高中物理必修2第六章万有引力与航天教案.docx
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高中物理必修2第六章万有引力与航天教案
6.1行星的运动
知识与技能
1.知道地心说和日心说的基本内容.
2.知道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.
3.知道所有行星的轨道的半长轴的三次方跟它的公转周期的二次方的比值都相等,且这个比值与行星的质量无关,但与太阳的质量有关.
4.理解人们对行星运动的认识过程是漫长复杂的,真理是来之不易的.
过程与方法
通过托勒密、哥白尼、第谷·布拉赫、开普勒等几位科学家对行星运动的不同认识,了解人类认识事物本质的曲折性并加深对行星运动的理解.
情感、态度与价值观
1.澄清对天体运动裨秘、模糊的认识,掌握人类认识自然规律的科学方法.
2.感悟科学是人类进步不竭的动力.
教学重点
理解和掌握开普勒行星运动定律,认识行星的运动.学好本节有利于对宇宙中行星的运动规律的认识,掌握人类认识自然规律的科学方法,并有利于对人造卫星的学习.
教学难点
对开普勒行星运动定律的理解和应用,通过本节的学习可以澄清人们对天体运动神秘、模糊的认识.
[新课导入]
【多媒体演示】天体运动的图片浏览。
教师:
在浩瀚的宇宙中有无数大小不一、形态各异的天体,如月亮、地球、太阳、夜空中的星星„„由这些天体组成的广袤无限的宇宙始终是我们渴望了解、不断探索的领域。
关于天体的运动,历史上有过不同的看法.
（课件投影中国古代天文学观
我国古代先民看到北极星常年不动,以及北斗七星等拱极星的回转,便以为星空是圆的,就像是一只倒扣着的半球大锅,覆整在大地上,而北极则是这盖天的顶,又认为地是方的,就像一张围棋盘,此即“天圆地方”说.东汉时的天文学家张衡提出“浑天”说,认为天就像一个大鸡蛋,地球就是其中的蛋黄.
中国古代通常将历法和天文联系在一起.历法注重天体运行的长时间段的重复周期,而不注重天体在三维空间中的运行情况.与古希腊人和中世纪的欧洲人不同,中国历法家很少关心宇宙结构方面的讨论.在汉朝的大部分时期,人们满足于这样的假设:
有人居住的世界是一小块中心区域.靠近平面大地中央,这个平面大地是一个绕着倾斜的轴旋转的天球的直径面.天体在该天球的内面移动,但它们靠何种机制来进行这种运动则没有讨论.
中国古代有丰富的天文记录.公元前第二个千年的后期,甲骨文中已记载了新星现象.从约公元苗200年开始,在官方文件中已有关于新星的连年记载,还有流星雨、彗星、日食、太阳黑子以及异乎寻常的云、板光之类的记载,或对蕾星的跟踪观测的记录.这些现象的观测者都使用了制作精良的大型浑天仪和其他刻度仪器,所观测的天体位置,其精确程度毫不逊色于欧洲在第谷之前的观测.
学生阅读后对探索宇宙产生兴趣.
师:
在广袤无垠的宇宙中有着无数大小不一、形态各异的天体.如太阳、月亮、夜空中闪烁的星星„„吸引了人们的注意,智麓的头脑开始探索天体运动的奥秘.它们的运动是靠神的支配,还是物理规律的约束?
经过不懈的努力,科学家们对它已有初步的了解,这一节让我们循着前人的足迹学习行星运动的情况.
[新课教学]
一.“地心说”和“日心说”之争
[讨论与交流]
展示问题:
请阅读教材第一段
1.古人对天体运动存在哪些看法?
生:
“地心说”和“日心说”.
师:
2.什么是“地心说”?
什么是“日心说”’?
生:
”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.
[讨论与交流]
展示问题:
师:
“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.
生:
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:
师:
1.古人认为天体做什么运动?
生:
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.师:
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?
生:
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.
师:
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?
生:
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.
师:
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.
教师:
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。
教师:
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?
生:
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
师:
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]
师:
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?
生:
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:
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.3.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.
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:
k水=3.36×1018K金=3.35×1018K地=3.31×1018K火=3.36×1018
（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
教学策略:
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.
.
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,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,2
R
Mm
Gmg=地球质量:
G
gRM2
=
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
rTmrmrMmG2
222⎪⎭
⎫⎝⎛==πω
太阳质量2
3
24GTrM
π=
与行星质量m无关。
提问:
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
2R
Mm
G
mg=地球质量GgRM2
=
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。
rTmrmrMmG2
222⎪⎭
⎫⎝⎛==πω
中心天体质量2
3
24GTrMπ=
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
2R
Mm
G
mg=地球质量GgRM2
=
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
rTmrmrMmG2
222⎪⎭
⎫⎝⎛==πω
太阳质量2
3
24GT
rMπ=与行星质量m无关。
2、建立模型求中心天体质量三.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=2rMmG
而F万有引力=rT
m2
2（π,两式联立得:
3
1
2
24（π
MGTr=
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:
（1F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rr
MrMmG22
24π=2
3
24GTrMπ=（只能求出中心体的质量2.求某星体表面的重力加速度.
2
RMmGmg=（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
2
22242（ππMGTrrTmrMmG=⇒=6.5宇宙航行
知识与技能
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.
情感、态度与价值观
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.
教学重点
第一宇宙速度的推导.
教学难点
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
2
2MmvGmrr
=,
∴v=
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?
vrω==
22Tππω==可见:
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:
22MmVGmRR
=,
得:
v=又∵2Mmmg
GR=∴skmgr/9.7==ν
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211.2/vkms=。
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:
316.7/vkms=。
意义:
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。
注意:
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（2（（22hRTmhRMmG+=+π得:
h=RGMT-2
24π（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=m710
6.3⨯。
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2
2MmvGmrr
=
得v=所以12:
1:
2vv=⑵由22MmGmrrω=
得ω=所以12
:
1:
8ωω=⑶由2T
πω=得12:
8:
1TT=⑷由2MmGmar
=得12:
1:
16aa=【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。
解:
⑴2508784.8minRTsv
π===;⑵由2
224MmGmRRT
π=得:
332335.410/43M
kgmGT
Rπρπ===⨯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
师:
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.生:
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。
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2
2MmvGmrr
=
得v=所以12:
1:
2vv=⑵由22MmGmrrω=
得ω=所以12
:
1:
8ωω=⑶由2T
πω=得12:
8:
1TT=⑷由2
MmGmar=得12:
1:
16aa=【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。
解:
⑴2508784.8minRTsv
π===;⑵由2
224MmGmRRT
π=得:
332335.410/43M
kgmGT
Rπρπ===⨯思考:
能否发射一颗周期为80min的人造地球卫星?
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（2（（22hRTmhRMmG
+=+π3、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
升级会员 