人教版高中物理必修2教學(xué)設(shè)計(jì)

課題宇宙航行單元7學(xué)科物理年級(jí)高一

本節(jié)課所采用的教材是人教版高中物理必修2第七章第4節(jié)的內(nèi)容,本節(jié)重點(diǎn)講述了人

造衛(wèi)星的發(fā)射原理，推導(dǎo)了第一宇宙速度,并介紹了第二、第三宇宙速度。人造衛(wèi)星是萬有

引力定律在天文學(xué)上應(yīng)用的一個(gè)實(shí)例，是人類征服自然的見證，體現(xiàn)了知識(shí)的力量，是學(xué)生

教材學(xué)習(xí)了解現(xiàn)代科技知識(shí)的一個(gè)極好素材。教材不但介紹了人造衛(wèi)星中一些基本理論，更是在

分析其中滲透了很多研究實(shí)際物理問題的物理方法。因此，本節(jié)課是“萬有引力定律與航天”中

的重點(diǎn)內(nèi)容，是學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)研究天體物理問題的理論基礎(chǔ)。另外，學(xué)生通過對(duì)人造衛(wèi)星、

宇宙速度的了解，也將潛移默化地產(chǎn)生對(duì)航天科學(xué)的熱愛，增強(qiáng)民族自信心和自豪感。[來

源

一、教學(xué)目標(biāo)

1.通過閱讀課本資料了解牛頓對(duì)人造衛(wèi)星的猜想、外推的思路和思想，能寫出第一宇宙

速度的推導(dǎo)過程。

2.通過第一宇宙速度的推導(dǎo)總結(jié)，能說出人造地球衛(wèi)星的原理及運(yùn)行規(guī)律。

3.通過閱讀教材第二部分，能夠介紹世界和我國(guó)航天事業(yè)的發(fā)展歷史，感知人類探索宇

教學(xué)宙的夢(mèng)想，激發(fā)愛國(guó)熱情，增強(qiáng)民族自信心和自豪感

目標(biāo)

二、核心素養(yǎng)

與核

物理觀念：能從物理學(xué)的視角正確描述和解釋人造地球衛(wèi)星的運(yùn)行規(guī)律，具備清晰的物

心素

養(yǎng)理觀念。

科學(xué)思維：能在熟悉的情境中運(yùn)用物理模型，能對(duì)衛(wèi)星發(fā)射原理進(jìn)行分析和推理。

科學(xué)探究：能在對(duì)衛(wèi)星發(fā)射原理的基礎(chǔ)上做出假設(shè)，并制定合理的探究路線，從而分析

數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)規(guī)律。

科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：衛(wèi)星的發(fā)射原理是人類在萬有引力定律基礎(chǔ)上科學(xué)家們持續(xù)不斷創(chuàng)造

性發(fā)展的成果，是人類對(duì)宇宙奧秘探索的歷程，增強(qiáng)民族自信心自豪感。

重點(diǎn)第一宇宙速度的推導(dǎo)。

難點(diǎn)第一宇宙速度的推導(dǎo)；環(huán)繞速度與發(fā)射速度的區(qū)分

教學(xué)過程

教學(xué)環(huán)節(jié)教師活動(dòng)學(xué)生活動(dòng)設(shè)計(jì)意圖

導(dǎo)入新課出示視頻：神六的發(fā)射過程學(xué)生觀看視頻為引出本節(jié)課

教師講解：我國(guó)在70年代發(fā)射第一顆衛(wèi)星以了解衛(wèi)星的發(fā)題做鋪墊

來，相繼發(fā)射了多顆不同種類的衛(wèi)星。掌握了衛(wèi)射

星回收技術(shù)和“一箭多星”技術(shù)，99年發(fā)射了“神

舟”號(hào)試驗(yàn)飛船。這節(jié)課，我們要學(xué)習(xí)有關(guān)人造地

球衛(wèi)星的知識(shí)。

講授新課一、牛頓的設(shè)想以學(xué)過的平拋運(yùn)

出示圖片：牛頓動(dòng)知識(shí)引入到人

在1687年出版的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中，造地球衛(wèi)星知識(shí)

牛頓設(shè)想：把物體從高山上水平拋出，速度一次比學(xué)生觀察思考的學(xué)習(xí)，不但使

一次大，落地點(diǎn)也就一次比一次遠(yuǎn)；拋出速度足夠掌握速度越學(xué)生了解科學(xué)探

大時(shí)，物體就不會(huì)落回地面，成為人造地球衛(wèi)星。大，落地點(diǎn)離索的過程，更讓

出示動(dòng)畫：拋出速度足夠大時(shí)，物體就不會(huì)落山腳越遠(yuǎn)，拋學(xué)生體會(huì)到尖端

回地面出速度足夠大科學(xué)的最初設(shè)想

二、宇宙速度時(shí)，物體就不都是從已知的簡(jiǎn)

思考討論：地球上的物體，發(fā)射的速度至少有會(huì)落回地面單科學(xué)知識(shí)出發(fā)

多大才能離開地球進(jìn)行宇宙航行呢？的。

物體在地球附近繞地球運(yùn)動(dòng)時(shí)，太陽的作用可

以忽略。

只受到地球?qū)λ娜f有引力作用，人造衛(wèi)星作

圓周運(yùn)動(dòng)的向心力由萬有引力提供。用萬有引力定

律就可求解。

例1：當(dāng)衛(wèi)星在地面附近繞地球運(yùn)行時(shí)，軌道

半徑為r，地球的質(zhì)量為m地，物體的質(zhì)量為m。

（1）請(qǐng)推導(dǎo)衛(wèi)星繞地球運(yùn)行時(shí)v的表達(dá)式。學(xué)生根據(jù)圓周建立學(xué)生清晰的

（2）已知Ｇ=6.67×10-11Nm2/kg2,地球質(zhì)量運(yùn)動(dòng)的規(guī)律和物理分析思路。

M=5.89×1024kg,萬有引力定律

地球半徑R=6400km＝6.4×106m，求衛(wèi)星繞地計(jì)算衛(wèi)星的運(yùn)

球運(yùn)行時(shí)速度v的大小是多少？行速度。

解：萬有引力提供物體作圓周運(yùn)動(dòng)的向心力。

由此解出：

近地衛(wèi)星在100?200km的高度飛行，遠(yuǎn)小于

地球半徑（6400km），可以近似用地球半徑R代

替衛(wèi)星到地心的距離r。

=7.9km/s

1、第一宇宙速度

（1）定義：物體在地球表面附近繞地球做勻

速圓周運(yùn)動(dòng)的速度，叫作第一宇宙速度。

v=7.9km/s

（2）人造衛(wèi)星的發(fā)射速度與環(huán)繞速度

①發(fā)射速度:指被發(fā)射物體離開地面時(shí)的速學(xué)生記憶理解學(xué)生常常對(duì)環(huán)繞

度。速度與發(fā)射速度

②環(huán)繞速度：指衛(wèi)星在穩(wěn)定的軌道上繞地球不區(qū)分，因此對(duì)

轉(zhuǎn)動(dòng)的線速度。這部分的強(qiáng)調(diào)十

（3）對(duì)第一宇宙速度的理解分必要。

①第一宇宙速度是發(fā)射衛(wèi)星的最小速度，發(fā)射

速度低于它，衛(wèi)星將落回地面而不能繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)。

②第一宇宙速度也是衛(wèi)星剛好能在地球表面

附近繞地球作勻速圓周運(yùn)動(dòng)的最大環(huán)繞速度。

③由知，衛(wèi)星軌道半徑為r越大，

v環(huán)繞越小，但需要的發(fā)射速度v發(fā)射越大。

思考討論：有人說，第一宇宙速度也可用

（式中g(shù)為重力加速度，R為地球

學(xué)生思考討論鍛煉學(xué)生的計(jì)算

半徑）算出，你認(rèn)為正確嗎？

推導(dǎo)第一宇宙能力，掌握在地

參考答案：正確，因?yàn)樵诘孛娓浇亓频?/p>

速度面附近重力近似

于萬有引力即重力提供物體作圓周運(yùn)動(dòng)的向心力

等于萬有引力

由此解出：

思考：由知高軌道上運(yùn)行的衛(wèi)星，

線速度小，能否說向高軌道發(fā)射衛(wèi)星比向低軌道要

容易呢？

參考答案：不能這樣說。

學(xué)生思考討論理解向高軌道發(fā)

這是因?yàn)槿绻l(fā)射速度小于7.9km/s，炮彈將

射衛(wèi)星比向低軌

落到地面，而不能成為一顆衛(wèi)星；發(fā)射速度等于

道發(fā)射衛(wèi)星要困

7.9km/s，它將在地面附近作勻速圓周運(yùn)動(dòng)；要發(fā)射

難。

一顆半徑大于地球半徑的人造衛(wèi)星，發(fā)射速度必須

大于7.9km/s。可見，向高軌道發(fā)射衛(wèi)星比向低軌

道發(fā)射衛(wèi)星要困難。

（4）第一宇宙速度意義

第一宇宙速度是人造衛(wèi)星在地面附近環(huán)繞地

球作勻速圓周運(yùn)動(dòng)所必須具有的速度，所以也稱為

環(huán)繞速度。

在地面附近發(fā)射飛行器，如果速度等于7.9

km/s，這一飛行器只能圍繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)，還不

能脫離地球引力的束縛，飛離地球?qū)崿F(xiàn)星際航行。

思考:若衛(wèi)星的發(fā)射速度大于7.9km/s，會(huì)出

現(xiàn)什么情況？

學(xué)生思考討論了解發(fā)射速度大

若衛(wèi)星的發(fā)射速度大于7.9km/s，繞地球運(yùn)動(dòng)

于7.9km/s軌跡

的軌跡不再是圓，而是橢圓，發(fā)射速度越大，橢圓

是橢圓，等于或

軌道越“扁”。

大于11.2km/s，

當(dāng)飛行器的發(fā)射速度等于或大于11.2km/s

永遠(yuǎn)離開地球。

時(shí)，它就會(huì)克服地球的引力，永遠(yuǎn)離開地球。

2、第二宇宙速度大?。簐=11.2km/s。

學(xué)生閱讀課文鍛煉學(xué)生的自主

（1）當(dāng)飛行器的速度等于或大于11.2km/s

說出第二宇宙學(xué)習(xí)能力

時(shí)，它就會(huì)克服地球的引力，永遠(yuǎn)離開地球。我們

速度和第三宇

把11.2km/s叫作第二宇宙速度。

宙速度

（2）意義：使衛(wèi)星掙脫地球的束縛，成為繞

太陽運(yùn)行的人造行星的最小發(fā)射速度，也稱為脫離

速度。

注意：達(dá)到第二宇宙速度的飛行器還無法脫離

太陽對(duì)它的引力。

3、第三宇宙速度大小:v=16.7km/s

（1）當(dāng)物體的速度等于或大于16.7km/s時(shí)，

物體可以掙脫太陽引力的束縛，飛到太陽系以外的

宇宙空間。我們把16.7km/s叫做第三宇宙速度。

（2）意義：使衛(wèi)星掙脫太陽引力束縛的最小

發(fā)射速度，也稱為逃逸速度。

（3）注意：發(fā)射速度大于11.2km/s，而小于

16.7km/s，衛(wèi)星繞太陽作橢圓運(yùn)動(dòng)，成為一顆人造

行星。如果發(fā)射速度大于等于16.7km/s，衛(wèi)星將掙

脫太陽引力的束縛，飛到太陽系以外的空間。

學(xué)生動(dòng)手推導(dǎo)掌握推導(dǎo)過程，

思考：你能推導(dǎo)出衛(wèi)星運(yùn)行時(shí)，其an、v、ω、

T，分別與其軌道半徑r的關(guān)系嗎？出衛(wèi)星運(yùn)行理解r越大an越

時(shí)，其an、v、小、v越小、ω

（1）解得

ω、T，分別越小、T越大。

1與其軌道半徑

r越大，an越小

an2

rr的關(guān)系

（2）解得

1

vr越大，v越小

r

（3）解得

1

r越大，ω越小

r3

（4）解得

Tr3r越大，T越大

三、人造地球衛(wèi)星

牛頓雖然早就預(yù)言了人造地球衛(wèi)星，但因發(fā)射

需達(dá)到很大的速度，所以直到多級(jí)火箭的研制成

功，才為人造地球衛(wèi)星的發(fā)射創(chuàng)造了條件。

出示圖片:第一顆人造地球衛(wèi)星

1957年10月，蘇聯(lián)發(fā)射閱讀課文了解鍛煉學(xué)生的自主

第一顆人造地球衛(wèi)星。開創(chuàng)了人類航天時(shí)代的人造地球衛(wèi)星學(xué)習(xí)能力

新紀(jì)元。

1970年4月24日，我國(guó)第一顆人造地球衛(wèi)

星“東方紅1號(hào)”

發(fā)射成功，開創(chuàng)了中國(guó)航天史的新紀(jì)元。

出示圖片:東方紅1號(hào)人造地球衛(wèi)星

出示圖片:科學(xué)家錢學(xué)森

科學(xué)家錢學(xué)森被譽(yù)為“中國(guó)航天之父”為我國(guó)

航天事業(yè)作出特殊貢獻(xiàn).

出示圖片:地球上衛(wèi)星

目前在軌有效運(yùn)行的衛(wèi)星有上千顆，其中的通

信、導(dǎo)航、氣象等衛(wèi)星已極大地改變了人類的生活。

1、地球同步衛(wèi)星

地球同步衛(wèi)星位于赤道上方高度約36000km

處，因相對(duì)地面靜止，也稱靜止衛(wèi)星。學(xué)生理解記憶掌握地球同步衛(wèi)

2、特點(diǎn)星的特點(diǎn)

周期一定：T=24h=86400s；角速度一定：相對(duì)

于地面靜止。

軌道一定：同步衛(wèi)星軌道必須在赤道上空；高

度一定:高度約36000km；速率一定；加速度一定。

注意：月球不是地球的同步衛(wèi)星。

例題：關(guān)于地球同步通訊衛(wèi)星，下列說法正確

的是（）

A．若其質(zhì)量加倍，則軌道半徑也要加倍;學(xué)生分析理解鞏固地球同步通

B．它以第一宇宙速度運(yùn)行;訊衛(wèi)星的基本知

C．它以第二宇宙速度運(yùn)行;識(shí)

D．它繞地球運(yùn)行時(shí)的角速度與地球自轉(zhuǎn)角速

度相同。

解：A、地球同步衛(wèi)星距離地球的高度約為

36000km，半徑一樣，所以各國(guó)發(fā)射的這種衛(wèi)星軌

道半徑都一樣，與質(zhì)量無關(guān)，故A錯(cuò)誤；

BC、地球同步衛(wèi)星在軌道上的繞行速度約為

3.1千米/秒，小于7.9km/s，即小于第一宇宙速度與

第二宇宙速度，故BC錯(cuò)誤；

D、同步衛(wèi)星是指與地球相對(duì)靜止的衛(wèi)星。這

種衛(wèi)星繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度與地球自轉(zhuǎn)的角度速

度相同，故D正確。

故選：D。

四、載人航天與太空探索

出示圖片:蘇聯(lián)航天員加加林

1961年4月12日，蘇聯(lián)航天員加加林進(jìn)入

了東方一號(hào)載人飛船。實(shí)現(xiàn)了人類進(jìn)入太空的夢(mèng)

想。

出示圖片:阿波羅11號(hào)飛船登月

1969年7月16日9時(shí)32分，運(yùn)載阿波

羅11號(hào)飛船的土星5號(hào)火箭在美國(guó)卡納維拉爾

角點(diǎn)火升空，拉開人類登月這一偉大歷史事件的帷學(xué)生閱讀課文鍛煉學(xué)生的自主

幕。并觀看圖片。學(xué)習(xí)能力，讓學(xué)

7月20日下午10時(shí)56分，指揮長(zhǎng)阿姆斯生感知人類探索

特朗踏上月面并說出了那句載入史冊(cè)的名言：“對(duì)宇宙的夢(mèng)想，促

個(gè)人來說，這不過是小小的一步，但對(duì)人類而言，使學(xué)生樹立獻(xiàn)身

卻是巨大的飛躍?？茖W(xué)的人生價(jià)值

出示圖片:人類在月球上留下了自己的足跡。觀。

我國(guó)的航天成就

出示圖片：我國(guó)第一顆人造衛(wèi)星

1970年4月24日我國(guó)第一顆人造衛(wèi)星升空。

出示圖片：嫦娥一號(hào)

2007年10月24日嫦娥一號(hào)月球探測(cè)器發(fā)射成

功。

出示圖片：嫦娥二號(hào)

2010年10月1日嫦娥二號(hào)順利發(fā)射

出示圖片：嫦娥三號(hào)

2013年12月2日嫦娥三號(hào)探測(cè)器進(jìn)入太空

出示圖片：神舟五號(hào)

2003年10月15日神舟五號(hào)中國(guó)第一位航天員

楊利偉

出示圖片：神舟六號(hào)

2005年10月12日神舟六號(hào)費(fèi)俊龍聶海勝

出示圖片：神舟七號(hào)

2008年9月25日神舟七號(hào)翟志剛劉伯明

景海鵬。

出示圖片：神舟九號(hào)

2012年6月16日神舟九號(hào)景海鵬劉洋劉

旺

出示圖片：神舟十號(hào)

2013年6月11日神舟十號(hào)發(fā)射成功

出示圖片：聶海勝張曉光王亞平

除了載人航天工程，我國(guó)還在許多方面進(jìn)行著

太空探索。

2013年6月，神舟十號(hào)分別完成與天宮一號(hào)

空間站的手動(dòng)和自動(dòng)交會(huì)對(duì)接；2016年10月19

日，神舟十一號(hào)完成與天宮二號(hào)空間站的自動(dòng)交會(huì)

對(duì)接。2017年4月20日，我國(guó)又發(fā)射了貨運(yùn)飛

船天舟一號(hào)，入軌后與天宮二號(hào)空間站進(jìn)行自動(dòng)交

會(huì)對(duì)接、自主快速交會(huì)對(duì)接等3次交會(huì)對(duì)接及多項(xiàng)

實(shí)驗(yàn)。

STSE航天事業(yè)改變著人類的生活

閱讀課文了解航天事業(yè)對(duì)人類的生活有哪些

改變。

20世紀(jì)人類最偉大的創(chuàng)舉之一是開拓了太空學(xué)生閱讀課文鍛煉學(xué)生的自主

這一全新活動(dòng)領(lǐng)域。通過衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)越洋通話、實(shí)時(shí)說出航天事業(yè)學(xué)習(xí)能力

收看世界各地發(fā)來的電視新聞，已經(jīng)成了人們生活對(duì)人類的生活

的一部分，電視臺(tái)天氣預(yù)報(bào)節(jié)目中的衛(wèi)星云圖已使有哪些改變。

我們充分感受到氣象衛(wèi)星的威力。衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)技

術(shù)將對(duì)我國(guó)西部開發(fā)的整體規(guī)劃和監(jiān)控發(fā)揮重要

作用。

我國(guó)通過返回式衛(wèi)星搭載稻種培育的高產(chǎn)稻

“航育一號(hào)”，已經(jīng)大面積推廣，人類已經(jīng)開始享

用太空育種的優(yōu)良農(nóng)產(chǎn)品。

科學(xué)漫步黑洞

閱讀課文說一說黑洞的涵義。

質(zhì)量非常大，半徑又非常小，其逃逸速度非常

大，以3×108m/s的

速度傳播的光都不能逃逸，即使它確實(shí)在發(fā)

光，光也不能進(jìn)入太空，我們也根本看不到它。對(duì)

于一個(gè)質(zhì)量為m的球狀物體，當(dāng)其半徑R不大于

2Gm/c2時(shí)這種天體稱為黑洞。

課堂練習(xí)

1、已知繞中心天體做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的近地衛(wèi)

星的軌道半徑為r，運(yùn)動(dòng)周期為T．則中心天體的

平均密度ρ=————。

答案：3π/GT2

2、人造地球衛(wèi)星A和B的質(zhì)量之比為1：2，

軌道半徑之比為2：1，它們受到地球的引力之比為學(xué)生練習(xí)鞏固所學(xué)的知識(shí)

————，它們運(yùn)行的線速度之比為——————，它們

運(yùn)行的周期之比為——————。

答案：1：8；；

3、如圖所示，我國(guó)“北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)”由5

顆靜止軌道衛(wèi)星（地球同步衛(wèi)星）和30顆非靜止

軌道衛(wèi)星組成，衛(wèi)星軌道半徑大小不同，其運(yùn)行速

度、周期等參量也不相同，下面說法正確的是

（）

A．衛(wèi)星軌道半徑越大，環(huán)繞速度越大

B．衛(wèi)星的線速度可能大于7.9km/s

C．衛(wèi)星軌道半徑越小，向心加速度越大

D．衛(wèi)星軌道半徑越小，運(yùn)動(dòng)的角速度越小

答案：C

4．據(jù)人民日?qǐng)?bào)客戶端1月3日的報(bào)道，上午

10點(diǎn)26分，嫦娥四號(hào)探測(cè)器成功著陸在月球背面，

完成了人類航天史上的一項(xiàng)壯舉，實(shí)現(xiàn)了人類第一

次在月背軟著陸，成為2019年太空領(lǐng)域的“開門

紅”。關(guān)于月球，下列說法正確的是（）

A．月球上地磁南極是地理的北極，和地球上

相似；

B．月球上的重力加速度約是地球上的6倍；

C．地球同步衛(wèi)星的軌道半徑約是地月距離的

十分之一；

D．月球的環(huán)繞速度要比地球同步衛(wèi)星的線速

度要大。

答案：C

5、在地球上空有許多同步衛(wèi)星，下列關(guān)于地

球多個(gè)同步衛(wèi)星的說法中正確的是（）

A．它們的質(zhì)量可能不同

B．它們的速率可能不同

C．它們離地心的距離可能不同

D．它們的向心加速度大小可能不同

答案：A

拓展提高

1、所示，T和S是繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的兩

顆人造地球衛(wèi)星，虛線為各自軌道，其中T為地球

同步衛(wèi)星。由此可以判定（）

A．T衛(wèi)星可以相對(duì)地面靜止在天津的正上方

B．T衛(wèi)星的運(yùn)行周期小于S衛(wèi)星的運(yùn)行周期

C．T衛(wèi)星的運(yùn)行速率大于S衛(wèi)星的運(yùn)行速率

D．T衛(wèi)星、S衛(wèi)星的運(yùn)行速率均小于7.9km/s

答案：D

2．如圖所示，a是赤道表面上一建筑物，隨地

球一起轉(zhuǎn)動(dòng)，b是地面附近近地軌道上正常運(yùn)行的

衛(wèi)星，c、d兩衛(wèi)星在相同的軌道上（軌道平面跟赤

道共面）且繞地球運(yùn)行的方向一致、d在c的后面，

則下列說法中正確的是（）

A．衛(wèi)星b所需的向心力可能小于衛(wèi)星c所需

的向心力

B．衛(wèi)星c的線速度小于a的線速度