《航天导航中的卫星轨道变化》课程标准解析 一、知识与技能 1、知道卫星轨道变化的原理。 2、卫星轨道变化前后各物理量的变化情况。 二、过程与方法 1、通过观看视频，了解人造地球卫星轨道变化的过程。 2、运用万有引力与向心力的关系，分析卫星轨道变化问题。 三、情感态度与价值观 1、理解万有引力定律在航天事业发展中的重要作用，产生探索的成就感； 2、感受人类不断探索客观世界的精神和情感，激发学习兴趣，认识到掌握物理规律的价值； 3、渗透“学以致用”的思想，激发学生的学习积极性。 《航天导航中的卫星轨道变化》教材解析《航天导航中的卫星轨道变化》是人教版高中物理必修二第六章万有引力与航空航天第五节第二课，是本章的难点，也是高考题中经常涉及到的。高中物理中，涉及人造卫星的轨道变化题有两类。1、渐变型：由于某种因素的影响，原本做匀速圆周运动的卫星轨道半径发生缓慢变化（逐渐增大或减小）。由于半径变化缓慢，所以卫星每一周的运动仍然可以看作匀速圆周运动。解这类题，首先要确定轨道变化是离心的还是向心的，即轨道半径r是增大还是减小，然后再确定卫星其他有关物理量是如何变化的。 2、突变：由于技术需要，有时需要在适当位置短时间内启动飞机上的发动机，使飞机轨道发生突变，进入预定轨道。
卫星变轨是卫星能否顺利进入预定轨道的关键。《航天导航中的卫星变轨》学习情境分析 1.学生已有的知识储备：上一章学习了向心力，本章学习了万有引力定律，学生知道人造卫星、宇宙速度力对机械能的影响。 2.陌生的知识：卫星是如何变轨的？卫星变轨前后物理量的变化。 3.根据学习情境采取的措施和方法： （1）从嫦娥探月视频出发，让学生对卫星轨道变化有直观的感受。 （2）从万有引力与向心力的关系出发，分析卫星变轨的原理。 （3）通过典型案例分析，让学生加深对卫星变轨的理解。 航天导航中卫星轨道变化教学案例（课前预备案例） 【学习目标】 1.通过阅读课前预备案例，初步了解卫星轨道变化原理； 2.结合航天导航中卫星发射、运行相关信息，自主完成自测题； 3.小组讨论，提出有关卫星轨道变化的问题 【自学】 1.人造卫星基本原理 人造卫星绕地球做匀速圆周运动所需的向心力是由万有引力提供的。轨道半径r确定后，对应的卫星线速度、周期、向心加速度也唯一确定。如果卫星的质量确定了，那么与轨道半径r对应的卫星的动能Ek、重力势能Ep、总机械能也唯一确定。 一旦卫星改变轨道，即轨道半径r发生变化，上述物理量都将随之变化（Ek由线速度的变化决定，Ep由卫星高度的变化决定，而不守恒，它的增大或减小由该过程的能量转换决定）。
同理，上述七个物理量只要有一个发生变化，其他六个物理量也随之变化。高中物理中，涉及人造卫星的轨道变化题有两类。2、渐变型原本做匀速圆周运动的卫星，由于某种因素的影响，轨道半径慢慢变化（逐渐增大或减小）。由于半径变化缓慢，卫星每一周的运动仍然可以看作匀速圆周运动。解决这一类问题，首先要确定轨道变化是离心式的还是向心式的，即轨道半径r是增大还是减小，然后再确定卫星其他相关物理量如何变化。例如：人造卫星绕地球做匀速圆周运动，无论轨道多高，都会受到稀薄大气阻力的影响，若不能及时维持轨道（即通过启动卫星上的小发动机，将化学能转化为机械能，维持卫星应有的状态），卫星就会自动改变轨道，偏离原来的圆形轨道，从而引起各种物理量的变化。 造成这种轨道变化的原因是阻力。阻力对卫星做负功，降低了卫星的速度，减少了卫星所需的向心力，而万有引力的大小不变，所以卫星会做向心运动，也就是轨道半径r会减小。由基本原理中的结论我们可以知道，卫星的线速度v会增加，周期T会减小，向心加速度a会增加，动能Ek会增加，势能Ep会减小，一部分机械能会转化为内能（摩擦热），卫星的机械能E会减小。为什么卫星克服阻力做功时，动能会增加呢？这是因为，一旦轨道半径减小，在卫星克服阻力做功的同时，万有引力（即重力）就会对卫星做正功。
而且重力所作的正功远大于克服空气阻力所作的功高中物理地球轨道半径问题，外力对卫星所作的功总和为正，所以，卫星的动能增加，根据E=Ek+Ep，这个过程中重力势能的减少量总是大于动能的增加量。3、突变由于技术的需要，有时必须在适当位置短时间启动飞行器上的发动机，使飞行器轨道发生突变，进入预定轨道。例如发射同步卫星时，可先将卫星送入低地轨道I，使其以速率v1绕地球做匀速圆周运动；变轨时，在P点点火加速，短时间内将速率由v1提高到v2，使卫星进入椭圆转移轨道II；卫星运动到远地点Q时的速率为v3； 此时进行第二次点火加速，在较短的时间内由v3加速到v4，使卫星进入同步轨道Ⅲ，绕地球做匀速圆周运动。第一次加速：卫星所需的向心力增大，但重力没有变化，于是卫星开始做离心运动，进入椭圆转移轨道Ⅱ。在点火过程中，化学能转化为机械能，卫星的机械能增大。在转移轨道中，卫星只在由近地点P向远地点Q运动过程中受重力作用，机械能守恒。重力做负功，重力势能增大，动能减小。在远地点Q，如果不重新点火加速，卫星将继续沿椭圆轨道运动，由远地点Q回到近地点P，不会自动进入同步轨道。 此时卫星在Q点所受的引力大于以速率v3沿同步轨道运动所需的向心力，因此卫星做向心运动。
为了使卫星进入同步轨道，在卫星运行到Q点时必须再次启动卫星上的小火箭，在短时间内将卫星的速度由v3提高到v4，使其所需要的向心力增大到恰好等于该位置万有引力的大小，这样卫星才能进入同步轨道Ⅲ，做匀速圆周运动。在这个过程中，火箭再次启动加速，化学能转化为机械能，卫星的机械能又增加了。结论是：要使卫星由较低的圆轨道进入较高的圆轨道，即增加轨道半径（增加轨道高度h），必须增加卫星的能量。与低轨道Ⅰ相比（不考虑卫星质量的变化），同步轨道Ⅲ中卫星的动能Ek减小，势能Ep增大，机械能E也增大。增加的机械能是由化学能转化而来的。 运用万有引力处理天体问题的基本方法是：把天体运动看作圆周运动，其圆周运动的向心力由万有引力提供。因此，，，。当航天器或其他天体进行变轨时，轨道半径发生变化，从而引起，T和的变化。【自测】1、地球绕太阳运动可以看作匀速圆周运动，太阳对地球的引力提供了地球绕太阳做圆周运动所需要的向心力。太阳发光是由于太阳内部的核反应，在这个过程中，太阳的质量在不断的减小。基于这一事实，可以推断，再过几年，地球绕太阳运动和现在相比会（ ）。A.运动半径会更大。B.运动周期会更大。C.运动速度会更大。D.运动角速度会更大。 2、（如下图所示，航天器沿半径为R的圆绕地球运行高中物理地球轨道半径问题，其运行周期为T。若航天器沿椭圆轨道运行直至回地面，则可以在轨道上某一点A将速度降低到适当值，使航天器以地球中心O为焦点沿椭圆轨道运行，轨道在B点与地球表面相切。）
计算航天器从A点到B点需要的时间。（图中R0为地球半径） 3、未来我国将在月球轨道上建设月球基地和空间站。如图所示，断电的航天飞机在月球引力作用下经椭圆轨道接近月球，并在B点与空间站对接。已知空间站绕月球运行的轨道半径为r，周期为T，万有引力常数为G，下列哪项说法是正确的？（ ） A.图中航天飞机飞到B点时，月球引力做正功，航天飞机可以直接从BC点的椭圆轨道进入空间站轨道 根据题中条件，可以计算出月球的质量。 D.根据题中条件，可以计算出月球对空间站的引力大小。 4、嫦娥一号在探月过程中，在月球上空发生了轨道变化，由椭圆轨道a变为近月圆形轨道b，如图所示。在切点a、b处，下列说法正确的是（ ） A.卫星的速度va=vb B.卫星受到的引力Fa=FbC.卫星的加速度aa abD.卫星的动能Eka Ekb 图65.如图6所示，为两颗卫星的轨道，相切于P点。地球处于两个椭圆的焦点上，P点分别为卫星1的远地点，卫星2的近地点。在P点，下列说法正确的是：图6A.卫星1的加速度较大B.卫星1的向心力较大C.卫星2的速度较大D. 速度必须相同 【提出问题】航天导航中的卫星变轨（课堂学习计划） 【学习目标】 1.通过分析引力与向心力的关系，明确人造卫星变轨的原理； 2.以同步卫星的发射及变轨为模型，结合题目，综合各物理量的变化。
【重点】卫星变轨是如何实现的？ 【难点】椭圆轨道上各种物理量的变化。 【例题分析】 【例题1】（05江苏）人造卫星的轨道可以近似看作是以地心为圆心的圆，由于拖拽作用，人造卫星到地心的距离慢慢地由r1变为r2。用EK1和EK2分别表示卫星在这两条轨道上的动能，则（ ）（A）r1r2， （B）r1r2， （C）r1r2， （D）r1r2， 【变式训练1】由于超负荷使用，缺乏资金维持其继续在轨运行，俄罗斯政府于2000年底决定坠毁俄罗斯“和平号”轨道空间站。坠毁过程分为两个阶段，首先使空间站进入无动力自由运动状态。 由于高空空气稀薄阻力的影响，空间站在绕地球轨道运行过程中，缓慢接近地球。2001年3月，当空间站下降到距地球320km的高度时，被俄罗斯地面控制中心控制坠毁。“和平号”空间站于2001年3月23日成功降落在南太平洋指定海域。空间站在自由运动过程中，A.角速度逐渐减小 B.线速度逐渐减小 C.加速度逐渐增大 D.周期逐渐减小 【例2】人造航天器首先进入椭圆轨道，近地点距地面200km，远地点距地面340km。在第五次轨道运行过程中，航天器由椭圆轨道运行到以远地点为半径的圆形轨道，如图所示。 试解下列各题（地球半径为R=，g=9.8m/s2）：（1）航天器在椭圆轨道1上运动，Q为近地点，P为远地点，当航天器运动到P点时，开始点火，使航天器沿圆形轨道2运动。下列说法正确的是 A.航天器在Q点受到的引力大于在该点所需的向心力 B.航天器在P点受到的引力大于在该点所需的向心力 C.航天器在轨道1上P点的速度小于轨道2上P点的速度 D.航天器在轨道1上的加速度大于P在轨道2上的加速度。（2）假定由于航天器的特殊需要，一艘原本在圆形轨道上运行的美国航天器前去与其对接。 那么航天器必须 A.从较低的轨道加速 B.从较高的轨道加速 C.从同一轨道加速 D.从任意轨道加速 【变体训练2】发射地球同步卫星时，先将卫星发射到近地圆轨道1，然后点火使卫星沿椭圆轨道2运行，最后再次点火将卫星送入同步圆轨道3。
轨道1和2在点Q处相切，轨道2和3在点P处相切，如图所示。 卫星在轨道1、2、3正常运行时，下列说法正确的是 A.卫星在轨道3上的速度大于在轨道1上的速度。 B.卫星在轨道3上运行的角速度小于在轨道1上的角速度。 C.卫星通过轨道1上Q点时的加速度大于其通过轨道2上Q点时的加速度。 D.卫星通过轨道2上P点时的加速度等于其通过轨道3上P点时的加速度。 【摘要】 【课堂实现目标】 1.2012年6月18日，神舟九号飞船与天宫一号目标飞船在距地面343公里的近圆轨道上成功进行了我国首次载人航天交会对接。对接轨道所在空间大气极其稀薄。下列哪项说法是正确的？ （）A.要实现对接，两者的速度要在第一宇宙速度和第二宇宙速度之间B.如果不进行干预，经过一段时间的运行，天宫一号的动能可能会增大C.如果不进行干预，天宫一号的轨道高度会慢慢下降D.航天员在天宫一号内处于失重状态，也就是说航天员不受地球引力的影响2.我国成功实施“神舟”七号载人航天飞行，实现首次航天员出舱活动。飞船先沿椭圆轨道飞行，随后在远地点343公里点火加速，把飞船的轨道由椭圆轨道改为距地面高度343公里的圆形轨道。飞船在这个圆形轨道上的运行周期约为90分钟。
下列判断正确的是：A.变轨前后航天器的机械能相等。B.航天器在圆形轨道运行时，航天员出舱前后都处于超重状态。C.航天器在此圆形轨道上的角速度大于同步卫星的角速度。D.变轨前航天器通过椭圆轨道远地点时的加速度大于变轨后航天器沿圆形轨道行进的加速度。3.航天飞机在完成哈勃太空望远镜的维护任务后，在A点短暂启动小型发动机进行变轨，从圆形轨道I进入椭圆轨道II。B为轨道II上某点，如图所示。下列说法正确的是：A.轨道II上通过A的机械能大于通过BB的机械能。在A点短暂启动发动机后，航天飞机的动能有所增加。 C.轨道Ⅱ上的运动周期小于轨道ID上的运动周期 轨道Ⅱ上通过A的加速度小于轨道I上通过A的加速度。 《航天导航中的卫星轨道变化》评估练习 【例1】（05江苏）人造卫星的轨道可以近似看作是以地心为圆心的圆，由于阻力的作用，人造卫星与地心的距离由r1缓慢变化到r2，用EK1、EK2分别表示卫星在这两个轨道上的动能。则（ ）（A）r1r2， （B）r1r2， （C）r1r2， （D）r1r2， 【变式训练1】由于超负荷运行，缺乏资金维持其继续在轨运行，俄罗斯政府于2000年底决定坠毁俄罗斯“和平号”轨道空间站。坠毁过程分为两个阶段。 首先让空间站处于无动力自由运动状态，由于高空稀薄空气阻力的影响，空间站在绕地球轨道运行的同时，缓慢接近地球。2001年3月，当空间站下降到距地球320km的高度时，被俄罗斯地面控制中心控制坠毁。
“和平号”空间站于2001年3月23日成功降落在南太平洋指定海域。空间站在自由运动过程中，A.角速度逐渐减小 B.线速度逐渐减小 C.加速度逐渐增大 D.周期逐渐减小 【例2】人造航天器首先进入椭圆轨道，其近地点为200公里，远地点距地面340公里。在第五次轨道运行过程中，航天器由椭圆轨道运行至以远地点为半径的圆形轨道，如图所示。 试解下列各题（地球半径为R=，g=9.8m/s2）：（1）航天器在椭圆轨道1上运动，Q为近地点，P为远地点，当航天器运动到P点时，开始点火，使航天器沿圆形轨道2运动。下列说法正确的是 A.航天器在Q点受到的引力大于在该点所需的向心力 B.航天器在P点受到的引力大于在该点所需的向心力 C.航天器在轨道1上P点的速度小于轨道2上P点的速度 D.航天器在轨道1上的加速度大于P在轨道2上的加速度。（2）假定由于航天器的特殊需要，一艘原本在圆形轨道上运行的美国航天器前去与其对接。 那么航天器必须 A.从较低的轨道加速 B.从较高的轨道加速 C.从同一轨道加速 D.从任意轨道加速 【变体训练2】发射地球同步卫星时，先将卫星发射到近地圆轨道1，然后点火使卫星沿椭圆轨道2运行，最后再次点火将卫星送入同步圆轨道3。
轨道1和2在点Q处相切，轨道2和3在点P处相切，如图所示。 卫星在轨道1、2、3正常运行时，下列说法正确的是 A.卫星在轨道3上的速度大于在轨道1上的速度。 B.卫星在轨道3上运行的角速度小于在轨道1上的角速度。 C.卫星通过轨道1上Q点时的加速度大于其通过轨道2上Q点时的加速度。 D.卫星通过轨道2上P点时的加速度等于其通过轨道3上P点时的加速度。 【摘要】 【课堂实现目标】 1.2012年6月18日，神舟九号飞船与天宫一号目标飞船在距地面343公里的近圆轨道上成功进行了我国首次载人航天交会对接。对接轨道所在空间大气极其稀薄。下列哪项说法是正确的？ （）A.要实现对接，两者的速度要在第一宇宙速度和第二宇宙速度之间B.如果不进行干预，经过一段时间的运行，天宫一号的动能可能会增大C.如果不进行干预，天宫一号的轨道高度会慢慢下降D.航天员在天宫一号内处于失重状态，也就是说航天员不受地球引力的影响2.我国成功实施“神舟”七号载人航天飞行，实现首次航天员出舱活动。飞船先沿椭圆轨道飞行，随后在远地点343公里点火加速，把飞船的轨道由椭圆轨道改为距地面高度343公里的圆形轨道。飞船在这个圆形轨道上的运行周期约为90分钟。
以下判断正确的是：A.变轨前后航天器的机械能相等。B.当航天器处于圆形轨道时，航天员出舱前后都处于超重状态。C.航天器在此圆形轨道上运动的角速度大于同步卫星的角速度。D.变轨前航天器通过椭圆轨道远地点时的加速度大于变轨后航天器沿圆形轨道行进的加速度。3.航天飞机在完成哈勃空间望远镜的维护任务后，在A点短暂启动小型发动机改变轨道，由圆形轨道I变为椭圆轨道II，B为轨道II上某点，如图所示。 下列说法正确的是： A.在轨道II上通过A点的机械能大于通过BB点的机械能 航天飞机在A点启动发动机短暂时间后，动能增大；在轨道II上运动的周期小于在轨道ID上运动的周期 在轨道II上通过A点的加速度小于在轨道I上通过A点的加速度 “卫星轨道变化在航天导航中的作用”分析 通过观看视频材料，以“卫星轨道变化”为学习主题，在学生对万有引力定律及航空航天等知识掌握一定的基础上，进一步分析万有引力与向心力的供需关系，分析轨道变化的原理，结合典型例题分析，并运用公式解决相应问题。 同时对学生进行评价： 评价项目 评价标准 分数 ABC分数 学生自评 同学互评 老师评价 学习态度 课前充分准备 5543 注意力集中 5543 求知欲望强 5543 参与程度 思维活跃，主动发言 及时总结 5543 合作意识 积极与老师、同学合作 5543 乐于帮助别人 5543 主动分担任务 5543 探究意识 思维活跃，富有创造力 善于观察、猜想、归纳和总结 能独立思考，相互讨论 有积极探索、坚持真理的态度 任务完成情况 观察意识强，观察比较准确 5543 实验操作能力强 5543 有一定的分析总结能力 5543 学生反馈 老师反馈 《航天导航中的卫星轨道变化》课堂观察记录 1.教学目标：是否明确、恰当? 教学目标明确、恰当，符合课程标准的要求和学生的实际情况。
2.核心知识：老师如何呈现给不同的学生？理论结合实践，鼓励学生探究，老师给予指导。3.内部联系：是否注重建立知识与生活的横向联系还是纵向联系？先联系共同特点，再引入新知识。4.学科特点：是否体现学科的特点和精髓？突出直观、生动的特点，符合学生的年龄特点。5.适当细节：对于易懂的部分，是否可以少讲或不讲，对于易混淆的部分，可以详细讲解、分析？通过观察，让学生探究。是否可以有针对性，多做详细讲解、多练习。6.教学资源：是否合理利用校内外教材、教学资源？利用小组合作，培养学生的合作意识和自主探究能力，同时注意与实际生活的联系。7.学习方法指导：是否重视学习方法的指导与培养？ 注意指导，尤其要突出观察，比较和询问。可以真正理解和掌握“太空导航的卫星轨道”。阶级的反思1.成功：在此课程的教学过程中，从最基本的知识开始，使用最基本的事物和现象来介绍卫星到月球录像带，从而使自然的知识和律法从合理的分析到量化，从而有更多的定位，因为讨论和解释，探索了太空导航中卫星轨道变化的相关知识，这有助于学生解决知识和思维的困难点； 整个班级都很好地反映了教师作为学生学习的启动者，指南和合作者的角色，以及课堂上的氛围是良好的；在课堂上做好了足够的准备，在教学链接和教学过程中，教学任务都顺利完成，并且在教学过程中完成了教学的良好，并且最初的教学设计目标是有效的。 UAL可能是由于同时发生的。