宇宙航行

人教版高中物理宇宙航行教案

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宇宙航行教案

一、教案背景：

1、面向学生：高中2、学科：物理3、课时：1课时

4、课前准备：提前两天布置学习任务

(1)通过网络查阅有关“牛顿对发射人造卫星的理论设想”。

(2)通过网络查阅有关“人类航天事业的发展史”。

(3)通过网络查阅有关“神州五号、六号、七号载人飞船”的发射和运行情况。

二、教材分析：

《宇宙航行》为高中物理人教版必修2第七章的第五节，重点讲述了人造卫

星的发射原理，推导了第一宇宙速度，并介绍了第二、第三宇宙速度。人造卫星

是万有引力定律在天文学上应用的一个重要实例，是人类征服自然的见证，体

现了知识的力量，是学生学习了解现代科学知识的一个极好素材。教材不但介

绍了人造卫星中的一些基本理论，更在其中渗透了很多研究实际物理问题的物理

方法。学生通过行星的运动一节已经知道了行星的运动规律，因此在分析人造卫

星的运动学特点和动力学特点可采取类比的方法，从而进一步理解应用万有引力

定律分析天体运动的方法。因此，本节课是“万有引力定律与航天”中的重点内

容，是学生进一步学习、研究、探索天体物理问题的理论基础。另外，学生通过

对人类在宇宙航行领域中的伟大成就及我国在航天领域成就的了解，也将潜移默

化地产生对航天科学的热爱，增强学生的民族自信心和自豪感。

三、教学目标

1、知识与技能

（1）能够用万有引力定律和圆周运动的知识推导第一宇宙速度，了解第二、

第三宇宙速度及其意义。

（2）理解卫星的运行速度、周期与半径的关系，了解同步卫星的特点。建立

起关于各种卫星运行状况的正确图景。

2、过程与方法

（1）经历探究人造卫星由设想变成现实的过程，体会猜想、外推的科学方法，

培养学生的科学思维。

（2）通过用万有引力定律和圆周运动的知识推导第一宇宙速度，提高学生运

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用所学知识分析和解决问题的能力，培养学生科学探究能力。

（3）通过对卫星运动规律的研究，培养学生归纳、分析、推导及表达能力。

3、情感态度与价值观

（1）了解人类探索太空的过程，感受科技发展对人类进步的巨大促进作用，

通过对我国航天事业的了解，参透爱国主义教育。

（2）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。

（3）认识到天体运动问题实质是牛顿第二定律的应用，能对已有知识进行组

织和归类，学会构建知识体系。

四、教学方法：“问题-探究”教学，启发式教学，多媒体辅助教学。

五、教学重点

（1）第一宇宙速度的推导，了解第二、第三宇宙速度。

（2）卫星运行速率与轨道半径之间的关系。

六、教学难点

人造卫星运行速度与卫星发射速度的区别。

七、教学思路

以学生为主体，促进学生知识、能力、品德三维一体的全面发展，这是本教

案设计的基本理念。学生已学过平抛运动、匀速圆周运动、万有引力定律等基本

理论，具备了解决问题的基本工具。因此教案设计上采用“问题-探究”法，在

设计中突出发挥学生的主体作用，课堂中通过设疑→思考→启发→引导这样一条

主线，激发鼓励学生的大胆思考、积极参与，让学生通过自己的分析研究来掌握

获取相关的知识和方法。

教学过程：

一、引入新课

教师：仰望星空，浩瀚的宇宙苍穹给人以无限遐想，千百年来，人类一直向往能

插上翅膀飞出地球，去探索宇宙的奥秘。随着科技的发展，这一飞天梦想终于变

成现实，我国航天员也第一次在飞船舱外的茫茫太空留下了中国人的足迹。

播放神舟七号点火发射视频片段：

[百度搜索]：

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播放神舟七号出舱视频片段：

[百度搜索]：

本节课，我们就来学习人类如何走出地球，飞上宇宙，进行宇宙航行的。

二、新课教学

1、引导学生猜想、提出“牛顿的设想”。

教师：我们知道，地球对周围的一切物体都有引力的作用，因此我们抛出的物体

会落回地面，在地面抛出一个物体，抛出的速度越大，落地点与抛出点的水平距

离越大。

地球可近似看成个球体，如果抛出的速度很大，地面还能看成是水平面吗？

学生：不能？应是球面。

教师：如果不断增大抛出的速度，可能出现什么现象？

牛顿说过“没有大胆的猜测就没有伟大的发现”。在已有事实的基础上，合

理外推，科学假设，是认知未知事物的的一种科学方法。那么由以上事实基础，

你能作出怎样的猜想呢？

学生：思考并回答。

教师：同学们今天的想法居然与牛顿当年的想法是一样的，这是牛顿在

1687年出版的《自然哲学的数学原理》一书中的卫星发射原理。

播放牛顿关于卫星发射原理设想的视频：

[百度搜索]

陈述牛顿的设想：从地球上最高的山峰上将物体水平抛出，速度越大，落地

点就越远。如果没有空气阻力，抛出的速度足够大时，物体就不再落回地面，它

将绕地球运动，成为一颗人造地球卫星。

将学生猜想与牛顿的设想作对比，作出肯定，让学生体验思考的过程带来的

快乐。

2、三种宇宙速度

教师：从牛顿提出大胆的设想到第一颗人造卫星成功发射，经历了近三百年，为

什么呢？因为发射卫星的速度太大了，当时人类的科技水平还不能制造这么高速

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的物体。那么，最少以多大的速度将物体抛出，它才会绕地球运动不会落下来？

（提示：将卫星绕地球运动近似看成匀速圆周运动）

学生自主推导：

设地球和人造卫星的质量分别为M和m，卫星到地心的距离为R，卫星的

运行速度为V。

万有引力提供向心力，则：

代入数据得7.9

教师：这就是人造卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动必须具有的速度，叫第

一宇宙速度。它也是发射一个物体，使其成为地球卫星的最小发射速度。若以第

一宇宙发射一个物体，它将在贴着地球表面的轨道做匀速圆周运动。

那么，如何使物体的速度达到7.9㎞／ｓ呢？

利用三级火箭为运载工具使卫星飞出地球是目前普遍采用的、有效的

方法，但这种方法已经用了几十年了、危险性大、代价高，有没有更好

的方法呢？希望大家今天努力学习，撑握好科学知识，将来发明更安全，

更高性能的发射系统，为人类作出更大的贡献。

教师提出问题：如果卫星的发射速度比7.9大一点，卫星会怎样运动？

学生思考并回答：

如果卫星的发射速度比7.9大一点，地球的引力将不足以为其提供做圆周运

动的向心力，开始做离心运动。

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教师补充：同学们回答得不错！如果卫星的发射速度比7.9大一点，地球的引力

将不足以为其提供做圆周运动的向心力，先做离心运动，最终绕地球运动的轨迹

是椭圆而不是圆，至于轨道为什么是椭圆，将来可结合数学知识证明（介

绍近地点、远地点），且卫星做变速率运动，发射速度越大，椭圆越扁。

提出问题：如果物体的发射速度继续增大，将会怎样？

学生思考交流

教师：如果物体的发射速度再大，椭圆更扁，远地点离地球太远，以至地球对

物体的引力太小，物体将摆脱地球引力的束缚，离开地球。若物体的发射速度

达到或超过11.2时，物体将摆脱地球引力的束缚，离开地球。我们把11.2这个

速度称为第二宇宙速度。

物体脱离地球引力束缚后，还会受到太阳引力的束缚。如果发射物体的速度

更大，达到或超过16.7时，物体还将脱离太阳引力的束缚，飞向太阳系之外宇

宙空间，我们把16.7这个速度称为第三宇宙速度。

3、卫星运行规律

教师：刚才我们讨论了三个宇宙速度，知道如何把卫星送上天了。现在

天空中已有许多不同用途的人造卫星，实际上这些卫星并不是贴着地球

表面运行的，而是用火箭把卫星送到一定高度的轨道后再绕地球运行的。

提出问题：

(1)将卫星送入低轨道和高轨道所需的速度哪一个更大？哪一个更容易？

为什么？

(2)卫星在不同轨道绕地球运动的速度又怎样算？它与卫星的发射速度是同

一个速度吗？

为简化问题，我们将不同轨道上运行的卫星看成匀速度圆周运动，请

同学们用已学的知识探究卫星绕地球运行的速度、周期和轨道半径的关系。

学生探究：

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可得：

学生总结，教师适当补充：

(1)发射速度是指卫星在地面附近离开发射装置的初速度，一旦发射后再无能量

补充，被发射物体仅依靠自己的初动能克服地球引力上升一定的高度，进入运行

轨道。

运行速度是指卫星在进入轨道后绕地球运行的线速度。

(2)向高轨道发射卫星需要的速度大，将卫星送入轨道越不容易，因向高轨

道发射卫星，要克服地球对它的引力做功更多。

(3)卫星运动的速度、角速度、周期都与卫星质量无关，仅由轨道半径决

定。当卫星环绕地球表面运行时，轨道半径最小，运行速度最大，此时发射速

度与运行速度相等。故第一宇宙速度既是卫星最小的发射速度也是最大运行速

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度。

4、课堂练习

地球同步卫星是人为发射的一种卫星，它相对于地球静止于赤道上空。

从地球之外看，卫星与地球共同转动，角速度与地球自转角速度相同，故

称地球同步卫星，设地球表面的重力加速度为g，地球半径为R，请大家根

据所学知识估算它的轨道高度。

5、梦想成真

学生阅读并汇报通过网络查阅的人类航天发展史中的主要标志性事件：

(1)1957年10月4日晚：苏联成功发射第一颗人造地球卫星

(2)1961年4月12日：苏联27岁的宇航员尤里·加加林乘坐“东方”号宇宙飞

船环绕地球一周，成为飞出地球大气层进入外层空间的第一人

(3)1969年7月20日：美国“阿波罗”11号上的宇航员奥尔德林、阿姆斯特朗

登上月球，人类第一次将足迹留在地球以外的星球上。

(4)2003年10月15日9时整，我国自行研制的“神舟”五号载人飞船在中国酒

泉卫星发射中心发射升空。这是中国首次进行载人航天飞行。乘坐“神舟”五号

载人飞船执行任务的航天员是38岁的杨利伟。

(5)2007年10月24日，我国首颗探月卫星“嫦娥一号”在西昌卫星发射中心发

射成功。

教师介绍我国的探月计划：

(1)2004年－2007年为“绕”的阶段，主要目标是发射“嫦娥一号”探测卫星，

对月球进行为期1年的全球性、整体性和综合性探测。这一计划已经成功实现。

(2)2007年－2012年为“落”的阶段，主要目标是实现月球表面软着陆与月球

巡视探测。

(3)2012年－2017年为“回”的阶段，主要目标是实现月球表面软着陆并采样返

回。

只有完成了这三个阶段后，中国才有可能考虑和实施载人登月。

随着科学技术的发展，我们的梦想逐渐成真，我们探测太空的脚步会越走越

快，越走越远。也许有一天我们也能到其它星球旅游定居。这些梦想的实现有赖

以我们今天的努力学习。

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7、课堂小结

本节课我们学习了如何用万有引力定律来研究卫星的运动问题，深化了对万

有引力是向心力这一研究天体运动的基本方法的掌握，了解了卫星发射与运行的

情况，知道三种宇宙速度的含义。

最后请同学们欣赏我国“嫦娥一号发射的3D视频：

[百度搜索]

8、布置作业

(1)P44问题与练习：1、3

(2)阅读教科书上P42的科学漫步“黑洞”及P43中“航天事业改变着人类生活”。

(3)上网查阅：人造卫星的种类及同步卫星的含义和特点

9、板书设计

宇宙航行

一、牛顿的设想

二、宇宙速度

第一宇宙速度：V

1

=7.9

（1、近地卫星的环绕速度；2、卫星的最小发射速度；3、卫星的最大运行速度）

第二宇宙速度：V

2

=11.2，卫星挣脱地球引力束缚所需的发射速度

第三宇宙速度：V

3

=16.7，卫星挣脱太阳引力束缚所需的发射速度

三、卫星的运行规律

四、梦想成真：了解了人类的航天发展史。

教学反思:本节课能始终以学生为主体精心设计学习活动，充分利用好网络资源

创设教学情境，调动学生的学习兴趣，及时把握时机，提问、启发、诱导、点拨，

激发鼓励学生积极参与，大胆猜想，合作交流，探索研究，经历体验了牛顿研究

人造卫星发射原理相似的“再发现”过程，引导学生自主推导了第一宇宙速度，

并了解三种宇宙速度的含义。关于卫星的运动规律也大胆交给学生探讨，在教师

的层层设问中，学生自己分析体会人造卫星的运行特点。整节课学生都处于问题

情境当中，在协作、会话交流过程中逐个解决需要学习的问题，最终圆满完成教

学任务，学生在轻松愉快的氛围中结束课程。但由于教学时间的限制及教学

定位的问题，本节课没有就变轨问题进行探讨，有待在后继课程中解决。

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