2020学年高中物理第七章万有引力与宇宙航行第四节宇宙航行教案新人教版必修第二册
宇宙航行教学设计
教
学
过
程
人造地球卫星。
你知道这个速度究竟有多大吗？
【教师引导】我们可以从运动和受力分析入手，
用万有引力定律和牛顿第二定律进行求解。
讲授新课：
（1）宇宙速度
【教师引导】物体在地球附近绕地球运动时，太
阳的作用可以忽略。
在简化之后，物体只受到指向地心的引力作用，物体绕地球的运动可视作匀速圆周运动。
【教师补充】设地球的质量为，物体的质量
为m，速度为v，它到地心的距离为r。
万有引力提供物体运动所需的向心力，所以
，由此解出
【思考与讨论】已知地球的质量与半径，上式求解。
【学生小组交流】
【教师总结】
这就是物体在地球附近绕地球做匀速圆周运动学生经过老师引导，思考
如何计算宇宙速度
需要学生小组交流，动手
计算
趣，引出本节
课题
通过联系之前
已知的知识，
思考计算第一
宇宙速度的原
理
锻炼学生的计
的速度，叫做第一宇宙速度。
第二宇宙速度：在地面附近发射飞行器，使其克
服地球引力永远离开地球所需的最小发射速度。
第三宇宙速度：在地面附近发射飞行器，能够挣
脱太阳引力的束缚飞到太阳系外的最小发射速
度。
【教师补充引导】如何理解宇宙速度并且应用在
题中？
1、对宇宙速度的理解
（1）当地面上的水平发射速度达到第一宇宙速
度时，即7.9 km/s时，物体贴近地球表面
做匀速圆周运动，不再落回地面。
当发射速度小
于7.9 km/s时，物体最终落回地面，所以第一
宇宙速度是发射人造卫星的最小速度。
（2）当在地面的发射速度满足11.2
km/s 7.9 km/s时，卫星绕地球运行的轨
道是椭圆轨道，地球位于椭圆的一个焦点上。
（3）当在地面的发射速度满足16.7
km/s11.2 km/s时，卫星将脱离地球的
束缚，成为太阳系的一颗“小行星”或绕其他行
星运动的卫星。
2、第一宇宙速度的理解
（1）“最小发射速度”：向高轨道发射卫星比向
低轨道发射卫星困难，因为发射高轨道卫星要克
服地球引力做的功多(后面学习)。
近地圆轨道是
引导学生思考理解宇宙速
度在计算中的应用，并且
用物理知识解答说明
算推导的能力
人造卫星的最低运行轨道，而此时的速度就是第
一宇宙速度，所以第一宇宙速度是发射人造卫星
的最小速度。
在地面上的发射速度如果小于第一
宇宙速度，物体会落回地球，不能成为卫星。
（2）“最大环绕速度”：在所有环绕地球做匀
速圆周运动的卫星中，近地卫星的轨道半径最
小，由可得，轨道半径越小，
线速度越大，所以在这些卫星中，近地卫星的线
速度即第一宇宙速度是最大环绕速度。
3、卫星的运行速度和发射速度的区别
由得，指的是卫星在
轨道上运行时的速度，其大小随轨道半径的增大
而减小，所以卫星的运行速度。
但
由于卫星在发射过程中要克服地球引力做功(后
面学习)，所以将卫星发射到离地球越远的轨道
上，在地面上所需要的发射速度越大，因而卫星
的最小发射速度为。
4、第一宇宙速度的求解方法
（1）环绕法：，其中,得
（2）代换法：地球表面卫星受到的地球引力等
于尹星在地面的重力，由得。
注意：（1）任何天体都有“第一宇宙速度”，求
解方法与地球第一宇宙速度的求解方法相同。
通过思考与讨论，正确的
理解第一宇宙速度
理解三个宇宙
速度，记住宇
宙速度的数值
引导学生自主
总结宇宙速度
的计算方法，
(2)由“第一宇宙速度”的计算式可以看出，“第一宇宙速度”的值由中心天体决定，“第一宇宙速度”的大小取决于中心天体的质量和半径，与卫星无关。
（2）人造地球卫星
【教师引导】地球同步卫星位于赤道上方高度约
36000km处，因相对地面静止，也称静止卫星。
地球同步卫星与地球以相同的角速度转动，周期与地球自转周期相同。
【学生思考】同步卫星的特点以及卫星变轨与飞船对接
【教师补充引导】（1）同步卫星：相对地面静止的卫星，又叫通信卫星。
（2）运行原理：和地球的其他卫星相同，都是由万有引力提供向心力。
【教师总结】卫星的轨道
（1）卫星绕地球运动的轨道可以是椭圆轨道，也可以圆轨道。
（2）卫星绕地球沿椭圆轨道运行时，地心是椭圆的一个焦点，其周长和半长轴的关系，遵循开普勒第三定律。
（3）卫星绕地球沿圆轨道运行时，由于地球对卫星的万有引力提供了卫星绕地球运动的向心力，而万有引力指向地心，所以地心必然是圆轨道的圆心。
【教师补充】（1）卫星的变轨
卫星在运动中的“变轨” 有两种情况：离心运动和近心运动。
当万有引力恰好提供卫星所需的了解认识人造地球卫星
了解卫星变轨的情况，理
解变轨时卫星速率的变化
在题中应用的
情况
向心力，即，卫星做匀速圆周运动；当某时刻速度发生突变，所需的向心力也会发生突变，而突变瞬间万有引力不变。
①制动变轨：卫星的速率变小时，使得万有引力大于所需向心力，即，卫星做近心运动，轨道半径将变小。
所以要使卫星的轨道半
径变小，需开动发动机使卫星做减速运动。
②加速变轨：卫星的速率变大时，使得万有引力小于所需向心力，即，卫星做离心运动，轨道半径将变大。
所以要使卫星的轨道半径变大，需开动发动机使卫星做加速运动。
（2）飞船的对接
①低轨道飞船与高轨道空间站对接：如图甲所示，低轨道飞船通过合理加速，沿椭圆轨道做离心运动，追上高轨道空间站与其完成对接。
②同一轨道飞船与空间站对接：如图乙所示，后面的飞船先减速降低高度，再加速提升高度，通过适当控制，使飞船追上空间站时恰好具有相同的速度。
（3）载人航天与太空探索锻炼学生的理解和解决实际的能力，知道卫星的运行以及解决天体运动的基本方法
【教师引导】2003年10月15日9时，我国神舟五号宇宙飞船把中国第一位航天员杨利伟送入太空。
飞船绕地球飞行14圈后安全降落。
这
标志着中国成为世界上能够独立开展载人航天活动的国家。
在载人航天方面，继神舟五号之后，截至2017年底，我国已经将11名(14人次)航天员送人太空，包括两名女航天员。
除了载人航天工程，我国还在许多方面进行着太空探索。
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进行自动交会对接、自主决速交会对接等3次交会对接及多项实验。
课堂练习：
1、下列关于三种宇宙速度的说法正确的是( )
A.第一宇宙速度,第二宇宙速度了解我国以及世界上载人航天事业
,则人造卫星绕地球在圆轨道上运行时的速度大于等于,小于
B.美国发射的“凤凰号”火星探测卫星,其发射速度大于第三宇宙速度
C.第二宇宙速度是在地面附近使物体可以挣脱地球引力束缚,成为绕太阳运行的人造卫星的最小发射速度
D.第一宇宙速度（7.9km/s）是人造地球卫星绕地球做圆周运动的最大运行速度
答案：CD
2、2018年3月30日，我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭，以“一箭双星”方式成功发射第三十、三十一颗北斗导航卫星。
按照计划，北斗卫星导航系统将于2018年底服务“一带一路”沿线国家。
已知“北斗第三十颗导航卫星”做匀速圆周运动的轨道半径小于地球同步卫星轨道半径，运行速度为v，向心加速度为a；地球表面的重力加速度为g，引力常量为G。
下列判断正确的是( )
A. 地球质量为
4 v Ga
B. 该导航卫星的运行周期大于24 小时
C. 该导航卫星的轨道半径与地球半径之比为
:g a
D. 该导航卫星的运行速度与地球第一宇宙速度之比:a g
答案：AC
3、地球表面的重力加速度为g，地球自转的周期为T，地球同步卫星的轨道半径为地球半径的n倍。
则下列说法正确的是（）学生练习
巩固本节知识
A.地球同步卫星的周期为T
B.地球同步卫星的周期为
2
1
T
n
C.地球同步卫星的加速度大小为
2
1
g
n
D.地球同步卫星的加速度大小为
1
g
n
答案：AC
4、如图所示，1、2、3分别是A、B、C三颗卫
星绕地球运行的轨道，1、2是圆轨道，3是椭圆
轨道，其中1是近地轨道， P为椭圆轨道的近
地点,Q为2、3两个轨道的一个交点，则下列说
法正确的是（）
A.三颗卫星的线速度均不超过地球的第一宇宙
速度
B.卫星B和卫星C的线速度大小有可能在某时刻
相等
C.在Q点，卫星B的加速度—定大于卫星C的加
速度
D.卫星A的周期最小，卫星B的周期最大
答案：B
5、卫星在到达预定的圆周轨道之前,运载火箭的
最后一节火箭仍和卫星连接在一起(卫星在前,
火箭在后),先在大气层外某一轨道a上绕地球
做匀速圆周运动,然后启动脱离装置,使卫星加
速并实现星箭脱离,最后卫星到达预定轨道b。
学生练习
巩固本节知识。
2020_2021学年新教材高中物理第七章万有引力与宇宙航行4宇宙航行学案新人教版必修2
4.宇宙航行知识结构导图核心素养目标物理观念：宇宙速度、近地卫星和同步卫星． 科学思维：由万有引力提供向心力得出卫星环绕规律． 科学探究：探究人造卫星运行规律．科学态度与责任：万有引力定律在卫星环绕问题中的应用，为我国的航天事业做出贡献知识点一 宇宙速度阅读教材第59～60页“宇宙速度”部分． 1．人造地球卫星的发射原理(1)牛顿的设想：在高山上水平抛出一个物体，当初速度足够大时，它将会围绕地球旋转而不再落回地球表面，成为一颗绕地球转动的人造地球卫星．(2)原理：一般情况下可认为人造地球卫星绕地球做________运动，向心力由地球对它的________提供，即Gm 地mr 2＝________，则卫星在轨道上运行的线速度v ＝ Gm 地r. 2．宇宙速度 (1)第一宇宙速度①定义：物体在地球附近绕地球做________运动的速度，叫作第一宇宙速度(first cosmic velocity)．②大小：________ km/s(2)第二宇宙速度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，永远离开地球．我们把11.2 km/s叫作第二宇宙速度(second cosmic velocity)．(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(third cosmic velocity)．理解：牛顿的设想平抛物体水平初速度逐渐增大，物体的落地点将越来越远，若抛出物体的水平初速度足够大，它将绕地球运动并成为地球的一颗卫星．图解：知识点二人造地球卫星2019年5月17日23时48分，我国在西昌卫星发射中心成功发射了第45颗北斗导航卫星．该卫星属地球静止道卫星阅读教材第60～61页“人造地球卫星”部分．1．卫星的发射．(1)1957年10月4日，世界上第一颗人造地球卫星发射成功．(2)1970年4月24日，我国第一颗人造地球卫星“东方红1号”发射成功，开创了中国航天史的新纪元．(3)目前在轨有效运行的卫星有上千颗，其中的通信、导航、气象等卫星已极大地改变了人类的生活．2．同步卫星的特点地球同步卫星位于赤道上方高度约______处，因相对地面静止，也称________卫星．地球同步卫星与地球以__________的角速度转动，周期与地球自转周期________．知识点三载人航天与太空探索阅读教材第61～62页“载人航天与太空探索”部分．(1)1961年4月12日，苏联航天员加加林进入了________载人飞船．(2)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．(3)2003年10月15日9时，我国________宇宙飞船把中国第一位航天员杨利伟送入太空．(4)在载人航天方面，继神舟五号之后，截至2017年底，我国已经将________(14人次)航天员送入太空，包括两名女航天员．(5)2013年6月，神舟十号分别完成与________空间站的手动和自动交会对接．(6)2016年10月19日，神舟十一号完成与________空间站的自动交会对接．(7)2017年4月20日，我国又发射了货运飞船________，入轨后与天宫二号空间站进行自动、自主快速交会对接等3次交会对接及多项实验．【思考辨析】判断正误，正确的画“√”，错误的画“×”．(1)发射人造地球卫星需要足够大的速度．( )(2)卫星绕地球运行不需要力的作用．( )(3)卫星的运行速度随轨道半径的增大而增大．( )(4)绕地球做圆周运动的人造卫星的速度可以是10 km/s.( )(5)在地面上发射人造地球卫星的最小速度是7.9 km/s.( )(6)要发射一颗月球人造卫星，在地面的发射速度应大于16.7 km/s.( )要点一宇宙速度发射卫星，要有足够大的速度才行，请思考：(1)不同星球的第一宇宙速度是否相同？第一宇宙速度的决定因素是什么？(2)人造地球卫星离地面越高，其线速度越小，那么发射起来是不是越容易？1.第一宇宙速度(环绕速度)：人造卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动所具有的速度，也是人造地球卫星的最小发射速度．2．第二宇宙速度(脱离速度)：在地面上发射物体，使之能够脱离地球的引力作用，成为绕太阳运动的人造行星或绕其他行星运动的人造卫星所必需的最小发射速度11.2 km/s.3．第三宇宙速度(逃逸速度)：在地面上发射物体，使之脱离太阳的引力作用，飞到太阳系以外的宇宙空间所必需的最小速度．4．在地面的发射速度7.9 km/s<v<11.2 km/s时，物体的运行轨迹不是圆，而是椭圆．点睛：宇宙速度均指发射速度，卫星的环绕速度一定小于其发射速度.题型一 对第一宇宙速度的理解【例1】 (多选)下列关于三种宇宙速度的说法中正确的是( ) A ．人造地球卫星绕地球在圆轨道上运行时的速度7.9 km/s ≤v <11.2 km/s B ．美国发射的凤凰号火星探测卫星，其发射速度大于第三宇宙速度C ．第二宇宙速度是在地面附近使物体可以挣脱地球引力束缚，成为绕太阳运行的人造小行星的最小发射速度D ．第一宇宙速度7.9 km/s 是人造地球卫星绕地球做圆周运动的最大运行速度 题型二 第一宇宙速度的计算【例2】 若取地球的第一宇宙速度为8 km/s ，某行星的质量是地球质量的6倍，半径是地球半径的1.5倍，此行星的第一宇宙速度约为( )A ．16 km/sB ．32 km/sC ．4 km/sD ．2 km/s 点睛：第一宇宙速度的三种求解方法 ①若已知中心天体质量M ，则可通过v ＝GMR求解． ②若已知中心天体表面的重力加速度g ，则可由公式v ＝g R 求解． ③若已知该星球表面卫星的转动周期T ，则可由v ＝2πRT求解．练1 假设某绕月运行的探月卫星的轨道是圆形的，且贴近月球表面．已知月球的质量约为地球质量的181，月球的半径约为地球半径的14，地球上的第一宇宙速度约为7.9 km/s ，则该探月卫星绕月运行的速率约为( )A ．0.4 km/sB ．1.8 km/sC ．11 km/sD ．36 km/s 练2如图所示，牛顿在思考万有引力定律时就曾设想，把物体从高山上以不同大小的速度v 水平抛出，速度一次比一次大，落地点也就一次比一次远．如果速度足够大，物体就不再落回地面，它将绕地球做圆周运动，成为人造地球卫星，则下列说法正确的是( )A ．落到A 点的物体做的是平抛运动B ．以v <7.9 km/s 的速度抛出的物体可能沿B 轨道运动C ．以7.9 km/s<v <11.2 km/s 的速度抛出的物体可能沿C 轨道运动D ．以11.2 km/s<v <16.7 km/s 的速度抛出的物体将沿C 轨道运动要点二 人造卫星的运行规律如图所示，在地球的周围，有许多的卫星在不同的轨道上绕地球转动． (1)这些卫星的轨道平面有什么特点？(2)这些卫星的线速度、角速度、周期、向心加速度等跟什么因素有关呢？1.人造卫星的运动规律(1)人造卫星的线速度、角速度、周期均与人造卫星的质量无关．(2)轨道半径越大，线速度越小，角速度越小，周期越长．常用规律表达式：①由GMmr2＝mv2r可得：v＝GMr，r越大，v越小．②由GMmr2＝mω2r可得：ω＝GMr3，r越大，ω越小．③由GMmr2＝m⎝⎛⎭⎪⎫2πT2r可得：T＝2πr3GM，r越大，T越大．④由GMmr2＝ma可得：a＝GMr2，r越大，a越小．点睛：当r增大时⎩⎪⎨⎪⎧v减小ω减小T增大a n减小高轨低速长周期2.同步卫星的特点特点理解定周期运行周期与地球自转周期相同，T＝24 h．定轨道平面所有地球同步卫星的轨道平面均在赤道平面内．定高度离地面高度约为3.6×104 km.定速率运行速率为3.1×103 m/s.定点每颗同步卫星都定点在世界卫星组织规定的位置上．定加速度由于同步卫星高度确定，则其轨道半径确定，因此向心加速度大小不变.题型一人造卫星的运动规律【例3】北斗问天，国之夙愿．我国北斗三号系统的收官之星是地球静止轨道卫星，其轨道半径约为地球半径的7倍．与近地轨道卫星相比，地球静止轨道卫星( )A．周期大 B．线速度大C．角速度大 D．加速度大拓展：不同高度处人造地球卫星的环绕速度及周期如表所示：高度/km 环绕速度(km·s－1)周期0 7.9 84 min36 000 (同步道) 3.123小时56分380 000(月球道)0.97 27天题型二同步卫星【例4】下列关于同步卫星的说法正确的是( )A．同步卫星和地球自转同步，卫星的高度和速率是确定的B．同步卫星的角速度是确定的，但高度和速率可以选择，高度增加，速率增大，且仍保持同步C．一颗人造地球卫星的周期是114 min，比同步卫星的周期短，所以这颗人造地球卫星离地面的高度比同步卫星的高D．同步卫星的速率比地球大气层附近的人造卫星的速率大练3 (多选)如图是地球的四颗不同的卫星，它们均做匀速圆周运动，以下说法正确的是( )A．四颗卫星的轨道平面必过地心B．近地卫星的周期可以大于24小时C．同步卫星可以和月亮一样高D．理论上极地卫星可以和同步卫星一样高练4 三颗人造地球卫星A、B、C在同一平面内沿不同的轨道绕地球做匀速圆周运动，且绕行方向相同，已知R A<R B<R C.若在某一时刻，它们正好运行到地球同侧的同一条直线上，如图所示．那么再经过卫星A的四分之一周期的时间，卫星A、B、C的位置可能是下图中的( )拓展：卫星的轨道①赤道轨道：卫星轨道在赤道平面内，卫星始终处于赤道上方． ②极地轨道：卫星轨道平面与赤道平面垂直，卫星经过两极上空． ③其他轨道：卫星轨道和赤道平面成一定角度(不为90 °)．练5 在距地面不同高度的太空有许多飞行器．其中“天舟一号”距地面高度约为393 km ，哈勃望远镜距地面高度约为612 km ，“张衡一号”距地面高度约为500 km.若它们绕地球的运动均可视为圆周运动，则( )A ．“天舟一号”的加速度大于“张衡一号”的加速度B ．哈勃望远镜的线速度大于“张衡一号”的线速度C ．“天舟一号”的周期大于哈勃望远镜的周期D ．哈勃望远镜的角速度大于“张衡一号”的角速度点拨：本题重点考查卫星做圆周运动的相关问题，解题的关键是明确飞行器的动力学原理均为万有引力提供其做圆周运动的向心力，结合牛顿第二定律列式分析即可．思考与讨论 (教材P 60)有人说，第一宇宙速度也可用v ＝gR (式中g 为重力加速度，R 为地球半径)算出，你认为正确吗？提示：正确．环绕地球表面匀速圆周运动的人造卫星需要的向心力，由地球对卫星的万有引力提供，即G Mm R 2＝m v 2R ，则v ＝GMR① 在地面附近有G Mm R 2＝mg ，可得GM ＝gR 2，将其代入①式，有v ＝gR 2R＝gR .1．(多选)关于人造卫星，下列说法中正确的是( )A．人造卫星环绕地球运行的速度可能为5.0 km/sB．人造卫星环绕地球运行的速度可能为7.9 km/sC．人造卫星环绕地球运行的周期可能为80 minD．人造卫星环绕地球运行的周期可能为200 min2．关于地球同步卫星，下列说法正确的是( )A．它处于平衡状态且具有一定的高度B．它的向心加速度等于9.8 m/s2C．它的周期是24 h，且轨道平面与赤道平面重合D．它绕行的速度大于7.9 km/s3．2019年5月17日，我国成功发射第45颗北斗导航卫星，该卫星属于地球静止轨道卫星(同步卫星)．该卫星( )A．入轨后可以位于北京正上方B．入轨后的速度大于第一宇宙速度C．发射速度大于第二宇宙速度D．若发射到近地圆轨道所需能量较少4．“神舟十号”航天员王亚平在“天宫一号”进行了我国首次太空授课活动，在太空中王亚平演示了一些奇特的物理现象，如图所示是王亚平在太空舱中演示的悬浮的水滴．关于悬浮的水滴，下列说法正确的是( )A．环绕地球运行的线速度一定大于7.9 km/sB．水滴处于平衡状态C．水滴处于超重状态D．水滴处于失重状态5.a、b、c、d是在地球大气层外的圆形轨道上运行的四颗人造卫星．其中a、c的轨道相交于P，b、d在同一个圆轨道上，b、c轨道在同一平面上．某时刻四颗卫星的运行方向及位置如图所示．下列说法中正确的是( )A．a、c的加速度大小相等，且大于b的加速度B．b、c的角速度大小相等，且小于a的角速度C．a、c的线速度大小相等，且小于d的线速度D．a、c有在P点相撞的危险6．[新题型]情境：2019年3月10日0时28分，我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭，成功将“中星6C”卫星发射升空，卫星进入预定轨道．“中星6C”卫星是一颗用于广播和通信的地球静止轨道通信卫星，离地面的高度大约为地球半径的6倍．问题：“中星6C”卫星的运行速度与第一宇宙速度之比大约为多少？温馨提示：请完成课时作业十一4．宇宙航行课前自主学习知识点一＝GM R2＝9.8 m/s 2，设同步卫星离地面的高度为h ，则a ′＝GM R ＋h2<9.8 m/s 2，故B 错误；它的周期是24 h ，且轨道平面与赤道平面重合，故C 正确；地球同步卫星在轨道上的绕行速度约为3.1 km/s ，小于7.9 km/s ，故D 错误．答案：C3．解析：本题考查了有关人造卫星、宇宙航行的知识以及万有引力定律在航天中的应用，体现了对考生综合分析能力和科学推理能力的考查．因地球静止轨道卫星(同步卫星)的运行轨道在地球赤道正上方，故该北斗导航卫星入轨后不能位于北京正上方，选项A 错误；第一宇宙速度在数值上等于地球近地卫星的线速度，由万有引力提供向心力GMm r 2＝mv 2r ，可得v ＝GMr，同步卫星的轨道半径大于近地卫星的轨道半径，则同步卫星入轨后的速度小于第一宇宙速度，故选项B 错误；地球卫星的发射速度应大于等于第一宇宙速度，小于第二宇宙速度，选项C 错误；近地卫星的高度小，发射时所需的能量较少，故选项D 正确．答案：D4．解析：7.9 km/s 是卫星环绕地球做匀速圆周运动的最大速度，所以“神舟十号”飞船的线速度要小于7.9 km/s ，故A 错误；水滴随飞船绕地球做匀速圆周运动，水滴的万有引力完全用来提供向心力，所以水滴处于完全失重状态，故B 、C 错误，D 正确．答案：D5．解析：由G Mm r 2＝m v 2r ＝mr ω2＝mr 4π2T2＝ma ，可知B 、C 错误，A 正确，a 、c 的周期相等，故永远不相撞，D 错误．答案：A6．解析：设地球的半径为R ，则“中星6C ”卫星的轨道半径为7R .设地球的第一宇宙速度为v 1，则有：G Mm R 2＝m v 21R①设“中星6C ”卫星的运行速度为v 2，则有：G Mm7R 2＝m v 227R② 解①②得：v 2:v 1＝1:7. 答案：1:7。
2020-2021学年新教材物理人教版必修第二册教案：第7章4.宇宙航行
4．宇宙航行学习目标：1.[科学思维]了解人造地球卫星的最初构想，会推导第一宇宙速度。
2.[科学思维]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并解决涉及人造地球卫星运动的较简单的问题。
3.[科学思维]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。
4.[科学态度与责任]了解宇宙航行的历程和进展，感受人类对客观世界不断探究的精神和情感。
阅读本节教材，回答第59页“问题”并梳理必要知识点。
教材第59页“问题”提示：这个速度是7.9 km/s 。
一、宇宙速度 1．第一宇宙速度(1)物体绕地球速度推导：物体绕地球的运动可视作匀速圆周运动，万有引力提供物体运动所需的向心力，有G mm 地r 2＝m v 2r ，由此解出v ＝Gm 地r (m 地为地球质量，r 为物体做圆周运动的轨道半径)。
(2)数值：已知地球的质量，近似用地球半径R 代替r ，算出v ＝Gm 地R ＝7.9 km/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。
第一宇宙速度的其他三种叫法：最小发射速度、最大环绕速度、近地绕行速度。
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，永远离开地球。
我们把11.2 km/s 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。
图解三个宇宙速度1．同步卫星：地球同步卫星位于赤道上方高度约36 000 km处，因相对地面静止，也称静止卫星。
地球同步卫星与地球以相同的角速度转动，周期与地球自转周期相同。
2．1957年10月，苏联成功发射了世界上第一颗人造地球卫星。
1969年7月，美国“阿波罗11号”登上月球。
2003年10月15日，我国“神舟五号”把航天员杨利伟送入太空。
1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)卫星的运行速度随轨道半径的增大而增大。
2020_2021学年新教材高中物理第七章万有引力与宇宙航行4宇宙航行课件新人教版必修第二册2021
T 2
(2)mg= G M m ,在天体表面上物体的重力等于它受到的引力,可得gR2=GM,该公式
R2
称为黄金代换。
课堂互动探究
【主题一】宇宙速度 【生活情境】
【问题探究】 牛顿曾提出过一个著名的思想实验: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,物体做什么运动? 提示:平抛运动。 (2)当物体刚好不落回地面时,物体做什么运动? 提示:物体绕地球表面做匀速圆周运动。
A.根据v= g r ,可知vA<vB<vC B.根据万有引力定律,可知卫星所受地球引力FA>FB>FC C.角速度ωA>ωB>ωC D.向心加速度aA<aB<aC
【补偿训练】
1.如图所示,若两颗人造卫星a和b均绕地球做匀速圆周运动,a、b到地心O
的距离分别为r1、r2,线速度大小分别为v1、v2,则
【素养训练】
1.(2020·天津等级考)北斗问天,国之夙愿。我国北斗三号系统的收官之星是
地球静止轨道卫星,其轨道半径约为地球半径的7倍。与近地轨道卫星相比,地
球静止轨道卫星( )
A.周期大
B.线速度大
C.角速度大
D.加速度大
2.如图所示是在同一轨道平面上的三颗不同的人造地球卫星,关于各物理量的 关系,下列说法正确的是( )
【素养训练】
1.(多选)下列关于三种宇宙速度的说法中正确的是
()
A.第一宇宙速度v1=7.9 km/s,第二宇宙速度v2=11.2 km/s,则人造卫星绕地球在 圆轨道上运行时的速度大于等于v1,小于v2 B.美国发射的凤凰号火星探测卫星,其发射速度大于第三宇宙速度
2024-2025学年新教材高中物理第七章万有引力与宇宙航行4宇宙航行(2)教案新人教版必修2
-利用物理实验室或教室多媒体设备，进行轨道运动、向心加速度等实验。
-引导学生观察实验现象，分析实验结果，加深对物理原理的理解。
教学手段：
1.多媒体设备：利用多媒体课件、视频、动画等形式，生动展示宇宙航行的相关知识，提高学生的学习兴趣。
-以教材为核心，结合实际问题进行讲解，使学生能够将理论知识与实际应用相结合。
-针对学生的疑问进行解答，巩固所学知识，提高学生的理解能力。
2.讨论法：组织学生进行小组讨论，针对宇宙航行中的实际问题进行探讨，培养学生独立思考、合作解决问题的能力。
-设计具有启发性的问题，引导学生主动探索，提高课堂氛围。
-鼓励学生发表自己的观点，倾听他人的意见，形成良好的交流与互动。
教学资源：
1.教材：新人教版必修2第七章万有引力与宇宙航行
2.辅助材料：网络资源、科普书籍、教学视频等
注意事项：
1.确保教学内容与教材紧密联系，遵循教学大纲要求。
2.注重培养学生的思考问题与解决问题的能力。
3.关注学生的个体差异，因材施教，提高教学质量。
核心素养目标分析
本节课围绕“宇宙航行”主题，旨在培养学生的物理学科核心素养。通过学习宇宙航行的基本概念与原理，引导学生形成以下几方面的能力：
重点题型整理
示例1：计算宇宙飞行器在圆形轨道上的向心加速度和速度。
-给定条件：已知地球的质量M、半径R以及宇宙飞行器在地球表面上的重力加速度g。
-解答步骤：
1.使用牛顿万有引力定律计算地球对宇宙飞行器的引力F：F = G * M * m / r^2，其中G为万有引力常数，m为宇宙飞行器的质量，r为飞行器到地心的距离。
人教版高中物理新教材必修第二册第7章-万有引力与宇宙航行-教案
星环绕天体表面运动的周期 T,就可估测出
中心天体的密度.
75
7.
4 宇宙航行
宇宙
数值
速度
(
km/
s)
意义
是人造地球卫星的最
第一宇宙速
度(环绕速度)
小发 射 速 度,也 是 人
7.
9
造地球卫星绕地球做
圆周运动的最大运行
速度.
第二宇宙速
度(脱离速度)
第三宇宙速
度(逃逸速度)
使物体挣脱地球引力
11.
v
m
r
2
v2
m
Mm
G 2 =man = r
r
mrω2
4π2
m 2r
T
2.天体表面问题
不计天体自转的影响,在 天 体 表 面 上 的
物体受 到 的 重 力 近 似 等 于 其 所 受 的 万 有 引
力,即 mg=G
速度g 时使用).其中 M 为该天体的质量,
R
为该天体的半径,
g 为相应天体表面的重力加
Mm
=m
r2
v2
4π2
v2r ω2r3
=mω2r=m 2r,可得 M =
=
=
r
G
G
T
4π2r3
,
可知已知核心舱的质量和绕地半径、已
GT2
知核心舱的质量和绕地周期以及已知核心舱
6)绕 行 方 向 一 定:与 地 球 自 转 的 方 向
一致.
7.
5 相对论时空观和牛顿力学的局限
一 经典时空观
(
1)在经典力学中,物体的质量是不随速
度的改变而改变的.
假设某飞船沿圆轨道绕火星飞行,其周期也
人教版必修第二册课件宇宙航行4(共38张PPT)
探究一 宇宙速度 问题情境 已知地球的质量为m地=5.98×1024 kg,近地卫星绕地球做匀 速圆周运动的轨道半径等于地球半径r=R=6.4×106 m,地球 表面附近的重力加速度g取9.8 m/s2.请用两种方法推导地球 的第一宇宙速度史的新纪元.
在地球的周围,有许多卫星在不同的轨道上绕地球转动,如图所示. 1970年4月24日,我国第一颗人造地球卫星—— (2)极地轨道:卫星轨道平面与赤道平面垂直,卫星通过两极上空. 阅读教材第60~61页,完成下列问题.
(名称)发射成功,开创了中国航天史的新纪元.
2.阅读教材第59~60页,完成下列问题. (1)第一宇宙速度:v= 7.9 km/s ,在地面附近发射飞行器,如果 速度大于第一宇宙速度而小于11.2 km/s,它会绕地球做椭圆. 运动 . (2)第二宇宙速度:v= 11.2 km/s ,当飞行器的速度等于或者大 于第二宇宙速度时,它会挣脱地球的束缚,成为绕 太阳 运行 的人造行星. (3)第三宇宙速度:v= 16.7 km/s,使卫星挣脱 太阳 束缚的最 小发射速度,也称为逃逸速度.
甲
乙
1.这些卫星运动的向心力都是由什么力提供的?这些卫星的
轨道平面有什么特点?
答案:卫星运动的向心力由地球对卫星的万有引力提供,所有
卫星的轨道平面都经过地心.
2.这些卫星的线速度、角速度、周期跟什么因素有关呢?
3.为什么发射速度越大,运行速度反而更小呢?这是否违 反了能量守恒定律?
过程建构 1.地球人造卫星轨道特点. 人造卫星的轨道可以是椭圆轨道,也可以是圆轨道.圆轨道 的圆心都在地心,椭圆轨道其中一个焦点在地心. 2.三类人造地球卫星轨道. (1)赤道轨道:卫星轨道在赤道平面,卫星始终处于赤道上方. (2)极地轨道:卫星轨道平面与赤道平面垂直,卫星通过两极 上空. (3)一般轨道:卫星轨道和赤道成任一角度.
2019-2020学年人教版(2019)必修2 7.4宇宙航行 教案
宇宙航行参考答案：不能这样说。
这是因为如果发射速度小于7.9km/s，炮弹将落到地面，而不能成为一颗卫星；发射速度等于7.9km/s，它将在地面附近作匀速圆周运动；要发射一颗半径大于地球半径的人造卫星，发射速度必须大于7.9km/s。
可见，向高轨道发射卫星比向低轨道发射卫星要困难。
（4）第一宇宙速度意义第一宇宙速度是人造卫星在地面附近环绕地球作匀速圆周运动所必须具有的速度，所以也称为环绕速度。
在地面附近发射飞行器，如果速度等于7.9km/s，这一飞行器只能围绕地球做圆周运动，还不能脱离地球引力的束缚，飞离地球实现星际航行。
思考：若卫星的发射速度大于7.9km/s，会出现什么情况？若卫星的发射速度大于7.9km/s，绕地球运动的轨迹不再是圆，而是椭圆，发射速度越大，椭圆轨道越“扁”。
当飞行器的发射速度等于或大于11.2km/s时，它就会克服地球的引力，永远离开地球。
学生思考讨论学生阅读课文了解发射速度大于7．9km/s轨迹是椭圆，等于或大于11．2km/s，永远离开地球。
锻炼学生的自主学习能力2、第二宇宙速度大小：v=11.2km/s。
（1）当飞行器的速度等于或大于11.2km/s时，它就会克服地球的引力，永远离开地球。
我们把11.2km/s叫作第二宇宙速度。
（2）意义：使卫星挣脱地球的束缚，成为绕太阳运行的人造行星的最小发射速度，也称为脱离速度。
注意：达到第二宇宙速度的飞行器还无法脱离太阳对它的引力。
3、第三宇宙速度大小：v=16.7km/s（1）当物体的速度等于或大于16.7km/s 时，物体可以挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的宇宙空间。
我们把16.7km/s叫做第三宇宙速度。
（2）意义：使卫星挣脱太阳引力束缚的最小发射速度，也称为逃逸速度。
说出第二宇宙速度和第三宇宙速度学生动手推导出卫星运行时，其a n、v、ω、T，分别掌握推导过程，理解r越大a n越小、v越小、ω越小、T越大。
其半径R不大于2Gm/c2时这种天体称为黑洞。
人教版 高中物理宇宙航行教案
人教版高中物理宇宙航行教案一、教学目标1. 让学生了解和掌握宇宙航行的基本概念和原理，如星系、恒星、行星、宇宙速度等。
2. 培养学生运用物理知识解决实际问题的能力，如计算宇宙飞行器的轨道、速度等。
3. 提高学生对宇宙探索和航天技术的兴趣和认识，培养学生的创新精神和科学素养。
二、教学内容1. 宇宙的基本组成：星系、恒星、行星等。
2. 宇宙速度：第一宇宙速度、第二宇宙速度、第三宇宙速度。
3. 宇宙飞行器的轨道：椭圆轨道、圆形轨道、抛物线轨道。
4. 宇宙飞行器的发射和返回：发射原理、返回技术。
5. 航天技术的发展和应用：卫星、航天器、载人航天等。
三、教学方法1. 采用问题驱动的教学方法，引导学生主动探究宇宙航行的基本概念和原理。
2. 利用多媒体课件和实物模型，帮助学生直观地理解宇宙航行的相关知识。
3. 组织学生进行小组讨论和实验操作，培养学生的团队协作能力和实践能力。
4. 邀请相关领域的专家或从业人员进行讲座，拓宽学生的知识视野。
四、教学评价1. 课堂问答：检查学生对宇宙航行基本概念和原理的理解。
2. 课后作业：布置相关的计算题和思考题，检验学生对宇宙航行的掌握程度。
3. 小组讨论和实验报告：评估学生在团队协作和实践操作中的表现。
4. 期末考试：全面测试学生对宇宙航行的理解和应用能力。
五、教学资源1. 多媒体课件：介绍宇宙航行的基本概念、原理和实例。
2. 实物模型：展示恒星、行星、宇宙飞行器等。
3. 相关教材和参考书：提供宇宙航行的详细知识。
4. 网络资源：介绍航天技术的发展和应用。
5. 实验设备：进行宇宙航行相关的实验操作。
六、教学安排1. 第1-2课时：介绍宇宙的基本组成，星系、恒星、行星等概念。
2. 第3-4课时：讲解宇宙速度的定义和计算，第一宇宙速度、第二宇宙速度、第三宇宙速度。
3. 第5-6课时：讲解宇宙飞行器的轨道类型及其特点，椭圆轨道、圆形轨道、抛物线轨道。
4. 第7-8课时：讲解宇宙飞行器的发射和返回原理，发射技术、返回技术。
2020-2021学年高中物理 第七章 4 宇宙航行教案 新人教版必修2
2020-2021学年高中物理第七章4 宇宙航行教案新人教版必修2年级：姓名：第4节宇宙航行“宇宙航行”介绍了万有引力的实践性成就，万有引力理论使人类实现“飞天”梦想。
本节课是一节知识应用与扩展的课程，所以设计时注意加大知识含量，引起学生兴趣。
同时注意方法的培养，让学生养成用万有引力是天体运动的向心力这一基本方法研究问题的习惯，避免套公式的不良习惯。
围绕第一宇宙速度的讨论，让学生形成较正确的卫星运动图景。
物理观念：理解卫星的运行速度、周期与半径的关系，建立起关于各种卫星的运行状况的正确图景科学思维：通过用万有引力定律推导第一宇宙速度，培养学生运用知识解决问题的能力科学探究：通过对卫星运动规律的研究，帮助学生建立起关于各种人造地球卫星运行状况的正确图景。
帮助学生养成用万有引力是天体运动的向心力这一基本方法研究问题的习惯科学态度与责任：感知人类探索宇宙的梦想及巨大成就，激发学生学习物理的热情，促使学生树立献身科学的人生观和价值观。
1、教学重点：第一宇宙速度的推导2、教学难点：人造卫星运行速度与卫星发射速度的区别多媒体课件【新课导入】人类对太空存在着各种的幻想，比如古代的嫦娥奔月，明朝万户利用炮竹自制火箭。
随着科技的发展，我国的航天员也在太空中留下了中国人的足迹。
今有王亚平太空授课，而且中国至今发射了几十颗人造卫星。
前面我们了解并学习了万有引力定律的应用，这一节我们着重学习人类是如何应用万有引力定律实现自己探索宇宙的梦想的【新课内容】一、牛顿关于卫星的设想地面上抛出的物体,由于受到地球引力的作用,最终都要落回到地面。
1.月球也要受到地球引力的作用,为什么月亮不会落到地面上来?由于月球在绕地球沿近似圆周的轨道运转,此时月球受到的地球引力,用来充当绕地球运转的向心力,故月球不会落到地面上来.牛顿就曾设想, 从高山上用不同的水平速度抛出物体,速度一次比一次大,则落点一次比一次远,如不计空气的阻力,当速度足够大时, 物体就永远不会落到地面上来.而围绕地球旋转,成为一颗人造地球卫星，简称人造卫星由此可见，人造地球卫星运行遵从的规律是：卫星绕地球做匀速圆周运动，地球对卫星的引力提供向心力。
高中物理第7章万有引力与宇宙航行4宇宙航行课件新人教版必修第二册
所以vv′＝
GM′ R′ ＝ GM R
MM′ R′R＝2，则 v′＝2v＝16 km/s，选项 A 正确。
第一宇宙速度的计算方法 对于任何天体，计算第一宇宙速度时，都是根据万有引力提供向心 力的思路，卫星的轨道半径等于天体的半径，由牛顿第二定律列式计 算。 (1)如果知道天体的质量和半径，可直接列式计算。 (2)如果不知道天体的质量和半径的具体数值，但知道该天体与地球 的质量、半径的比例关系，可分别列出该天体与地球第一宇宙速度的表 达式，用比例法进行计算。
解析：在太空空间站的水和乒乓球都是受重力提供向心力，加速度 为重力加速度，则处于完全失重状态，水是没有浮力的，因此在水中的 乒乓球并不会因浮力而上升，而是继续停在水中，故A正确；完全失重 时水的密度不变，乒乓球的质量不变，空间站的重力加速度较地面小， 则空间站内的乒乓球的重力变小了，故B、C、D错误。
解析：以v<7.9 km/s的速度抛出的物体一定会落回地面，所以可能 落在A点，故A正确，不符合题意；以7.9 km/s<v<11.2 km/s的速度抛出 的物体，在抛出点做离心运动，但不能脱离地球的引力束缚，所以可能 沿C轨道运动，根据开普勒第二定律可知，在远地点的速率必小于7.9 km/s，故B正确，不符合题意；以7.9 km/s<v<11.2 km/s的速度抛出的物 体可能沿C轨道运动，在近地点的速度可以达到7.9 km/s，在远地点速度 小于7.9 km/s，故C错误，符合题意；以11.2 km/s<v<16.7 km/s的速度抛 出的物体会脱离地球的引力束缚，成为太阳系行星，故D正确，不符合 题意。
对点训练❶ 如图所示，牛顿在思考万有引力定律时曾设 想，把物体从高山上O点以不同的速度v水平抛出，速度一次比一次大， 落地点也就一次比一次远。如果速度足够大，物体就不再落回地面，它 将绕地球运动，成为人造地球卫星，则下列说法错误的是( C )