萬有引力與航天x

萬有引力與航天萬有引力與航天1.新、舊教材章節(jié)結(jié)構(gòu)對(duì)比

第6章萬有引力與航天

1行星的運(yùn)動(dòng)

2太陽與行星間的引力

3萬有引力定律

4萬有引力理論的成就

5宇宙航行

6經(jīng)典力學(xué)的局限性

第六章萬有引力定律

一、行星的運(yùn)動(dòng)二、萬有引力定律

三、引力常量的測(cè)定

四、萬有引力定律在天文學(xué)上的應(yīng)用五、人造衛(wèi)星宇宙速度

六、行星、恒星、星系和宇宙

新原

●新教材大體繼承了原教材的知識(shí)線索，在關(guān)于“萬有引力與航天”方面的知識(shí)要求沒有大的變化。

●新教材在“行星的運(yùn)動(dòng)”與“萬有引力定律”之間增加一節(jié)課文“太陽與行星間的引力”，旨在放緩萬有引力定律發(fā)現(xiàn)歷程的展現(xiàn)，為學(xué)生學(xué)習(xí)萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)奠定更充分的知識(shí)基礎(chǔ)；

●“經(jīng)典力學(xué)的局限性”是共同必修模塊的最后一節(jié)課，在“萬有引力理論的成就”后面，用“經(jīng)典力學(xué)的局限性”來作為必修教材力學(xué)的結(jié)尾，是對(duì)學(xué)生所學(xué)經(jīng)典力學(xué)的一次總結(jié)。萬有引力定律（B）人造地球衛(wèi)星（A）宇宙速度（A）牛頓力學(xué)適用范圍（A）2、《物理教學(xué)大綱》與《課程標(biāo)準(zhǔn)》知識(shí)要求對(duì)比：2002年版《物理教學(xué)大綱》2003年版《物理課程標(biāo)準(zhǔn)》

通過有關(guān)事實(shí)了解萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)過程。知道萬有引力定律。認(rèn)識(shí)發(fā)現(xiàn)萬有引力定律的重要意義。體會(huì)科學(xué)定律對(duì)人類探索未知世界的作用。會(huì)計(jì)算人造衛(wèi)星的環(huán)繞速度。知道第二宇宙速度和第三宇宙速度。初步了解經(jīng)典時(shí)空觀和相對(duì)論時(shí)空觀，知道相對(duì)論的建立對(duì)人類認(rèn)識(shí)世界的影響。初步了解微觀世界中的量子化現(xiàn)象，知道宏觀物體和微觀粒子的能量變化特點(diǎn)，體會(huì)量子論的建立深化了人們對(duì)于物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)。通過實(shí)例，了解經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展歷程和偉大成就，體會(huì)經(jīng)典力學(xué)創(chuàng)立的價(jià)值與意義，認(rèn)識(shí)經(jīng)典力學(xué)的適用范圍和局限性。體會(huì)科學(xué)研究方法對(duì)人們認(rèn)識(shí)自然的重要作用。舉例說明物理學(xué)的進(jìn)展對(duì)于自然科學(xué)的促進(jìn)作用。3.對(duì)具體教材的分析(1)充分展現(xiàn)萬有引力定律發(fā)現(xiàn)的科學(xué)過程

(整體思路與過去大致相同，但節(jié)內(nèi)的寫法還是有很大差異的。)開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律為萬有引力規(guī)律的發(fā)現(xiàn)做出了什么貢獻(xiàn)？根據(jù)開普勒行星運(yùn)動(dòng)第三定律和勻速圓周運(yùn)動(dòng)公式，可以推導(dǎo)出：太陽對(duì)行星的引力。（m為行星質(zhì)量、r為行星運(yùn)動(dòng)半徑）那么，行星對(duì)太陽的引力有什么規(guī)律？根據(jù)牛頓第三定律可以分析出：。（M為太陽質(zhì)量）太陽與行星間的相互引力有什么規(guī)律？

由于以上F和的大小是相等的，所以：星體間相互引力規(guī)律適用于地球上的物體嗎？

牛頓進(jìn)行了月－地檢驗(yàn)：說明天上和地下的物體都遵從以下相同的規(guī)律：，這就是萬有引力定律。公式中的G為引力常量。引力常量G的值等于多少？卡文迪許在實(shí)驗(yàn)室測(cè)出了G的值，這使得萬有引力的定量計(jì)算成為可能，我們能據(jù)此計(jì)算出星體質(zhì)量(2)增進(jìn)科學(xué)與生活、社會(huì)的聯(lián)系(3)注重科學(xué)文化、科學(xué)精神的熏陶●領(lǐng)略前輩科學(xué)家不屈不饒的探索精神和一絲不茍的科學(xué)態(tài)度●開闊學(xué)生的視野，激勵(lì)對(duì)未知的探索（黑洞）●認(rèn)識(shí)科學(xué)總是在探索更廣泛適用的理論中發(fā)展●體會(huì)名人名言的哲理開普勒、牛頓、愛因斯坦、霍金，馬克·吐溫、蕭伯納、梁啟超●使學(xué)生了解物理學(xué)作為科學(xué)和技術(shù)的基礎(chǔ)、對(duì)促進(jìn)人類物質(zhì)創(chuàng)新和社會(huì)發(fā)展的作用。牛頓總結(jié)了經(jīng)典力學(xué)的理論體系，建立了萬有引力定律，它使人們第一次用統(tǒng)一的理論來認(rèn)識(shí)神秘的天上運(yùn)動(dòng)和地上運(yùn)動(dòng)，它不僅在當(dāng)時(shí)的科學(xué)研究和技術(shù)創(chuàng)新中發(fā)揮著基礎(chǔ)理論的指導(dǎo)作用，也為人類實(shí)現(xiàn)飛出地球的夢(mèng)想指出了方向?！鞍⒉_”8號(hào)宇宙飛船從月球返回地球的途中，當(dāng)?shù)孛婵刂浦行膯柤啊罢l在駕駛”是時(shí)候，指令長回答說：“我想現(xiàn)在是牛頓在駕駛。”二、教材分析與教學(xué)建議

第一節(jié)行星的運(yùn)動(dòng)

1、教材性質(zhì)與地位（1）起始教材對(duì)全章起引領(lǐng)性的作用。（2）為萬有引力定律的學(xué)習(xí)起鋪墊性的作用。（3）知識(shí)容較少，但包含著的科學(xué)史料十分豐富。（4）教材是從運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度描述天體運(yùn)動(dòng)的。2、教學(xué)方法的選擇以問題探究與故事講解相結(jié)合的方式組織課堂教學(xué)。3、探究點(diǎn)的設(shè)置（1）探究地心說與日心說爭論的焦點(diǎn)。（2）探究開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律建立的過程。（3）探究橢圓軌道特征。（4）探究開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律的物理意義。

4、宇宙模型的歷史發(fā)展過程

“科學(xué)足跡”敘述了人類認(rèn)識(shí)行星運(yùn)動(dòng)的歷史，把科學(xué)與歷史、科學(xué)與藝術(shù)、科學(xué)與社會(huì)，以及科學(xué)發(fā)展與思想解放等幾方面很好地結(jié)合起來了，寓意很深，應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生反復(fù)閱讀。第二節(jié)太陽與行星間的引力1、教材性質(zhì)與地位（1)屬于科學(xué)過程教育的素材；（2)是探究性比較強(qiáng)的教學(xué)內(nèi)容；（3)是從動(dòng)力學(xué)角度來研究的；（4）是一種演繹推理的結(jié)構(gòu)。（5）與過去教材相比，新教材更清晰、更有層次地陳述了這一科學(xué)過程。2、探究過程的設(shè)計(jì)(是本章的重要內(nèi)容)問題的提出：是什么原因使行星圍繞太陽運(yùn)動(dòng)？猜想與假設(shè)：太陽對(duì)行星的引力F應(yīng)該與行星到太陽的距離r有關(guān)。

簡化模型：行星軌道按照“圓”來處理。

演繹與推理：根據(jù)牛頓第二定律和開普勒定律進(jìn)行計(jì)算。結(jié)論的得出：引力大小跟行星到太陽距離的二次方成反比……

第3節(jié)萬有引力定律1、教材性質(zhì)與地位（1）是對(duì)上一節(jié)教學(xué)內(nèi)容的進(jìn)一步外推，是下一節(jié)教材學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，是本章的重點(diǎn)知識(shí)；（2）是猜想、假設(shè)與驗(yàn)證相結(jié)合的教學(xué)內(nèi)容；（3）是一種演繹思維與歸納思維相結(jié)合的推理結(jié)構(gòu)；（4）教材的立意還在于物理理論必須接受實(shí)踐與實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)。

2、教學(xué)過程的設(shè)計(jì)（1）萬有引力的猜想。（2）萬有引力的檢驗(yàn)。（3）萬有引力定律的得出。（4）萬有引力定律的檢驗(yàn)。

第4節(jié)萬有引力理論的成就1、教材性質(zhì)與地位（1）是屬于應(yīng)用性知識(shí)的教學(xué)內(nèi)容；（2）是使萬有引力定律在應(yīng)用中得到進(jìn)一步檢驗(yàn)；（3）是使學(xué)生演繹思維能力得到進(jìn)一步訓(xùn)練；（4）教材的立意使學(xué)生感受用物理理論探索未知世界的科學(xué)魅力，激發(fā)探究未知世界興趣。

2、教學(xué)過程的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的核心問題是分析萬有引力提供向心力。（1）實(shí)驗(yàn)室稱量地球的質(zhì)量．（2）計(jì)算天體的質(zhì)量（3）預(yù)見并發(fā)現(xiàn)未知行星。

本節(jié)的教學(xué)思路與過去大致相同。與過去不同的是，在第一小節(jié)最后，本書引用了馬克·吐溫的話：“根據(jù)零星的事實(shí)，增添一點(diǎn)猜想，竟能贏得那么多收獲！”這話雖然出自一位外行人之口，卻道出了科學(xué)發(fā)現(xiàn)的精髓。本節(jié)結(jié)尾引用的馮·勞厄的話，以及最后關(guān)于太陽系邊界的富于感情的話，激勵(lì)學(xué)生去進(jìn)一步探索宇宙的奧秘。不要求分析重力隨緯度變化的原因

例：假如地球自轉(zhuǎn)速度增大,關(guān)于物體重力的下列說法中不正確的是(

)A．放在赤道地面上的物體的萬有引力不變B．放在兩極地面上的物體的重力不變C．赤道上的物體重力減小D．放在兩極地面上的物體的重力增大例：已知地球質(zhì)量大約是M=6.0×1024kg，地球半徑為R=6370km，地球表面的重力加速度g=9.8m/s2．萬有引力恒量G=6.67×10－11m3/kg·s2。求：（1）地球表面上質(zhì)量為10kg物體受到的萬有引力？（2）地球表面上質(zhì)量為10kg物體受到的重力？（3）比較萬有引力和重力的大小，你能解釋兩者之間差異的原因所在嗎？例：某星球可視為球體，其自轉(zhuǎn)周期為T，在它的兩極處，用彈簧秤測(cè)得某物體重為P，在它的赤道上，用彈簧秤測(cè)得同一物體重為0.9P，求：（1）星球的平均密度是多少？（2）若該星球的自轉(zhuǎn)速度越來越大，則當(dāng)自轉(zhuǎn)角速度ω為多少時(shí)，其表面上的物體會(huì)“漂浮”起來？（本質(zhì)是建立的模型是重力與萬有引力相等，不要求進(jìn)一步精細(xì)化）第五節(jié)宇宙航行1、教材性質(zhì)與作用（1）介紹萬有引力的實(shí)踐性成就，萬有引力理論使人類實(shí)現(xiàn)“飛天”夢(mèng)想；（2）是航天部分的重要知識(shí)；（3）重點(diǎn)理解第一宇宙速度；（4）激發(fā)學(xué)生科學(xué)獻(xiàn)身精神；（5）拓展學(xué)生科普知識(shí)。

2、教學(xué)過程的設(shè)計(jì)

其知識(shí)上的核心問題還是分析萬有引力提供向心力。（1）宇宙速度：引導(dǎo)學(xué)生推導(dǎo)第一宇宙速度，知道第二宇宙速度和第三宇宙速度物理意義，區(qū)別環(huán)繞速度與發(fā)射速度；（2）在“夢(mèng)想成真”欄目里，簡述人類航天事業(yè)的發(fā)展史；其中特別介紹了我國航天事業(yè)的發(fā)展。既談到航天成就，也談到人類為此付出的代價(jià)。全文最后說：“一個(gè)人最完美和最強(qiáng)烈的情感來自面對(duì)不解之謎”，以激勵(lì)學(xué)生科學(xué)探究的志趣。（3）在“科學(xué)漫步”欄目里，介紹黑洞概念；寫法與過去有所不同。第一，它明確提出在黑洞問題上經(jīng)典力學(xué)與實(shí)際情況是不一致的；第二，它介紹了黑洞探測(cè)的最新成果；特別是第三，它的最后一句話非常有哲理地回答了“人們?yōu)槭裁囱芯亢诙础保约盀槭裁匆芯孔匀贿@樣一個(gè)十分深刻的問題。（4）在“STS”欄目里，著重于展示航天事業(yè)與人類生活的關(guān)系。（5）補(bǔ)充有關(guān)“地球同步衛(wèi)星”的定量計(jì)算和分析．了解太陽同步極地軌道氣象衛(wèi)星等。例：1998年1月發(fā)射的“月球勘探者號(hào)”空間探測(cè)器，運(yùn)用最新科技手段對(duì)月球進(jìn)行近距離勘探，在月球重力分布、磁場(chǎng)分布及元素測(cè)定等方面取得了最新成果。探測(cè)器在一些環(huán)形山中發(fā)現(xiàn)了質(zhì)量密集區(qū)，當(dāng)飛越這些質(zhì)量密集區(qū)時(shí)，通過地面的大口徑射電望遠(yuǎn)鏡觀察，“月球勘探者號(hào)”的軌道參數(shù)發(fā)生了微小變化，這些變化是（）

A．半徑變小B．半徑變大

C．速率變大D．速率變小

（模型不清,不再是勻速圓周運(yùn)動(dòng)了——等效圓）例：兩顆星球，它們?cè)谙嗷ブg的萬有引力作用下，繞連線上某點(diǎn)為圓心做穩(wěn)定的勻速圓周運(yùn)動(dòng)，這樣的運(yùn)行天體稱為“雙星”系統(tǒng)，若雙星相距為L，雙星質(zhì)量分別為m1與m2，m1的繞行半徑為多少？則它們的周期各為多少？(雙星問題的本質(zhì),不要求分析與計(jì)算兩個(gè)物體聯(lián)結(jié)在一起做圓周運(yùn)動(dòng)的問題)

Om1m2

r1

r2會(huì)解決涉及人造地球衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的較簡單的問題

例：在太空運(yùn)行了15年的俄羅斯“和平號(hào)”軌道空間站已于2000年3月23日墜毀，其殘骸撒落在南太平洋預(yù)定海域。墜毀前，因受高空稀薄空氣阻力和地面控制作用的影響，空間站在繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)（可近似看作圓周運(yùn)動(dòng)）的同時(shí)逐漸地向地球靠近，在這有過程中空間站運(yùn)行的（）A．角速度逐漸減小B．線速度逐漸減小C．加速度逐漸減小D．周期逐漸減小

(非圓周運(yùn)動(dòng)模型，等效圓,考慮重力勢(shì)能)例：2005年10月12日我國“神州”六號(hào)載人飛船在酒泉載人航天發(fā)射場(chǎng)發(fā)射升空，飛船在軌飛行約115個(gè)小時(shí)，環(huán)繞地球77圈后，于10月17日安全返回主著陸場(chǎng)。這次發(fā)射是人類探索太空歷史上的又一次重要成就。已知飛船在太空中運(yùn)行的軌道是一個(gè)橢圓，橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)是地球的球心，如圖所示，飛船在飛行中是無動(dòng)力飛行，只受到地球的引力作用，則在飛船從軌道的P點(diǎn)沿箭頭方向運(yùn)行到Q點(diǎn)的過程中，以下說法中正確的有（）A．飛船的速度逐漸增大B．飛船的速度逐漸減小C．引力對(duì)飛船做正功D．飛船的機(jī)械能逐漸減小

例：盡管人類已經(jīng)跨入太空，登上月球，但是，相對(duì)于宇宙之宏大，地球和月亮不過是茫茫宇宙中的兩粒塵埃；相對(duì)于宇宙之久長，人類歷史不過是宇宙年輪上一道小小的刻痕……，宇宙留給人們的思考和疑問深邃而廣闊：宇宙有沒有邊界？有沒有起始和終結(jié)？愛因斯坦曾經(jīng)說過：“一個(gè)人最完美和最強(qiáng)烈的情感來自面對(duì)不解之謎?！蹦阆爰尤肫平馑男辛袉幔楷F(xiàn)在，你假如是某宇宙飛船上的一位科研人員，在探索某星球時(shí)進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)：①當(dāng)飛船停留在距該星球一定的距離時(shí)，正對(duì)著該星球發(fā)出一個(gè)激光脈沖，經(jīng)過時(shí)間t后收到反射回來的信號(hào)，并測(cè)得此時(shí)刻觀察者的眼睛對(duì)星球所張視角為θ；②當(dāng)飛船在該星球著陸后，科研人員在距星球表面h處以初速度v0水平拋出一個(gè)小球，并測(cè)出落點(diǎn)到拋出點(diǎn)的水平距離為s。已知萬有引力常量為G，光速為c，星球的自轉(zhuǎn)影響及大氣對(duì)物體的阻力均不計(jì)。試根據(jù)以上信息，請(qǐng)你完成以下工作：（1）星球的半