高中物理必修2第六章万有引力与航天教案Word文档格式.docx
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1．古人对天体运动存在哪些看法?
生：
“地心说”和“日心说”．
2．什么是“地心说”?
什么是“日心说”’?
”地心说”认为地球是宇宙的中心，是静止不动的，大阳、月亮以及其他行星都绕地球运动，“日心说”则认为太阳是静止不动的，地球和其他行星都绕太阳运动．
“地心说’的代表人物：
托勒密（古希腊）．“地心说’符合人们的直接经验，同时也符合势力强大的宗教神学关于地球是宇宙中心的认识，故地心说一度占据了统治地位．生：
“日心说”战胜了“地心说”，最终被接受．
“日心说”战胜了“地心说”，最终真理战胜了谬误．请同学们阅读第64页《人类对行星运动规律的认识，中托勒密：
地心宇宙，哥白尼：
拦住了太阳，推动了地球．交流讨论，找出“地心说”遭遇的尴尬和“日心说’的成功之处．
地心说所描述的天体的运动不仅复杂而且问题很多，如果把地球从天体运动的中心位置移到一个普通的、绕太阳运动的位置，换一个角度来考虑天体的运动，许多问题都可以解决，行星运动的描述也变得筒单了．
“日心说”代表人物：
哥白尼，“日心说”能更完美地解释天体的运动．
二、开普勒行量运动定律
[做一做]
用图钉和细绳画椭圆
可以用一条细绳和两图钉来画椭圆．如图7．1—l所示，把白纸镐在木板上，然后按上图钉．把细绳的两端系在图钉上，用一枝铅笔紧贴着细绳滑动，使绳始终保持张紧状态．铅笔在纸上画出的轨迹就是椭圆，图钉在纸上留下的痕迹叫做椭圆的焦点．
想一想，椭圆上某点到两个焦点的距离之和与椭圆上另一点到两个焦点的距寓之和有什么关系?
[课堂训练]
（分四小组进行）
师；
阅读教材第二段到最后，并阅读第64页《人类对行星运动规律的认识）中第谷：
天才观察家，开普勒：
真理超出期望，投影展示以下问题：
1.古人认为天体做什么运动?
古人把天体的运动看得十分神圣，他们认为天体的运动不同于地面物体的运动，天体做的是最完美、最和谐的匀逮圆周运动．
2．开普勒认为行星做什么样的运动?
他是怎样得出这一结论的?
开普勒认为行星做椭圆运动．他发现假设行星傲匀逮圆周运动，计算所得的数据与观测数据不符，只有认为行星做椭圆运动，才能解释这一差别．
3．开普勒行星运动定律哪几个方面描述了行星绕太阳运动的规律?
具体表述是什么?
开普勒行星运动定律从行星运动轨道，行墨运动的线速度变化，轨道与周期的关系三个方面揭示了行星运动的规律．具体表述为：
第一定律：
所有行星绕太阳运动的轨道都是椭圆，太阳处在椭圆的一个焦点上．
这一定律说明了行星运动轨迹的形状，不同的行星绕大阳运行时椭圆轨道相同吗?
生：
不同．
第二定律：
对任意一个行星来说，它与太阳的连线在相等时间内扫过相等的面积．
如图所示，行星沿着椭圆轨道运行，太阳位于椭圆的一个焦点上．如果时间间隔相等，即t2-t1=t4-t3，那么面积A=面积B．由此可见，行星在远日点a的速率最小，在近日点b的速率最大．
开普勒第三定律：
3．所有行星的椭圆轨道的半长轴的三次方跟公转周期的平方的比值都相等．由于行星的椭圆轨道都跟圆近似，在近似计算中，可以认为行星都以太阳为圆心做匀速圆周运动，在这种情况下，若用R代表轨道半径，T代表公转周期，开普勒第三定律可以用下面的公式表示：
比值k是一个与行星无关的恒量．只与太阳有关。
给出太阳系九大行星平均轨道半径和周期的数值，供学生课后验证。
师：
这一定律发现了所有行星的轨道的半长轴与公转周期之间的定量关系，但是比值k是一个与行星无关的常量，那么你能猜想出它可能跟谁有关吗?
根据开普勒第三定律知：
所有行星绕太阳运动的半长轴的三次方跟公转周期二次方的比值是一个常数k，可以猜想，这个“k”一定与运动系统的物体有关．因为常数k对于所有行星都相同，而各行星是不一样的，故跟行星无关，而在运动系中除了行星就是中心天体——太阳，故这一常数“k"
一定与中心天体——太阳有关．（通过后面的学习将知道k值与太阳质量的关系）
说明：
（1）开普勘定律不仅适用于行星绕大阳运动，也适用于卫星绕着地球转，不过比例式k中的k是不同的，与中心天体有关．
（2）开普勒定律是总结行星运动的现察结果而总结归纳出来的规律．它们每一条都是经验定律，都是从行星运动所取得的资料中总结出来的规律．开普勒定律只涉及运动学、几何学方面的内容。
（3）由于行星的椭圆轨道都跟圆近似，在近似计算中，可以认为，行星都以太阳为圆心做匀速圆周运动．在这种情况下，若用。
代表轨道半径，T代表公转周期，开普勒第三定律可以用下面的公式表示
（4）开普勒关于行星运动的确切描述，不仅使人们在解决行星的运动学问题上有了依据，更澄清了人们对天体运动神秘、模糊的认识，同时也推动了对天体动力学问题的研究．
[课堂探究l
引导学生深入探究：
1．播放行星绕椭圆轨道运动的课件，使学生对行星的运动有一个简单的感性认识．
2．出示九大行星轨道挂图，使学生对多数行星的轨道与圆十分接近有一个感性认识．
[讨论与交流]
实际上，多数行星的轨道与圆十分接近，所以在中学阶段的研究中能够按圆处理．开普勒三定律适用于圆轨道时，应该怎样表述呢?
行星的圆轨道的半径的三次方跟它的公转周期的二次方的比值都相等．
[小结]
本节学习的是开苦勒行星运动的三定律，其中第一定律反映了行星运动的轨迹是椭圆，第二定律描述了行星在近日点的速率最小，在远日点的速率最大，第三定律揭示了轨道半长轴与公转周期的定量关系．在近似计算中可以认为行星都以太阳为圆心做匀速圆周运动．
板书设计
1．地心说和日心说
2．第一定律：
3．第二定律：
4．开普勒第三定律：
3．所有行星的椭圆轨道的半长轴的三次方跟公转周期的平方的比值都相等．
6.4万有引力的成就课型新授课（1课时）
1．知识与技能：
（1）了解地球表面物体的万有引力两个分力的大小关系，计算地球质量；
（2）行星绕恒星运动、卫星的运动的共同点：
万有引力作为行星、卫星圆周运动的向心力，会用万有引力定律计算天体的质量；
（3）了解万有引力定律在天文学上有重要应用。
2．过程与方法：
（1）培养学生根据数据分析找到事物的主要因素和次要因素的一般过程和方法；
（2）培养学生根据事件的之间相似性采取类比方法分析新问题的能力与方法；
（3）培养学生归纳总结建立模型的能力与方法。
3．情感态度与价值观：
（1）培养学生认真严禁的科学态度和大胆探究的心理品质；
（2）体会物理学规律的简洁性和普适性，领略物理学的优美。
教学重点、难点1．教学重点及其教学策略：
重点：
地球质量的计算、太阳等中心天体质量的计算
教学策略：
通过数据分析、类比思维、归纳总结建立模型来加深理解。
2．教学难点及其教学策略：
难点：
根据已有条件求中心天体的质量
通过类比思维、归纳总结建立模型来加深理解。
教学活动
导入新课
.万有引力常量的测出的物理意义.
答：
使万有引力定律有了其实际意义，可以求得地球的质量等.
万有引力常量一经测出，万有引力定律对天文学的发展起了很大的推动作用，这节课我们来讨论万有引力定律在天文学上的应用.
新课教学
一、地球质量
1、练习计算：
《中华一题》
已知：
M地=m=R=
求：
（1）万有引力
（2）物体随地球自转的向心力
（3）比较可得什么结论？
2、了解地球表面物体的重力与地球对物体的万有引力的关系。
多媒体投影图：
物体m在纬度为θ的位置，万有引力指向地心，分解为两个分力：
m随地球自转围绕地轴运动的向心力和重力。
给出数据：
地球半径R、纬度θ（取900）、地球自转周期T，计算两个分力的大小比值，引导学生得出结论：
向心力远小于重力，万有引力大小近似等于重力。
因此不考虑（忽略）地球自转的影响，
地球质量：
二、太阳质量
应用万有引力可算出地球的质量，能否算出太阳的质量多
提问：
行星做圆周运动的向心力的来源是什么？
继续提问：
是否需要考虑九大行星之间的万有引力？
总结：
太阳质量远大于各个行星质量，高中阶段粗略计算，不考虑行星之间的万有引力。
设中心天体太阳质量M，行星质量m，轨道半径r——也是行星与太阳的距离，行星公转角速度ω，公转周期T，则
太阳质量
与行星质量m无关。
不同行星与太阳的距离r和绕太阳公转的周期T都是各不相同的。
但是不同行星的r、T计算出来的太阳质量必须是一样的！
上面的公式能否保证这一点？
同理，月亮围绕地球做圆周运动，根据前面的推导我们能否计算地球的质量？
建立模型：
通过围绕天体的运动半径和周期求中心天体的质量。
多媒体投影木星行星围绕木星圆周运动，请学生思考如何测量木星的质量。
三、发现未知天体
请学生阅读课本“发现未知天体”。
多媒体投影海王星、冥王星图片。
本课小结：
主要有两个基本知识：
1、地球表面，不考虑（忽略）地球自转的影响，物体的重力近似等于重力
地球质量
2、建立模型求中心天体质量
围绕天体做圆周运动的向心力为中心天体对围绕天体的万有引力，通过围绕天体的运动半径和周期求中心天体的质量。
中心天体质量
布置作业：
书本《问题与练习》1-4。
板书设计
一、地球质量M
地球表面，不考虑（忽略）地球自转的影响
二、太阳质量——中心天体质量
1、太阳质量M，行星质量m，
轨道半径r——行星与太阳的距离，
行星公转角速度ω，公转周期T，则
三.发现未知天体
万有引力对研究天体运动有着重要的意义.海王星、冥王星就是这样发现的.请同学们推导：
已知中心天体的质量及绕其运动的行星的运动情况，在太阳系中，行星绕太阳运动的半径r为：
根据F万有引力=F向=
而F万有引力=
两式联立得：
在18世纪发现的第七个行星——天王星的运动轨道，总是同根据万有引力定律计算出来的有一定偏离.当时有人预测，肯定在其轨道外还有一颗未发现的新星.后来，亚当斯和勒维列在预言位置的附近找到了这颗新星.后来，科学家利用这一原理还发现了许多行星的卫星，由此可见，万有引力定律在天文学上的应用，有极为重要的意义.
四、小结（用.ppt出示）
这节课我们主要掌握的知识点是：
1.万有引力定律在天文学中的应用，一般有两条思路：
（1）F万有引力=环绕体所需的向心力
（2）地面（或某星球表面）的物体的重力=F万有引力.
2.了解万有引力定律在天文学中具有的重要意义.
第四节 万有引力理论的成就
一、1.天体质量的计算
（只能求出中心体的质量）
2.求某星体表面的重力加速度.
（R为星体的半径）
二、发现未知天体：
（已知中心体的质量及环绕体的运动）
6.5宇宙航行
1．了解人造卫星的有关知识．
2．知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度．
过程与方法
通过用万有引力定律推导第一宇宙速度．培养学生运用知识解决问题的能力．
1．通过介绍我国在卫星发射方面的情况．激发学生的爱国热情．
2．感知人类探索宇宙的梦想．促使学生树立献身科学的人生价值观．
第一宇宙速度的推导．
运行速率与轨道半径之间的关系．
教学活动
（一）引入新课
1957年前苏联发射了第一颗人造地球卫星，开创了人类航天时代的新纪元。
我国在70年代发射第一颗卫星以来，相继发射了多颗不同种类的卫星，掌握了卫星回收技术和“一箭多星”技术，99年发射了“神舟”号试验飞船。
这节课，我们要学习有关人造地球卫星的知识。
（二）进行新课
1、牛顿的设想
（1）牛顿对人造卫星原理的描绘。
设想在高山上有一门大炮，水平发射炮弹，初速度越大，水平射程就越大，可以想象当初速度足够大时，这颗炮弹将不会落到地面，将和月球一样成为地球的一颗卫星。
（2）人造卫星绕地球运行的动力学原因。
人造卫星在绕地球运行时，只受到地球对它的万有引力作用，人造卫星作圆周运动的向心力由万有引力提供。
（3）人造卫星的运行速度。
设地球质量为M，卫星质量为m，轨道半径为r，由于万有引力提供向心力，则
，
∴
可见：
高轨道上运行的卫星，线速度小。
提出问题：
角速度和周期与轨道半径的关系呢？
高轨道上运行的卫星，角速度小，周期长。
引入：
高轨道上运行的卫星速度小，是否发射也容易呢？
这就需要看卫星的发射速度，而不是运行速度
2、宇宙速度
（1）第一宇宙速度
⑴推导：
问题：
牛顿实验中，炮弹至少要以多大的速度发射，才能在地面附近绕地球做匀速圆周运动？
地球半径为6370km。
分析：
在地面附近绕地球运行，轨道半径即为地球半径。
由万有引力提供向心力：
得：
又∵
结论：
如果发射速度小于7.9km/s，炮弹将落到地面，而不能成为一颗卫星；
发射速度等于7.9km/s，它将在地面附近作匀速圆周运动；
要发射一颗半径大于地球半径的人造卫星，发射速度必须大于7.9km/s。
可见，向高轨道发射卫星比向低轨道发射卫星要困难。
⑵意义：
第一宇宙速度是人造卫星在地面附近环绕地球作匀速圆周运动所必须具有的速度，所以也称为环绕速度。
（2）第二宇宙速度
大小
。
意义：
使卫星挣脱地球的束缚，成为绕太阳运行的人造行星的最小发射速度，也称为脱离速度。
注意：
发射速度大于7.9km/s，而小于11.2km/s，卫星绕地球运动的轨迹为椭圆；
等于或大于11.2km/s时，卫星就会脱离地球的引力，不再绕地球运行。
（3）第三宇宙速度。
大小：
使卫星挣脱太阳引力束缚的最小发射速度，也称为逃逸速度。
发射速度大于11.2km/s，而小于16.7km/s，卫星绕太阳作椭圆运动，成为一颗人造行星。
如果发射速度大于等于16.7km/s，卫星将挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的空间。
3、人造卫星的发射速度与运行速度
（1）发射速度：
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，要发射一颗人造地球卫星，发射速度不能小于第一宇宙速度。
（2）运行速度：
运行速度指卫星在进入运行轨道后绕地球做圆周运动的线速度。
当卫星“贴着”地面飞行时，运行速度等于第一宇宙速度，当卫星的轨道半径大于地球半径时，运行速度小于第一宇宙速度。
3．同步卫星
所谓同步卫星，是相对于地面静止的，和地球具有相同周期的卫星，T=24h，同步卫星必须位于赤道上方距地面高h处，并且h是一定的。
同步卫星也叫通讯卫星。
由
得：
h=
（T为地球自转周期，M、R分别为地球的质量，半径）。
代入数值得h=
例题分析
【例题1】有两颗人造卫星，都绕地球做匀速圆周运行，已知它们的轨道半径之比r1：
r2＝4：
1，求这颗卫星的：
⑴线速度之比；
⑵角速度之比；
⑶周期之比；
⑷向心加速度之比。
解：
⑴由
得
所以
⑵由
⑶由
⑷由
【例题2】地球半径为6400km，在贴近地表附近环绕地球做匀速圆周运动的卫星速度为7.9×
103m/s，则周期为多大？
估算地球的平均密度。
⑴
；
思考：
能否发射一颗周期为80min的人造地球卫星？
（三）.梦想成真
（展示问题）
探索宇宙的奥秘，奔向广阔而遥远的太空，是人类自古以来的梦想，那么梦想成真了吗?
请同学们阅读教材“梦想成真”部分．
1957年10月4日，世界上第一颗人造地球卫星发射成功．
1961年4月12日，苏联空军少校加加林进入了“东方一号”载人飞船．火箭点火起飞绕地球飞行一圈，历时108min，然后重返大气层，安全降落在地面上，铸就了人类进入太空的丰碑．
1969年7月16日9时32分，“阿波罗11号”成功登临月球，蛾人航天技术迅速发展．
1992年，中国载人航天工程正式启动．2003年10月15日9时，我国“神舟”五号宇宙飞船在酒泉卫星发射中心成功发射，把中国第一位航天员杨利伟送人太空．飞船绕地球飞行14圈后，于10月16日6时23分安全降落在内蒙古主着陆场．这次成功发射实现了中华民族千年的飞天梦想，标志着中国成为世界上第三个能够独立开展载人航天活动的国家，为进一步的空间科学研究奠定了坚实的基础．
伴随着“神舟’五号的发射成功，中国已正式启动“嫦娥工程”，开始了宇宙探索的新征程．
（四）课堂小结
人造地球卫星的动力学原因。
宇宙速度。
发射速度与运行速度。
板书
1、宇宙速度
7.9km/s11.2km/s16.7km/s
第一宇宙速度是卫星发射的最小速度，是在轨道上运行的最大速度
2、人造地球卫星
3、同步卫星
定点在赤道上空，周期T、高度h、线速度v一定。
T=24hh=36000kmv=3.1km/s
4、梦想成真
（1）世界的成就
（2）中国的成就
§
7.6经典力学的局限性
教学目标知识与技能
1．知道牛顿运动定律的适用范围．
2．了解经典力学在科学研究和生产技术中的广泛应用．
3.知道质量与速度的关系，知道高速运动中必须考虑速度随时
过程与方法
通过阅读课文体会一切科学都有自己的局限性，新的理论会不断完善和补充旧的理论，人类对科学的认识是无止境的．
通过对牛顿力学适用范围的讨论，使学生知道物理中的结论和规律一般都有其适用范围，认识知识的变化性和无穷性，培养献身于科学的时代精神．
教学重点、难点教学重点
牛顿运动定律的适用范围
高速运动的物体，速度和质量之间的关系．
[新课导入]
自从17世纪以来，以牛顿运动定律为基础的经典力学不断发晨，如：
在宏观、低速、弱引力的广阔领域，包括天体力学的研究中取得了巨大的成就．经典力学在科学研究和生产技术中有了广泛的应用，如，从地面物体的运动到天体的运动，从大气的流动到地壳的变动，从拦河筑坝、修建桥梁到设计各种机械；
从自行车到汽车、火车、飞机等各种交通工其：
从投出的篮球到发射火箭、人造卫星、宇宙飞船……从而证明了牛顿运动定律的正确性。
但是，经典力学也不是万能的，像一切科学一样，它没有也不会穷尽一切真理，它也有自己的局限性．它像一切科学理论一样，是一部“未完成的交响曲”．那么经典力学在什么范围内适用呢?
有怎样的局限性
呢?
这节课我们就来了解这方面的知识．
一、从低速到高速
请同学们阅读教材“从低速到高速”部分．回答低速与高速的概念、质速关系、速度合成与两个公设．
低速到高速的概念，通常所见的物体的运动皆为低速运动，如行驶的汽车，发射的导弹、人造卫星及宇宙飞船等．有些微观粒子在一定条件下其速度可以与光速相接近，这样的速度称为高速．
质速关系是：
在经典力学中，物体的质量是不变的，但爱因斯坦的狭义相对论指出，物体的质量随速度的增大而增大，即
其中Db为静止质量，m是物体速度为v时的质量，c是真空中的光速．
例如：
（1）v＝0．8c时，物体的质量约增大到静止质量的1．7倍，这时经典力学就不再适用了．
（2）如地球以v＝30km／s的速度绕太阳公转时，m=l010lOlmo，它的质量增大十分微小，可以忽略不计．
速度合成与两个公设．一条河流中的水以相对河岸的速度v水岸流动，河中的船以相对于河水的速度v船水顺流而下．在经典力学中，船相对于岸的速度即为v船岸=v船水+v水岸
经验告诉我们，这简直是天经地义的．但是，仔细一看，这个关系式涉及两个不同的惯性参考系，而速度总是与
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