2019-2020年高中物理 萬有引力與航天教案 教科版必修1.doc

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2019-2020年高中物理 萬有引力與航天教案 教科版必修1 知識與技能 1． 知道地心說和日心說的基本內容。 2． 知道所有行星繞太陽運動的軌道都是橢圓，太陽處在橢圓的一個焦點上。 3．知道所有行星的軌道半長軸的三次方跟它的公轉周期的二次方的比值都相等，且這個比值與行星的質量無關，但與太陽的質量有關。 4．理解人們對行星運動的認識過程是漫長復雜的，真理是來之不易的。 過程與方法 1．通過托勒密、哥白尼、第谷、開普勒等幾位科學家對行星運動的不同認識，了解人類認識事物本質的曲折性并加深對行星運動的理解。 情感態(tài)度與價值觀 1． 澄清對天體運動神秘、模糊的認識，掌握人類認識自然規(guī)律的科學方法。 2．感悟科學是人類進步不竭的動力。 教學重點 1． 理解和掌握開普勒行星運動定律，認識行星的運動。學好本節(jié)有利于對宇宙中行星的運動規(guī)律的認識，掌握人類認識自然規(guī)律的科學方法，并有利于對人造衛(wèi)星的學習。 教學難點 1．對開普勒行星運動定律的理解和應用，通過本節(jié)的學習可以澄清人們對天體運動神秘、模糊的認識。 教學過程：略 新課教學 引入： 7．2太陽與行星間的引力 7．3萬有引力定律 知識與技能 １．理解太陽與行星間存在引力 ２．能根據開普勒行星運動定律和牛頓第三定律推導出太陽與行星間的引力表達式 ３．理解萬有引力定律的含義并會推導萬有引力定律 ４．理解地面上物體所受的重力與天體間的引力是同一性質的力，即服從平方反比定律的萬有引力 過程與方法 １．通過推導太陽與行星間的引力公式，體會邏輯推理在物理學中的重要性 ２．體會推導過程中的數量關系 情感態(tài)度與價值觀 １． 感受太陽與行星間的引力關系，從而體會大自然的奧秘 ２． 通過學習認識和借鑒科學的實驗方法，充實自己的頭腦，更好地去認識世界，建立科學的價值觀 教學重點 １．根據開普勒行星運動定律和牛頓第三定律推導出太陽與行星間的引力公式，記住推導出的引力公式 ２．在研究具體問題時，如何選取參考系 ３．質點概念的理解 教學難點 １．太陽與行星間的引力公式推導過程 ２．什么情況下可以把物體看作質點 教具 多媒體視頻 課時安排 １課時 教學過程 開普勒定律發(fā)現之后，人們便開始更深入的思考：行星為什么這樣運動？ 這節(jié)課我們“追尋著牛頓的足跡”，用自己的手和腦，重新“發(fā)現”萬有引力定律。 一． 太陽對行星的引力 為了簡化問題，行星的軌道按圓來處理，請猜想太陽與行星的引力與什么因數有關 研究的問題中，只有太陽、行星，那么他們之間的引力可能與太陽的質量、行星的質量、他們之間的距離以及行星與太陽之間的媒介物有關，還可能與太陽與行星的形狀、大小有關。太陽與行星的是否可以看作質點？太陽與行星之間是真空，對太陽與行星的引力有無影響？ 討論小結：太陽與行星之間的引力應該與行星到太陽的距離、太陽的質量、行星的質量有關。我們先研究太陽對行星的引力，這樣只研究引力與行星的質量以及太陽與行星之間的距離的關系。那么，F與r的定量關系是什么？ 閱讀教材：太陽對行星的引力部分。 讓學生回答如何來進行理論分析 ：根據開普勒行星運動定律，行星以太陽為圓心做勻速圓周運動，由太陽對行星的引力提供向心力。 （1） 向心力等于F= （2） 天文觀測到行星周期T，則v=代入上式得F= （3） 根據開普勒第三定律代入上式得 （4） 上式中對太陽系中任何行星都相同，因而F與成正比，既F 結論：太陽對不同行星的引力與行星的質量成正比，與太陽與行星間的距離的二次方成反比。 二． 行星對太陽的引力 就太陽對行星的引力而言，行星是受力物體，引力與受力物體的質量成正比，行星對太陽的引力也應該與太陽的質量成正比。 閱讀教材行星對太陽的引力部分，學生回答行星對太陽的引力與太陽的質量、行星到太陽的距離是什么關系？ 結論：行星對太陽的引力大小與太陽的質量M成正比，與行星到太陽的距離r的二次方成反比。 三． 太陽與行星間的引力 綜上推導過程，推導出太陽與行星間的引力與太陽質量、行星質量以及兩者距離的關系式，看看能得出什么結論。 結論：太陽與行星間的引力與太陽的質量、行星的質量成正比，與兩者距離的二次方成反比： 說明： （1） G是比例系數，與行星和太陽均有關 （2） 太陽與行星間的引力規(guī)律，也適用于地球與衛(wèi)星間的引力 （3） 該引力規(guī)律普遍適用于任何有質量的物體 四． 萬有引力定律 知道了太陽與行星之間作用力的規(guī)律，可以完全解釋行星的運動了，那么，是什么力使得地面的物體不能離開地球，總要落回地面呢？如蘋果被拋出后總要落回地面，那么是什么力使得蘋果不能離開地球呢？是否也是由于地球對蘋果的引力造成的？地球對蘋果的引力和太陽對行星的引力是同一種力嗎，若真是這樣，物體離地面越遠，其受地球的引力就應該越小，可是地面上的物體在距離地面很遠時似乎重力沒有明顯的減弱，是不是不夠遠，我們想這樣的高度比起天體之間的距離來說，真的不算遠！再往遠處設想如果物體遠到地球那邊，物體是否也會象月球那樣繞地球運動？也許真的是同一種力，我們就來探究這個問題。 １． 月——地檢測 猜想：“天上”的力與“人間”的力可能出于同一根源。 閱讀教材月地檢測，回答學生假定成立 在牛頓時代，重力加速度已能比較精確測定，當時也能比較精確地測定月球與地球之間的距離、月球的公轉周期，從而能夠算出月球運動的向心加速度，證明了猜想的正確性 例題：已知：=3.8m，=27.3 天，g=9.8,求 結論：太陽與行星間、地球與月球間、地球與地面物體間的力是同一種性質的力。 ２． 萬有引力定律 任意兩個物體之間都有這樣的力存在嗎？閱讀教材萬有引力部分。 學生回答：牛頓作了大膽的猜想，任意兩個物體間都存在著這樣的力。于是這個結論被推廣到宇宙中的一切物體之間。即： 萬有引力定律：自然界中的任何兩物體都互相吸引沒，引力的大小與物體的質量m1和m2成正比，與他們之間的距離r的二次方成反比即 式中質量的單位為kg，距離的單位為m，力的單位N，G叫引力常量。 注：公式的適用條件 （1） 適用于質點間引力大小的計算 （2） 對于可視為質點的物體間的引力求解也可以利用萬有引力公式 （3） 當研究的物體不能看成質點時，可以把物體假想分割成無數質點，求分力，再求合力 說明： （1） 萬有引力的普遍性，一切物體間 （2） 萬有引力的相互性，兩物體間相互作用 （3） 萬有引力的宏觀性，只有在質量大星球間，它的存在才有實際物理意義 （4） 萬有引力的特殊性，兩物體間只與本身有關，與周圍其他物體無關 ３． 引力常量 卡文迪許通過實驗測出G= 意義：證明了萬有引力的存在；使萬有引力定律有了真正的實用價值；標志著力學實驗精密程度的提高，開創(chuàng)了測量弱引力的新時代 五．小結，布置作業(yè) 7.4 萬有引力理論的成就 知識與技能 1．了解萬有引力定律在天文學上的重要應用。 2． 會用萬有引力定律計算天體質量。 3．理解并運用萬有引力定律處理天體問題的思路和方法。 過程與方法 1．通過萬有引力定律推導出計算天體質量的公式。 2．了解天體中的知識。 情感態(tài)度與價值觀 1．通過推導，鞏固前面所學的知識，使自己更好地了解天體中的物理。 2．體會萬有引力定律在人類認識自然界奧秘中的巨大作用，讓學生懂得理論來源于實踐，反過來又可以指導實踐的辯證唯物主義觀點。 教學重點 1． 萬有引力定律在天文學上的應用，要掌握利用萬有引力定律計算天體質量、天體密度的基本方法。學好本節(jié)有利于對天體運行規(guī)律的認識，更有利于我們在今后學習人造衛(wèi)星。 教學難點 1．熟知并掌握計算天體質量的不同表達式，由于題目所給條各不相同，因此從多種表達式中挑選合適的形式較難，主要是對表達式的形式和含義不夠熟悉，應理解并記住各種表達式。 教學過程 ω 新課教學 一、由地面可測量求地球的質量 1、思考：地面上物體的重力與地球對物體的引力是什么關系？ 分析：地球對物體的引力指向地心，一部分提供物體隨地球自轉所需向心力，另一部分為物體的重力。只有在赤道和兩極處物體的重力方向才指向地心，且赤道處物體的重力最小，兩極處物體的重力最大；物體隨地球自轉的向心力很小，在計算時可近似認為物體的重力就等于地球對它的引力。 2、若不考慮地球自轉的影響，地面上的物體的重力等于地球對它的引力。 mg＝G g＝G　　M＝　　ρ＝＝ 例1、離地面某一高度h處的重力加速度是地球表面重力加速度的 ,則高度h是地球半徑的　　　倍。 例2、假設火星和地球都是球體，火星的質量M火和地球的質量M地之比M火/M地=p，火星的半徑R火和地球的半徑R地之比R火/R地=q，那么火星表面處的重力加速度g火和地球表面處的重力的加速度g地之比等于[　　] 　A.p/q2　 B.pq2 C.p/q D.pq 二、由行星或衛(wèi)星運動量求中心天體的質量 行星或衛(wèi)星繞中心天體做圓周運動的向心力由中心天體對它的引力提供，由此可列出方程。 例3、某行星表面附近有一顆衛(wèi)星，其軌道半徑可認為近似等于該行星的球體半徑。已測出此衛(wèi)星運行的周期為T，已知萬有引力常量為G，據此求得該行星的平均密度約為______。 例4、登月飛行器關閉發(fā)動機后在離月球表面h的空中沿圓形軌道繞月球飛行，周期是T，已知月球半徑是R，引力常量為G，根據這些數據計算月球的平均密度。 三、發(fā)現未知天體 1781年發(fā)現天王星后，根據萬有引力定律計算天王星的軌道與觀察到的結果總有偏差。年輕的英國劍橋大學學生亞當斯、法國青年天文愛好者勒維相信有新星的存在，各自獨立根據萬有引力定律計算出這顆新星的軌道。1846年9月23日由德國的伽勒發(fā)現了海王星。用同樣的方法發(fā)現了冥王星。 四、小結： 作業(yè)：P74　T1、3 7.5　宇宙航行 知識與技能 1．了解人造衛(wèi)星的有關知識。 2．知道三個宇宙速度的含義，會推導第一宇宙速度。 3．理解衛(wèi)星的運行速度與軌道半徑的關系。 過程與方法 1．通過萬有引力定律推導第一宇宙速度，培養(yǎng)學生運用知識解決問題的能力。 情感態(tài)度與價值觀 1．通過介紹我國在衛(wèi)星發(fā)射方面的情況，激發(fā)學生的愛國熱情。 2．感知人類探索宇宙的夢想，促使學生樹立獻身科學的人生價值觀。 教學重點 1． 第一宇宙速度的推導。 教學難點 1．運行速率與軌道半徑之間的關系。 教學過程 新課教學 一、宇宙速度 課件展示：牛頓在思考萬有引力定律時就曾想過，從高山上水平拋出物體，速度一次比一次大，落地點也就一次比一次遠，所在區(qū)域也就不能再看成平面，而是圓弧形。當速度增大到某一值時，物體就會繞地球做圓周運動，成為一顆衛(wèi)星，不再落回地面。 我們能否來推導出這一速度是多少？ 方法一：設地球的質量為M，繞地球做勻速圓周運動的衛(wèi)星的質量為m，速度為v，衛(wèi)星到地心的距離為r。 由向心力由地球的萬有引力提供，所以 由此解出 近地衛(wèi)星在100Km左右的高度飛行，與地球半徑6400Km相比小得多，軌道半徑與地球半徑可以忽略不計，則把地球質量和半徑代入可計算出v＝7.9Km/s。 方法二、在地面附近，重力等于萬有引力，提供衛(wèi)星做勻速圓周運動的向心力，能否推導出這一速度？ 由 ＝7.9Km/s 討論：1、當衛(wèi)星距地心的距離越遠，由可知它運動的速度越慢。所以7.9Km/s是人造衛(wèi)星環(huán)繞地球的最大運動速度，叫第一宇宙速度，也叫環(huán)繞速度。 2、將人造衛(wèi)星送入預定的軌道運行所必須具有的速度叫發(fā)射速度。發(fā)射過程中能量如何變化？ 克服地球引力做功，衛(wèi)星離地面越高，所需要的發(fā)射速度越大。第一宇宙速度是最小的發(fā)射速度。 例1、關于第一宇宙速度，下面說法中錯誤的是　　　　　[ ] A．它是人造地球衛(wèi)星繞地飛行的最小速度 B．它是人造地球衛(wèi)星在近地圓形軌道上的運行速度 C．它是能使衛(wèi)星進入近地圓形軌道的最小發(fā)射速度 D ．從人造衛(wèi)星環(huán)繞地球的速度V＝　　　　可知，把衛(wèi)星發(fā)射到越遠的地方越容易 例2、有兩個人造地球衛(wèi)星質量之比為m1∶m2=1∶2，都繞地球做勻速圓周運動，已知它們的軌道半徑之比r1∶r2＝4∶1，則這兩個衛(wèi)星的線速度之比為　　?。唤撬俣戎葹椤　　?；運動周期之比為　　　??；向心加速度之比為　　　?。幌蛐牧χ葹椤　　　。? 例3、人造地球衛(wèi)星運行中由于受大氣阻力，軌道半徑逐漸減小，則線速度和周期變化情況是[ ] A．速度減小，周期增大 B．速度減小，周期減小 C．速度增大，周期增大 D．速度增大，周期減小 若發(fā)射速度大于7.9Km/s衛(wèi)星將在橢圓軌道上運動，根據不同的需要可以用不同的發(fā)射速度讓衛(wèi)星在不同的軌道上運動。 介紹衛(wèi)星通訊衛(wèi)星 例4、關于我國發(fā)射的“亞洲一號”地球同步通訊衛(wèi)星的說法，正確的是[ ] A．若其質量加倍，則軌道半徑也要加倍 B．它在北京上空運行，故可用于我國的電視廣播 C．它以第一宇宙速度運行 D．它運行的角速度與地球自轉角速度相同 二、若發(fā)射速度增大，則軌道半徑將增大，引力減小，最終將脫離地球的引力。 當發(fā)射速度等于或大于11.2Km/s時，它就會克服地球引力成為繞太陽運轉的人造行星或飛到其他行星上去。把11.2Km/s叫第二宇宙速度也叫脫離速度。 三、若發(fā)射速度再增大到16.7Km/s時，它就可以脫離太陽的引力范圍，飛到太陽系以外的宇宙空間。把16.7Km/s叫第三宇宙速度也叫逃逸速度。 黑洞的介紹（學生看書）。 四、小結 作業(yè)：P78　T1、3