫星轨道半径r=2R。

近地卫星轨道半径约为R，其周期记为T0。

则TT0

速度关系：v=Gm地r∝1r，

重力加速度由g′=Gm地r2计算，

r=2R

卫星在赤道平面内运行，太阳光从外部照射。当卫星处于地球阴影区时无法接收光照。

轨道半径r