《航天導航中的衛星軌道變化》課程標準解析 一、知識與技能 1、知道衛星軌道變化的原理。 2、衛星軌道變化前后各物理量的變化情況。 二、過程與方法 1、通過觀看視頻，了解人造地球衛星軌道變化的過程。 2、運用萬有引力與向心力的關系，分析衛星軌道變化問題。 三、情感態度與價值觀 1、理解萬有引力定律在航天事業發展中的重要作用，產生探索的成就感； 2、感受人類不斷探索客觀世界的精神和情感，激發學習興趣，認識到掌握物理規律的價值； 3、滲透“學以致用”的思想，激發學生的學習積極性。 《航天導航中的衛星軌道變化》教材解析《航天導航中的衛星軌道變化》是人教版高中物理必修二第六章萬有引力與航空航天第五節第二課，是本章的難點，也是高考題中經常涉及到的。高中物理中，涉及人造衛星的軌道變化題有兩類。1、漸變型：由于某種因素的影響，原本做勻速圓周運動的衛星軌道半徑發生緩慢變化（逐漸增大或減小）。由于半徑變化緩慢，所以衛星每一周的運動仍然可以看作勻速圓周運動。解這類題，首先要確定軌道變化是離心的還是向心的，即軌道半徑r是增大還是減小，然后再確定衛星其他有關物理量是如何變化的。 2、突變：由于技術需要，有時需要在適當位置短時間內啟動飛機上的發動機，使飛機軌道發生突變，進入預定軌道。
衛星變軌是衛星能否順利進入預定軌道的關鍵。《航天導航中的衛星變軌》學習情境分析 1.學生已有的知識儲備：上一章學習了向心力，本章學習了萬有引力定律，學生知道人造衛星、宇宙速度力對機械能的影響。 2.陌生的知識：衛星是如何變軌的？衛星變軌前后物理量的變化。 3.根據學習情境采取的措施和方法： （1）從嫦娥探月視頻出發，讓學生對衛星軌道變化有直觀的感受。 （2）從萬有引力與向心力的關系出發，分析衛星變軌的原理。 （3）通過典型案例分析，讓學生加深對衛星變軌的理解。 航天導航中衛星軌道變化教學案例（課前預備案例） 【學習目標】 1.通過閱讀課前預備案例，初步了解衛星軌道變化原理； 2.結合航天導航中衛星發射、運行相關信息，自主完成自測題； 3.小組討論，提出有關衛星軌道變化的問題 【自學】 1.人造衛星基本原理 人造衛星繞地球做勻速圓周運動所需的向心力是由萬有引力提供的。軌道半徑r確定后，對應的衛星線速度、周期、向心加速度也唯一確定。如果衛星的質量確定了，那么與軌道半徑r對應的衛星的動能Ek、重力勢能Ep、總機械能也唯一確定。 一旦衛星改變軌道，即軌道半徑r發生變化，上述物理量都將隨之變化（Ek由線速度的變化決定，Ep由衛星高度的變化決定，而不守恒，它的增大或減小由該過程的能量轉換決定）。
同理，上述七個物理量只要有一個發生變化，其他六個物理量也隨之變化。高中物理中，涉及人造衛星的軌道變化題有兩類。2、漸變型原本做勻速圓周運動的衛星，由于某種因素的影響，軌道半徑慢慢變化（逐漸增大或減小）。由于半徑變化緩慢，衛星每一周的運動仍然可以看作勻速圓周運動。解決這一類問題，首先要確定軌道變化是離心式的還是向心式的，即軌道半徑r是增大還是減小，然后再確定衛星其他相關物理量如何變化。例如：人造衛星繞地球做勻速圓周運動，無論軌道多高，都會受到稀薄大氣阻力的影響，若不能及時維持軌道（即通過啟動衛星上的小發動機，將化學能轉化為機械能，維持衛星應有的狀態），衛星就會自動改變軌道，偏離原來的圓形軌道，從而引起各種物理量的變化。 造成這種軌道變化的原因是阻力。阻力對衛星做負功，降低了衛星的速度，減少了衛星所需的向心力，而萬有引力的大小不變，所以衛星會做向心運動，也就是軌道半徑r會減小。由基本原理中的結論我們可以知道，衛星的線速度v會增加，周期T會減小，向心加速度a會增加，動能Ek會增加，勢能Ep會減小，一部分機械能會轉化為內能（摩擦熱），衛星的機械能E會減小。為什么衛星克服阻力做功時，動能會增加呢？這是因為，一旦軌道半徑減小，在衛星克服阻力做功的同時，萬有引力（即重力）就會對衛星做正功。
而且重力所作的正功遠大于克服空氣阻力所作的功高中物理地球軌道半徑問題，外力對衛星所作的功總和為正，所以，衛星的動能增加，根據E=Ek+Ep，這個過程中重力勢能的減少量總是大于動能的增加量。3、突變由于技術的需要，有時必須在適當位置短時間啟動飛行器上的發動機，使飛行器軌道發生突變，進入預定軌道。例如發射同步衛星時，可先將衛星送入低地軌道I，使其以速率v1繞地球做勻速圓周運動；變軌時，在P點點火加速，短時間內將速率由v1提高到v2，使衛星進入橢圓轉移軌道II；衛星運動到遠地點Q時的速率為v3； 此時進行第二次點火加速，在較短的時間內由v3加速到v4，使衛星進入同步軌道Ⅲ，繞地球做勻速圓周運動。第一次加速：衛星所需的向心力增大，但重力沒有變化，于是衛星開始做離心運動，進入橢圓轉移軌道Ⅱ。在點火過程中，化學能轉化為機械能，衛星的機械能增大。在轉移軌道中，衛星只在由近地點P向遠地點Q運動過程中受重力作用，機械能守恒。重力做負功，重力勢能增大，動能減小。在遠地點Q，如果不重新點火加速，衛星將繼續沿橢圓軌道運動，由遠地點Q回到近地點P，不會自動進入同步軌道。 此時衛星在Q點所受的引力大于以速率v3沿同步軌道運動所需的向心力，因此衛星做向心運動。
為了使衛星進入同步軌道，在衛星運行到Q點時必須再次啟動衛星上的小火箭，在短時間內將衛星的速度由v3提高到v4，使其所需要的向心力增大到恰好等于該位置萬有引力的大小，這樣衛星才能進入同步軌道Ⅲ，做勻速圓周運動。在這個過程中，火箭再次啟動加速，化學能轉化為機械能，衛星的機械能又增加了。結論是：要使衛星由較低的圓軌道進入較高的圓軌道，即增加軌道半徑（增加軌道高度h），必須增加衛星的能量。與低軌道Ⅰ相比（不考慮衛星質量的變化），同步軌道Ⅲ中衛星的動能Ek減小，勢能Ep增大，機械能E也增大。增加的機械能是由化學能轉化而來的。 運用萬有引力處理天體問題的基本方法是：把天體運動看作圓周運動，其圓周運動的向心力由萬有引力提供。因此，，，。當航天器或其他天體進行變軌時，軌道半徑發生變化，從而引起，T和的變化。【自測】1、地球繞太陽運動可以看作勻速圓周運動，太陽對地球的引力提供了地球繞太陽做圓周運動所需要的向心力。太陽發光是由于太陽內部的核反應，在這個過程中，太陽的質量在不斷的減小。基于這一事實，可以推斷，再過幾年，地球繞太陽運動和現在相比會（ ）。A.運動半徑會更大。B.運動周期會更大。C.運動速度會更大。D.運動角速度會更大。 2、（如下圖所示，航天器沿半徑為R的圓繞地球運行高中物理地球軌道半徑問題，其運行周期為T。若航天器沿橢圓軌道運行直至回地面，則可以在軌道上某一點A將速度降低到適當值，使航天器以地球中心O為焦點沿橢圓軌道運行，軌道在B點與地球表面相切。）
計算航天器從A點到B點需要的時間。（圖中R0為地球半徑） 3、未來我國將在月球軌道上建設月球基地和空間站。如圖所示，斷電的航天飛機在月球引力作用下經橢圓軌道接近月球，并在B點與空間站對接。已知空間站繞月球運行的軌道半徑為r，周期為T，萬有引力常數為G，下列哪項說法是正確的？（ ） A.圖中航天飛機飛到B點時，月球引力做正功，航天飛機可以直接從BC點的橢圓軌道進入空間站軌道 根據題中條件，可以計算出月球的質量。 D.根據題中條件，可以計算出月球對空間站的引力大小。 4、嫦娥一號在探月過程中，在月球上空發生了軌道變化，由橢圓軌道a變為近月圓形軌道b，如圖所示。在切點a、b處，下列說法正確的是（ ） A.衛星的速度va=vb B.衛星受到的引力Fa=FbC.衛星的加速度aa abD.衛星的動能Eka Ekb 圖65.如圖6所示，為兩顆衛星的軌道，相切于P點。地球處于兩個橢圓的焦點上，P點分別為衛星1的遠地點，衛星2的近地點。在P點，下列說法正確的是：圖6A.衛星1的加速度較大B.衛星1的向心力較大C.衛星2的速度較大D. 速度必須相同 【提出問題】航天導航中的衛星變軌（課堂學習計劃） 【學習目標】 1.通過分析引力與向心力的關系，明確人造衛星變軌的原理； 2.以同步衛星的發射及變軌為模型，結合題目，綜合各物理量的變化。
【重點】衛星變軌是如何實現的？ 【難點】橢圓軌道上各種物理量的變化。 【例題分析】 【例題1】（05江蘇）人造衛星的軌道可以近似看作是以地心為圓心的圓，由于拖拽作用，人造衛星到地心的距離慢慢地由r1變為r2。用EK1和EK2分別表示衛星在這兩條軌道上的動能，則（ ）（A）r1r2， （B）r1r2， （C）r1r2， （D）r1r2， 【變式訓練1】由于超負荷使用，缺乏資金維持其繼續在軌運行，俄羅斯政府于2000年底決定墜毀俄羅斯“和平號”軌道空間站。墜毀過程分為兩個階段，首先使空間站進入無動力自由運動狀態。 由于高空空氣稀薄阻力的影響，空間站在繞地球軌道運行過程中，緩慢接近地球。2001年3月，當空間站下降到距地球320km的高度時，被俄羅斯地面控制中心控制墜毀。“和平號”空間站于2001年3月23日成功降落在南太平洋指定海域。空間站在自由運動過程中，A.角速度逐漸減小 B.線速度逐漸減小 C.加速度逐漸增大 D.周期逐漸減小 【例2】人造航天器首先進入橢圓軌道，近地點距地面200km，遠地點距地面340km。在第五次軌道運行過程中，航天器由橢圓軌道運行到以遠地點為半徑的圓形軌道，如圖所示。 試解下列各題（地球半徑為R=，g=9.8m/s2）：（1）航天器在橢圓軌道1上運動，Q為近地點，P為遠地點，當航天器運動到P點時，開始點火，使航天器沿圓形軌道2運動。下列說法正確的是 A.航天器在Q點受到的引力大于在該點所需的向心力 B.航天器在P點受到的引力大于在該點所需的向心力 C.航天器在軌道1上P點的速度小于軌道2上P點的速度 D.航天器在軌道1上的加速度大于P在軌道2上的加速度。（2）假定由于航天器的特殊需要，一艘原本在圓形軌道上運行的美國航天器前去與其對接。 那么航天器必須 A.從較低的軌道加速 B.從較高的軌道加速 C.從同一軌道加速 D.從任意軌道加速 【變體訓練2】發射地球同步衛星時，先將衛星發射到近地圓軌道1，然后點火使衛星沿橢圓軌道2運行，最后再次點火將衛星送入同步圓軌道3。
軌道1和2在點Q處相切，軌道2和3在點P處相切，如圖所示。 衛星在軌道1、2、3正常運行時，下列說法正確的是 A.衛星在軌道3上的速度大于在軌道1上的速度。 B.衛星在軌道3上運行的角速度小于在軌道1上的角速度。 C.衛星通過軌道1上Q點時的加速度大于其通過軌道2上Q點時的加速度。 D.衛星通過軌道2上P點時的加速度等于其通過軌道3上P點時的加速度。 【摘要】 【課堂實現目標】 1.2012年6月18日，神舟九號飛船與天宮一號目標飛船在距地面343公里的近圓軌道上成功進行了我國首次載人航天交會對接。對接軌道所在空間大氣極其稀薄。下列哪項說法是正確的？ （）A.要實現對接，兩者的速度要在第一宇宙速度和第二宇宙速度之間B.如果不進行干預，經過一段時間的運行，天宮一號的動能可能會增大C.如果不進行干預，天宮一號的軌道高度會慢慢下降D.航天員在天宮一號內處于失重狀態，也就是說航天員不受地球引力的影響2.我國成功實施“神舟”七號載人航天飛行，實現首次航天員出艙活動。飛船先沿橢圓軌道飛行，隨后在遠地點343公里點火加速，把飛船的軌道由橢圓軌道改為距地面高度343公里的圓形軌道。飛船在這個圓形軌道上的運行周期約為90分鐘。
下列判斷正確的是：A.變軌前后航天器的機械能相等。B.航天器在圓形軌道運行時，航天員出艙前后都處于超重狀態。C.航天器在此圓形軌道上的角速度大于同步衛星的角速度。D.變軌前航天器通過橢圓軌道遠地點時的加速度大于變軌后航天器沿圓形軌道行進的加速度。3.航天飛機在完成哈勃太空望遠鏡的維護任務后，在A點短暫啟動小型發動機進行變軌，從圓形軌道I進入橢圓軌道II。B為軌道II上某點，如圖所示。下列說法正確的是：A.軌道II上通過A的機械能大于通過BB的機械能。在A點短暫啟動發動機后，航天飛機的動能有所增加。 C.軌道Ⅱ上的運動周期小于軌道ID上的運動周期 軌道Ⅱ上通過A的加速度小于軌道I上通過A的加速度。 《航天導航中的衛星軌道變化》評估練習 【例1】（05江蘇）人造衛星的軌道可以近似看作是以地心為圓心的圓，由于阻力的作用，人造衛星與地心的距離由r1緩慢變化到r2，用EK1、EK2分別表示衛星在這兩個軌道上的動能。則（ ）（A）r1r2， （B）r1r2， （C）r1r2， （D）r1r2， 【變式訓練1】由于超負荷運行，缺乏資金維持其繼續在軌運行，俄羅斯政府于2000年底決定墜毀俄羅斯“和平號”軌道空間站。墜毀過程分為兩個階段。 首先讓空間站處于無動力自由運動狀態，由于高空稀薄空氣阻力的影響，空間站在繞地球軌道運行的同時，緩慢接近地球。2001年3月，當空間站下降到距地球320km的高度時，被俄羅斯地面控制中心控制墜毀。
“和平號”空間站于2001年3月23日成功降落在南太平洋指定海域。空間站在自由運動過程中，A.角速度逐漸減小 B.線速度逐漸減小 C.加速度逐漸增大 D.周期逐漸減小 【例2】人造航天器首先進入橢圓軌道，其近地點為200公里，遠地點距地面340公里。在第五次軌道運行過程中，航天器由橢圓軌道運行至以遠地點為半徑的圓形軌道，如圖所示。 試解下列各題（地球半徑為R=，g=9.8m/s2）：（1）航天器在橢圓軌道1上運動，Q為近地點，P為遠地點，當航天器運動到P點時，開始點火，使航天器沿圓形軌道2運動。下列說法正確的是 A.航天器在Q點受到的引力大于在該點所需的向心力 B.航天器在P點受到的引力大于在該點所需的向心力 C.航天器在軌道1上P點的速度小于軌道2上P點的速度 D.航天器在軌道1上的加速度大于P在軌道2上的加速度。（2）假定由于航天器的特殊需要，一艘原本在圓形軌道上運行的美國航天器前去與其對接。 那么航天器必須 A.從較低的軌道加速 B.從較高的軌道加速 C.從同一軌道加速 D.從任意軌道加速 【變體訓練2】發射地球同步衛星時，先將衛星發射到近地圓軌道1，然后點火使衛星沿橢圓軌道2運行，最后再次點火將衛星送入同步圓軌道3。
軌道1和2在點Q處相切，軌道2和3在點P處相切，如圖所示。 衛星在軌道1、2、3正常運行時，下列說法正確的是 A.衛星在軌道3上的速度大于在軌道1上的速度。 B.衛星在軌道3上運行的角速度小于在軌道1上的角速度。 C.衛星通過軌道1上Q點時的加速度大于其通過軌道2上Q點時的加速度。 D.衛星通過軌道2上P點時的加速度等于其通過軌道3上P點時的加速度。 【摘要】 【課堂實現目標】 1.2012年6月18日，神舟九號飛船與天宮一號目標飛船在距地面343公里的近圓軌道上成功進行了我國首次載人航天交會對接。對接軌道所在空間大氣極其稀薄。下列哪項說法是正確的？ （）A.要實現對接，兩者的速度要在第一宇宙速度和第二宇宙速度之間B.如果不進行干預，經過一段時間的運行，天宮一號的動能可能會增大C.如果不進行干預，天宮一號的軌道高度會慢慢下降D.航天員在天宮一號內處于失重狀態，也就是說航天員不受地球引力的影響2.我國成功實施“神舟”七號載人航天飛行，實現首次航天員出艙活動。飛船先沿橢圓軌道飛行，隨后在遠地點343公里點火加速，把飛船的軌道由橢圓軌道改為距地面高度343公里的圓形軌道。飛船在這個圓形軌道上的運行周期約為90分鐘。
以下判斷正確的是：A.變軌前后航天器的機械能相等。B.當航天器處于圓形軌道時，航天員出艙前后都處于超重狀態。C.航天器在此圓形軌道上運動的角速度大于同步衛星的角速度。D.變軌前航天器通過橢圓軌道遠地點時的加速度大于變軌后航天器沿圓形軌道行進的加速度。3.航天飛機在完成哈勃空間望遠鏡的維護任務后，在A點短暫啟動小型發動機改變軌道，由圓形軌道I變為橢圓軌道II，B為軌道II上某點，如圖所示。 下列說法正確的是： A.在軌道II上通過A點的機械能大于通過BB點的機械能 航天飛機在A點啟動發動機短暫時間后，動能增大；在軌道II上運動的周期小于在軌道ID上運動的周期 在軌道II上通過A點的加速度小于在軌道I上通過A點的加速度 “衛星軌道變化在航天導航中的作用”分析 通過觀看視頻材料，以“衛星軌道變化”為學習主題，在學生對萬有引力定律及航空航天等知識掌握一定的基礎上，進一步分析萬有引力與向心力的供需關系，分析軌道變化的原理，結合典型例題分析，并運用公式解決相應問題。 同時對學生進行評價： 評價項目 評價標準 分數 ABC分數 學生自評 同學互評 老師評價 學習態度 課前充分準備 5543 注意力集中 5543 求知欲望強 5543 參與程度 思維活躍，主動發言 及時總結 5543 合作意識 積極與老師、同學合作 5543 樂于幫助別人 5543 主動分擔任務 5543 探究意識 思維活躍，富有創造力 善于觀察、猜想、歸納和總結 能獨立思考，相互討論 有積極探索、堅持真理的態度 任務完成情況 觀察意識強，觀察比較準確 5543 實驗操作能力強 5543 有一定的分析總結能力 5543 學生反饋 老師反饋 《航天導航中的衛星軌道變化》課堂觀察記錄 1.教學目標：是否明確、恰當? 教學目標明確、恰當，符合課程標準的要求和學生的實際情況。
2.核心知識：老師如何呈現給不同的學生？理論結合實踐，鼓勵學生探究，老師給予指導。3.內部聯系：是否注重建立知識與生活的橫向聯系還是縱向聯系？先聯系共同特點，再引入新知識。4.學科特點：是否體現學科的特點和精髓？突出直觀、生動的特點，符合學生的年齡特點。5.適當細節：對于易懂的部分，是否可以少講或不講，對于易混淆的部分，可以詳細講解、分析？通過觀察，讓學生探究。是否可以有針對性，多做詳細講解、多練習。6.教學資源：是否合理利用校內外教材、教學資源？利用小組合作，培養學生的合作意識和自主探究能力，同時注意與實際生活的聯系。7.學習方法指導：是否重視學習方法的指導與培養？ 注意指導，尤其要突出觀察，比較和詢問。可以真正理解和掌握“太空導航的衛星軌道”。階級的反思1.成功：在此課程的教學過程中，從最基本的知識開始，使用最基本的事物和現象來介紹衛星到月球錄像帶，從而使自然的知識和律法從合理的分析到量化，從而有更多的定位，因為討論和解釋，探索了太空導航中衛星軌道變化的相關知識，這有助于學生解決知識和思維的困難點； 整個班級都很好地反映了教師作為學生學習的啟動者，指南和合作者的角色，以及課堂上的氛圍是良好的；在課堂上做好了足夠的準備，在教學鏈接和教學過程中，教學任務都順利完成，并且在教學過程中完成了教學的良好，并且最初的教學設計目標是有效的。 UAL可能是由于同時發生的。