高中物理：第6章《萬有引力與航天》教材分析（新人教版必修2）

1、2010年石家莊市高中物理“套餐式”系列教研活動(dòng)項(xiàng)目（之八）第六章 萬有引力與航天 -教材分析（必修二模塊）一、教材的整體把握（一）課程目標(biāo) 1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)識發(fā)現(xiàn)萬有引力定律的重要意義，體會科學(xué)定律對人類探索未知世界的作用 . 2會計(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 3初步了解經(jīng)典時(shí)空觀和相對論時(shí)空觀，知道相對論對人類認(rèn)識世界的影響。 4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能量變化的特點(diǎn)，體會量子論的建立深化了人類對于物質(zhì)世界的認(rèn)識5通過實(shí)例，了解經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展歷程和偉大成就，體會經(jīng)典力學(xué)創(chuàng)立的價(jià)值與意義，認(rèn)

2、識經(jīng)典力學(xué)的適用范圍和局限性（二）、教材框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)太陽與行星間的引力萬有引力理論的成就萬有引力定律宇宙航行行星的運(yùn)動(dòng)經(jīng)典力學(xué)的局限性二、新、舊教材對比及分析第六章 萬有引力與航天第六章 萬有引力定律1 行星的運(yùn)動(dòng)一、行星的運(yùn)動(dòng)2 太陽與行星間的引力二、萬有引力定律3 萬有引力定律三、引力常量的測定4 萬有引力理論的成就四、萬有引力定律在天文學(xué)上的應(yīng)用5 宇宙航行 五、人造衛(wèi)星 宇宙速度 6 經(jīng)典力學(xué)的局限性六、行星、恒星、星系和宇宙新教材大體繼承了原教材的知識線索，在關(guān)于“萬有引力與航天”方面的知識要求沒有大的變化。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

3、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”來作為必修教材牛頓力學(xué)的結(jié)尾，是對學(xué)生所學(xué)經(jīng)典力學(xué)的一次總結(jié)。三、新教材的特點(diǎn)新教材充分展現(xiàn)萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)過程，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力：萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)過程猶如一部壯麗的科學(xué)史詩，它歌頌了前輩科學(xué)家的科學(xué)精神，也發(fā)現(xiàn)了科學(xué)發(fā)展過程中科學(xué)家們富有創(chuàng)造而有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思想，是發(fā)展學(xué)生思維能力難得的好材料。教科書在尊重歷史事實(shí)的前提下，通過一些邏輯思維的鋪墊，讓學(xué)生以自己現(xiàn)有的知識基礎(chǔ)處身于歷史的

4、背景下，經(jīng)歷一次自己發(fā)現(xiàn)萬有引力定律的過程。注重科學(xué)文化教育科學(xué)意識、科學(xué)精神、科學(xué)價(jià)值觀等都是在科學(xué)發(fā)展的過程中形成的。牛頓時(shí)代的科學(xué)家們圍繞萬有引力的研究，經(jīng)歷了大量曲折頑強(qiáng)而又閃爍智慧的科學(xué)實(shí)踐。這些科學(xué)發(fā)展過程中的事例都是實(shí)現(xiàn)“情感、態(tài)度、價(jià)值觀”目標(biāo)的好材料。本書通過托勒密、哥白尼、第谷、開普勒等科學(xué)家關(guān)于行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究的介紹，使學(xué)生領(lǐng)略前輩科學(xué)家對自然奧秘不屈不撓的探索精神和對待科學(xué)研究一絲不茍的態(tài)度。從牛頓時(shí)空觀到愛因斯坦時(shí)空觀之間的“漫步”，展現(xiàn)兩個(gè)世紀(jì)以來科學(xué)家們對“黑洞”的探究，開闊視野，激發(fā)學(xué)生的求知欲，激勵(lì)學(xué)生對未來的探索。在牛頓的科學(xué)生涯一文中，引用了牛頓的名言：“

5、我不過是一個(gè)在海濱玩耍的小孩，不時(shí)地比別人找到一塊更光滑、更美麗的卵石和貝殼而感到高興，而在我面前的真理的海洋，卻完全是個(gè)謎。”引用愛因斯坦的話“一個(gè)人最美麗和最強(qiáng)烈的情感來自面對不解之謎。”在“黑洞”一文，霍金自問道：“問什么人類要攀登珠穆朗瑪峰？因?yàn)樗驮谀抢??！边@些都是名家們對科學(xué)不懈追求的動(dòng)力的解釋，是名家們樸實(shí)科學(xué)價(jià)值觀的體現(xiàn)。增進(jìn)科學(xué)與生活、社會的聯(lián)系 教科書STS欄目，“航天事業(yè)改變著人類的生活” 正確評價(jià)經(jīng)典力學(xué)教科書肯定了經(jīng)典力學(xué)的巨大成就，同時(shí)從三個(gè)方面介紹了經(jīng)典力學(xué)的局限性，讓學(xué)生知道科學(xué)成就總是在不斷發(fā)展的。但一個(gè)新的科學(xué)理論的建立并不意味著原有科學(xué)理論的推翻，而是原有

6、科學(xué)理論在一定條件下成為新理論的一部分，科學(xué)理論的普適性總是相對的，科學(xué)是在不斷探索更廣泛適用的理論中得到發(fā)展。教學(xué)建議：注重三維教學(xué)目標(biāo)的落實(shí)，抓住理論指導(dǎo)實(shí)際的應(yīng)用，落實(shí)定量運(yùn)算中的動(dòng)手能力第一節(jié) 行星的運(yùn)動(dòng)一、教材分析與教學(xué)建議本節(jié)內(nèi)容對全章的教學(xué)起著引領(lǐng)性的作用，同時(shí)又為本章的重點(diǎn)內(nèi)容萬有引力定律的學(xué)習(xí)起一個(gè)鋪墊性的作用。本節(jié)內(nèi)容特點(diǎn)：知識容量較少，但包括的科學(xué)史料十分豐富。因此本節(jié)的教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)立足于對學(xué)生進(jìn)行科學(xué)精神、科學(xué)思想方法的教育。讓學(xué)生在科學(xué)家關(guān)于天體運(yùn)動(dòng)的研究歷史中感悟科學(xué)家求真、求簡的科學(xué)思想方法和科學(xué)精神-不僅要讓學(xué)生了解知識的結(jié)論，而且要讓學(xué)生了解知識結(jié)論得到的過程。

7、二、新舊教材對比1 行星的運(yùn)動(dòng)一、行星的運(yùn)動(dòng)（1）地心說與日心說之爭舊教材:“旁批”-不容易落實(shí)新教材：30-32頁藝術(shù)與科學(xué)是那樣的和諧統(tǒng)一感悟科學(xué)家的胸懷氣魄通過對托勒密、哥白尼、第谷、開普勒等科學(xué)家關(guān)于對行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究的介紹，領(lǐng)略到前輩科學(xué)家對自然奧秘不屈不撓的探索精神和對待科學(xué)研究一絲不茍的態(tài)度，感悟到科學(xué)的結(jié)論總是在頑強(qiáng)曲折的科學(xué)實(shí)踐中悄悄地來臨。2.開普勒定律舊教材：只有第一和第三定律（第二定律在頁腳做了說明）；第一定律只有描述，沒有對橢圓的介紹。新教材：第一、第二、第三定律都有；第一定律有了對橢圓的相關(guān)介紹，增加了“做一做”，通過學(xué)生動(dòng)手，使他們對橢圓有了比較深刻的認(rèn)識，能更好

8、的理解開普勒第一定律，并且為以后的數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)。3.結(jié)尾的總結(jié)舊教材：開普勒關(guān)于行星運(yùn)動(dòng)的確切描述不僅使人們在解決行星的運(yùn)動(dòng)學(xué)問題上有了依據(jù)，更澄清了人們多年來對天體運(yùn)動(dòng)的神秘、模糊的認(rèn)識，同時(shí)也推動(dòng)了對天體動(dòng)力學(xué)問題的研究。新教材：明確的指出了中學(xué)階段對天體運(yùn)動(dòng)的處理手段并且繪制了太陽系八顆行星及冥王星的軌道，讓學(xué)生直觀感覺行星的軌道十分接近圓(在某種程度上說，科學(xué)就是一種近似，一種舍棄了次要因素，緊緊抓住主要因素的近似，正是這種近似，才有了真正意義上的科學(xué)。其實(shí)，做人做事也一樣，要學(xué)會取，更要學(xué)會舍)（其中第二條近似也為下一節(jié)太陽對行星的引力打下基礎(chǔ)）三、教學(xué)建議(僅從教學(xué)的幾個(gè)環(huán)節(jié)

9、上建議，以下同)1.課前查找有關(guān)描述天體運(yùn)動(dòng)的資料，并準(zhǔn)備在課堂上交流（分組討論展示結(jié)果師生評價(jià)教師小結(jié)）通過對天體運(yùn)行研究歷史的了解，體會科學(xué)研究的一般方法觀測、質(zhì)疑、批判、猜測、分析與研究?？茖W(xué)研究需要有合作精神，實(shí)驗(yàn)歸納和數(shù)學(xué)演繹相結(jié)合的方法，是經(jīng)過幾代科學(xué)家的不懈努力所形成的學(xué)習(xí)科學(xué)家的精神：不畏權(quán)威，相信真理、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度和勇于獻(xiàn)身的科學(xué)精神。體會科學(xué)與藝術(shù)和諧統(tǒng)一與自然之中，宇宙與自然的美來源于簡單與和諧。2做一做：畫橢圓認(rèn)識橢圓：兩個(gè)焦點(diǎn)、長短半軸，橢圓上的點(diǎn)到兩焦點(diǎn)的距離之和遵從什么規(guī)律 3組織討論：（1）日心說的基本內(nèi)容是什么？ （2）第谷的主要貢獻(xiàn)是什么？（

10、3）開普勒對天體運(yùn)行規(guī)律研究的成果是什么？（4）第谷、開普勒是在怎樣的社會環(huán)境和科學(xué)技術(shù)條件下研究天體運(yùn)行規(guī)律，并得出結(jié)果的？4. 探究K行星半長軸(a106km)公轉(zhuǎn)周期(天)K值水星5787.973.36×1018金星1082253.35×1018地球1493653.31×1018火星2286873.36×1018木星7784333？土星142610759？天王星286930686？海王星449560188？同步衛(wèi)星0.04241？月球0.384427.322？ 分6組計(jì)算從木星到月球的k值，分享共同結(jié)果。得出和k有關(guān)的因素5、課后補(bǔ)充作業(yè)

11、1真理的產(chǎn)生就像嬰兒的出生一樣，是一個(gè)痛苦的過程，這個(gè)過程需要自己的努力，更需要?jiǎng)e人的幫助。從本節(jié)課的學(xué)習(xí)，談?wù)勀銓Υ说睦斫狻?根據(jù)本節(jié)所學(xué)，撰寫小論文艱難的歷程。5思考問題：是什么力使一顆星圍繞另一顆星運(yùn)動(dòng)？并預(yù)習(xí)下節(jié)學(xué)習(xí)內(nèi)容。第二節(jié) 太陽與行星間的引力一、新舊教材對比：2 太陽與行星間的引力二、萬有引力定律舊教材：1.推導(dǎo)萬有引力定律的過程較粗，不太符合循序漸進(jìn)的原則2.“檢驗(yàn)地面上的重力與天體間的引力是同一性質(zhì)的力”的“月-地”檢驗(yàn)，在旁批出現(xiàn)，加大了難度，不易落實(shí)到位。新教材：“太陽與行星間的引力”獨(dú)立出來研究天體間的作用力，然后再利用一個(gè)課時(shí)研究萬有引力定律，把天上、地上聯(lián)系起來，天

12、體間的萬有引力規(guī)律的推導(dǎo)更調(diào)理清晰，每一步的推導(dǎo)目的更明確，難度分散，使月地檢驗(yàn)（在下一節(jié)）有充足的時(shí)間落實(shí)，并且使學(xué)生對物理知識的發(fā)展過程認(rèn)識得更清晰。二、教材分析：從行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律到萬有引力定律的建立過程，是本章的重要內(nèi)容，是極好的科學(xué)過程教育素材，在行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與萬有引力定律兩節(jié)內(nèi)容之間安排本節(jié)內(nèi)容，是為了更突出發(fā)現(xiàn)萬有引力定律的這個(gè)科學(xué)過程。如果說上一節(jié)內(nèi)容是從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度來描述行星運(yùn)動(dòng)的話，那么本節(jié)內(nèi)容就是從動(dòng)力學(xué)的角度來研究行星的運(yùn)動(dòng)。研究過程是一個(gè)依據(jù)已有規(guī)律進(jìn)行的演繹推理過程。這節(jié)內(nèi)容與下一節(jié)內(nèi)容結(jié)合起來，應(yīng)該說是一個(gè)比較完整的探究過程。從問題的提出、猜想與假設(shè)、結(jié)論的得出、檢驗(yàn)論

13、證等，是一次很好的探究性學(xué)習(xí)過程。三、教學(xué)建議：(1) 問題的提出：開普勒定律發(fā)現(xiàn)之后，人們開始更深入的思考，是什么原因使行星圍繞太陽運(yùn)動(dòng)？(2) 猜想與假設(shè)：行星和太陽間的引力物理的發(fā)展離不開數(shù)學(xué) （簡介認(rèn)識過程：伽利略認(rèn)為一切物體都有合并的趨勢，這種趨勢導(dǎo)致物體做圓周運(yùn)動(dòng)；開普勒認(rèn)為是太陽發(fā)出的磁力；笛卡兒認(rèn)為是流質(zhì)渦旋帶動(dòng)；胡克、哈雷認(rèn)為是太陽引力，甚至證明了如果行星的軌道是圓形的，他所受的引力的大小跟行星到太陽距離的二次方成反比。但無法證明在橢圓軌道下也遵循同樣的規(guī)律 。這個(gè)問題也使牛頓困惑了許多年，直道牛頓憑借他超凡的數(shù)學(xué)能力用他自己發(fā)明的微積分解決了問題，證明了如果太陽和行星間的引

14、力跟他們距離的二次方成反比，則行星的軌道是橢圓。由于流質(zhì)渦旋帶動(dòng)符合人們的生活經(jīng)驗(yàn)，所以當(dāng)時(shí)被廣泛接受，甚至牛頓都是在信仰這種學(xué)說中長大的，因此牛頓敢于堅(jiān)持引力說是需要很大的勇氣的。當(dāng)然這種勇氣也來自他廣泛汲取的別人的成就，包括歐幾里得數(shù)學(xué)，阿基米德靜力學(xué)，開普勒定律，伽利略運(yùn)動(dòng)理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，惠更斯的向心力等。 大家合作才能攻克難題讓學(xué)生體會現(xiàn)在我們認(rèn)為很簡單的知識，在歷史上的發(fā)現(xiàn)過程不是一蹴而就的，是經(jīng)過長時(shí)間甚至幾代人的努力的，可以說它不是一個(gè)人的功績。二是讓學(xué)生體會牛頓之偉大來自于其天才，更來自于他廣泛吸取別人的成就的勤奮。對學(xué)生進(jìn)行勵(lì)志教育?！耙Υ笮〉降赘裁从嘘P(guān) ?”再次激疑(3

15、) 簡化模型：行星軌道按圓來處理（4）推導(dǎo)行星和太陽間的引力過程探究過程 一、太陽對行星的引力問題設(shè)置:1、行星繞太陽作勻速圓周運(yùn)動(dòng)，寫出行星需要的向心力表達(dá)式，并說明式中符號的物理意義。2、行星運(yùn)動(dòng)的線速度v與周期T的關(guān)系式如何？為何要消去v？寫出要消去v后的向心力表達(dá)式 3、如何應(yīng)用開普勒第三定律消去周期T？為何要消去周期T？4、寫出引力F與距離r的比例式，說明比例式的意義二、行星對太陽的引力舊教材：一對作用力和反作用力具有相同的性質(zhì)，在與外界關(guān)系上就應(yīng)該具有相同的規(guī)律新教材：三、太陽與行星間的引力原來物理這么有意思新教材的編寫，具有很強(qiáng)的邏輯關(guān)系，在教學(xué)過程中，要注意引力的關(guān)系式的推導(dǎo)不

16、是公式的羅列，一定要讓學(xué)生搞清為什么用這個(gè)公式而不用那個(gè)公式；在推導(dǎo)過程中，用了哪些方面的知識（牛頓第二定律、牛頓第三定律、開普勒第三定律）？在使用牛頓第二定律中，屬于哪個(gè)方面的應(yīng)用（已知物體的運(yùn)動(dòng)情況，判斷物體的運(yùn)動(dòng)情況）？新舊教材對比：新教材條理更清晰，邏輯思維更嚴(yán)謹(jǐn)，證明更具有可信性 （比如“受力體受到的力與受力體的質(zhì)量成正比”）問題與練習(xí)：1.認(rèn)真對待，是使學(xué)生對物理方法的歸納總結(jié)2.這個(gè)無法在實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證的規(guī)律就是開普勒第三定律，是開普勒根據(jù)研究天文學(xué)家第谷的行星觀測記錄研究出來的。突出物理研究的方法：觀察現(xiàn)象，記錄數(shù)據(jù)，歸納分析-對學(xué)生的發(fā)展具有積極的意義。補(bǔ)充：3.本節(jié)課后，作業(yè)“

17、認(rèn)真閱讀48頁科學(xué)足跡：牛頓的科學(xué)生涯。并在同學(xué)中交流，談?wù)勀阕x后的感想。4.35頁“說一說”認(rèn)真思考，同學(xué)間交流，共同分析觀點(diǎn)的可行性第三節(jié) 萬有引力定律一、教材分析與教學(xué)建議本節(jié)內(nèi)容是對上一節(jié)教學(xué)內(nèi)容的進(jìn)一步外推，是下一節(jié)內(nèi)容學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)；是猜想、假設(shè)、與驗(yàn)證相結(jié)合的教學(xué)內(nèi)容；是一種演繹思維與歸納思維相結(jié)合的推理知識建構(gòu)結(jié)構(gòu)。其立意還在于物理理論還必須接受實(shí)踐的檢驗(yàn)。流程圖： 教學(xué)建議：探究過程（1）萬有引力的猜想 .d2009級高一教科所萬有引力定律.ppt通過上節(jié)的分析，我們已經(jīng)知道了太陽與行星間的引力規(guī)律，牛頓接著設(shè)想， 離開樹枝的蘋果，為什么總落向地面?又是什么力使得拋出去

18、的物體不能離開地球，總要落回地面呢？地球?qū)μO果的引力和太陽對行星的引力是否根本就是同一種力？于是我們可以提出這樣的猜想：太陽對行星的引力，地球?qū)υ虑虻牧?，地球?qū)Φ孛嫔衔矬w的力，也許真是同一種力，遵循相同的規(guī)律？假定上述猜想成立，月球和蘋果的地位相當(dāng)，則地球?qū)υ虑虻牧εc地球?qū)μO果的力應(yīng)該同樣遵從“平方反比”律，即 （2）萬有引力的檢驗(yàn)創(chuàng)設(shè)情景：“月-地檢驗(yàn) ”在牛頓時(shí)代，重力加速度g、地球半徑R，月-地的距離(月球軌道半徑)r、月球的公轉(zhuǎn)周期T都能精確的測定，已知r=38×108m，T=27.3天，g=9.8m/s2， r=60R，那么： 月球在軌道上的加

19、速度a（月球公轉(zhuǎn)的向心加速度）由誰提供？大小與月球的質(zhì)量是否有關(guān)？等于多少？=0.0027m/s 如果地球?qū)υ虑虻牧εc地球?qū)μO果的力同樣遵從“平方反比”律， 那么，物體在地面附近受到的，則有 檢驗(yàn)a=0.0027m/s是在地面附近下落物體的加速度（重力加速度g）的幾分之一？通過創(chuàng)設(shè)情景，引導(dǎo)學(xué)生定量計(jì)算，用無可辯駁的事實(shí)證明猜想的正確性，增強(qiáng)學(xué)生的理性認(rèn)識。  可見：用數(shù)據(jù)說明上述設(shè)想的正確性，牛頓的設(shè)想經(jīng)受了事實(shí)的檢驗(yàn)，地球?qū)υ虑虻牧?，地球?qū)Φ孛嫖矬w的力真是同一種力。至此，平方反比律已經(jīng)擴(kuò)展到太陽與行星之間，地球與月球之間、地球?qū)Φ孛嫖矬w之間。牛頓做了更大膽的設(shè)

20、想，任意兩個(gè)物體之間都存在這樣的力嗎？很可能一般物體的質(zhì)量比天體的質(zhì)量小得多我們沒有覺察到。于是上述理論被推廣到一切物體之間。(萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)，把天上地上統(tǒng)一了起來，對科學(xué)文化發(fā)展起到了積極的推動(dòng)作用，解放了人們的思想，給人們探索自然的奧秘建立了極大信心，人們有能力理解天地間的各種事物。) 萬有引力定律的內(nèi)容(新舊教材對比)：自然界中任何兩個(gè)物體都相互吸引，引力的方向在它們的連線上，引力大小與物體的質(zhì)量m 1 m2的乘積成正比，與它們之間距離r的二次方成反比 對萬有引力定律的理解 普遍性：萬有引力存在于任何兩個(gè)物體之間，只不過一般物體的質(zhì)量與星球相比太小了，他們之間的萬有引力也非常小，完全

21、可以忽略不計(jì)。相互性：兩個(gè)物體相互作用的引力是一對作用力與反作用力 萬有引力定律的適用條件：只適用于兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)間的引力，當(dāng)物體之間的距離遠(yuǎn)大于物體本身時(shí)，物體可看成質(zhì)點(diǎn)；當(dāng)兩物體是質(zhì)量分布均勻的球體時(shí)，它們間的引力也可直接用公式計(jì)算，但式中的r是指兩球心間的距離。（要搞清萬有引力與萬有引力定律之間的關(guān)系） （3）萬有引力定律的檢驗(yàn)（建議補(bǔ)充卡文迪許扭秤）牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律，卻沒有給出引力恒量的數(shù)值。由于一般物體間的引力非常小，用實(shí)驗(yàn)測定極其困難。直到一百多年之后，才由英國的卡文迪許用精巧的扭秤測出。該實(shí)驗(yàn)精巧之處：將不易觀察的微小變化量，轉(zhuǎn)化為容易觀察的顯著變化量，再根據(jù)顯著變化量與微小量的

22、關(guān)系，算出微小變化量扭秤裝置把微小力轉(zhuǎn)變成力矩來反映（一次放大），扭轉(zhuǎn)角度通過光標(biāo)的移動(dòng)來反映（二次放大），從而確定物體間的萬有引力引力常量的測定的意義：1證明了萬有引力的存在的普遍性。2使得萬有引力定律有了真正的實(shí)用價(jià)值，可測定遠(yuǎn)離地球的天體的質(zhì)量、密度等。3扭秤實(shí)驗(yàn)巧妙地利用等效法合理地將微小量進(jìn)行放大，開創(chuàng)了測量弱力的新時(shí)代引力常量的意義：表示兩個(gè)質(zhì)量為1kg的質(zhì)點(diǎn)相距1m時(shí)，引力大小為6.67×10-11N當(dāng)堂訓(xùn)練：估算兩個(gè)質(zhì)量均為50kg的人，相距2m時(shí)的引力大小這個(gè)力到底有多大呢？托盤天平的最小砝碼質(zhì)量1g ,重力為G=10-2N，是F的2.4×105倍（二十四

23、萬倍），它相當(dāng)于幾十粒塵埃的重力。我們之間的引力真的非常非常小，完全可以忽略不計(jì)。而天體比如地球與我們間的萬有引力是多大？可以忽略嗎？太陽和地球之間的引力為3.56×1022N,這樣大的力如果作用在直徑是9000km的鋼柱兩端，就？可以把它拉斷（形象了解萬有引力的大?。┑谒墓?jié) 萬有引力理論的成就一、教材分析:本節(jié)教學(xué)要求學(xué)生體會萬有引力定律經(jīng)受實(shí)踐的檢驗(yàn)，取得了很大的成功；理解萬有引力定律巨大作用和價(jià)值，對它在科學(xué)史上所產(chǎn)生的重大影響無論怎樣估計(jì)也不是過分的。通過本節(jié)的學(xué)習(xí)，重點(diǎn)使學(xué)生深刻體會科學(xué)定律對人類探索未知世界的作用,激起學(xué)生對科學(xué)探究的興趣，培養(yǎng)熱愛科學(xué)的情感。本節(jié)分三個(gè)板

24、塊：實(shí)驗(yàn)室稱量地球質(zhì)量；計(jì)算天體質(zhì)量；發(fā)現(xiàn)未知天體。二、新舊教材對比：4 萬有引力理論的成就四、萬有引力定律在天文學(xué)上的應(yīng)用從標(biāo)題上看，新課標(biāo)教材更加突出了萬有引力理論的巨大作用和價(jià)值；從內(nèi)容安排上，課標(biāo)教材增加了“科學(xué)真是迷人”小節(jié)，激起學(xué)生對科學(xué)探究的興趣，培養(yǎng)熱愛科學(xué)的情感。三、教學(xué)建議：科學(xué)真是迷人;一、稱量地球質(zhì)量：提出問題：1.假設(shè)我們跳出地球，觀察它上面的物體，由于地球在自傳，物體做什么運(yùn)動(dòng)?2.什么原因使它做這種運(yùn)動(dòng)？請以赤道上的物體為例分析FFNF-FN=FnFN =mg探究一：已知地球的質(zhì)量M=6.0×1024kg,地球半徑R=6.378×103km.請

25、根據(jù)以上數(shù)據(jù)計(jì)算:3.在赤道表面上質(zhì)量為1 kg的物體所受的重力及萬有引力4.該物體隨地球自轉(zhuǎn)所需的向心力.5.根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，在忽略地球自轉(zhuǎn)的影響的情況下，你能得出什么結(jié)論？(若不考慮地球自轉(zhuǎn)的影響，地面上質(zhì)量為m的物體所受的重力mg等于地球?qū)ξ矬w的萬有引力)結(jié)論： 探究二：現(xiàn)有下列器材：彈簧秤、天平。請?jiān)O(shè)計(jì)稱量地球質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)方案。（地球半徑R已知）探究三：2003年10月15日9時(shí)，我國神州五號宇宙飛船在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，把楊利偉送入太空。飛船繞地球飛行14圈后，于10月16日6時(shí)23分安全降落在內(nèi)蒙古主著陸場。下面請同學(xué)們幫助楊利偉設(shè)計(jì)測量地球質(zhì)量的方案。提供器材：計(jì)時(shí)器。 （

26、飛船的飛行高度已知）文學(xué)家的感慨:w 科學(xué)真是迷人。根據(jù)零星的事實(shí)，增加一點(diǎn)猜想，竟能贏得那么多收獲！ -馬克·吐溫 二、計(jì)算天體的質(zhì)量思考與討論1.天體實(shí)際做何運(yùn)動(dòng)?而我們通?？烧J(rèn)為做什么運(yùn)動(dòng)?（1）an=（2）an=2·r（3）an=42r/T22.描述勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物理量有哪些?3.根據(jù)環(huán)繞天體的運(yùn)動(dòng)情況求解其向心加速度有幾種求法?4.應(yīng)用天體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程萬有引力充當(dāng)向心力求出的天體質(zhì)量有幾種表達(dá)式?各是什么?各有什么特點(diǎn)?5.應(yīng)用此方法能否求出環(huán)繞天體的質(zhì)量?應(yīng)用天體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程萬有引力充當(dāng)向心力，結(jié)合圓周運(yùn)動(dòng)向心加速度的三種表述方式可得三種形式的方程，即F

27、引=G= m=m2r= m從上述動(dòng)力學(xué)方程的三種表述中，可得到相應(yīng)的天體質(zhì)量的三種表達(dá)形式：（1）M=v2r/G.（2）M=2r3/G.（3）M=42r3/GT2.從上面的學(xué)習(xí)可知，在應(yīng)用萬有引力定律求解天體質(zhì)量時(shí)，只能求解中心天體的質(zhì)量，而不能求解環(huán)繞天體的質(zhì)量。而在求解中心天體質(zhì)量的三種表達(dá)式中，最常用的是已知周期求質(zhì)量的方程。因?yàn)榄h(huán)繞天體運(yùn)動(dòng)的周期比較容易測量。探究四：如果以繞太陽做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的水星為研究對象，需要知道哪些量才能求得太陽的質(zhì)量？ 水星和地球繞太陽做圓周運(yùn)動(dòng)的公轉(zhuǎn)周期T是不一樣的，公轉(zhuǎn)半徑也是不一樣的，那用公式 求解出來的太陽的質(zhì)量會是一樣的嗎？ 總結(jié)歸納、1.應(yīng)用萬有引

28、力定律求解天體質(zhì)量的基本思路是什么? 根據(jù)環(huán)繞天體的運(yùn)動(dòng)情況，求出其向心加速度，然后根據(jù)萬有引力充當(dāng)向心力，進(jìn)而列方程求解.2.求解天體質(zhì)量的方程依據(jù)是什么? 從前面的學(xué)習(xí)知道，天體之間存在著相互作用的萬有引力，而行星（或衛(wèi)星）都在繞恒星（或行星）做近似圓周的運(yùn)動(dòng)，而物體做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)合力充當(dāng)向心力，故對于天體所做的圓周運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程只能是萬有引力充當(dāng)向心力，這也是求解中心天體質(zhì)量時(shí)列方程的根源所在.當(dāng)堂訓(xùn)練：1.把地球繞太陽公轉(zhuǎn)看做是勻速圓周運(yùn)動(dòng)，平均半徑為1.5×1011 m，已知引力常量為：G=6.67×10-11 N·m2/kg2，則可估算出太陽的質(zhì)量大約

29、是多少千克?（結(jié)果取一位有效數(shù)字）2.2020年我們班的某同學(xué)駕駛著神州號宇宙飛船飛近某一不知名的行星,并進(jìn)入靠近該行星表面的圓形軌道運(yùn)行, 對該行星進(jìn)行觀測需要測定該行星的密度請同學(xué)們幫他想想辦法三、發(fā)現(xiàn)未知天體1、應(yīng)用萬有引力定律除可計(jì)算天體質(zhì)量外，還可以在天文學(xué)上有何應(yīng)用？2、應(yīng)用萬有引力定律發(fā)現(xiàn)了哪些行星？人們是怎樣應(yīng)用萬有引力定律來發(fā)現(xiàn)未知天體的?發(fā)表你的看法第五節(jié) 宇宙航行一、教材分析:1.本節(jié)屬于航天部分的重要知識，介紹萬有引力的重要成就。使學(xué)生知道是萬有引力理論使人類實(shí)現(xiàn)“飛天”夢想。教科書簡述了人類航天事業(yè)的發(fā)展，特別列舉了成功發(fā)射的人造地球衛(wèi)星的幾個(gè)實(shí)例，使學(xué)生通過展示人類

30、在宇宙航行領(lǐng)域中的偉大成就，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的熱情通過介紹我國在航天方面的成就，激發(fā)學(xué)生的愛國熱情，增強(qiáng)民族自信心和自豪感。感知人類探索宇宙的夢想，促使學(xué)生樹立獻(xiàn)身科學(xué)的人生觀和價(jià)值觀。本節(jié)既介紹航天成就，又談到人類為此付出的代價(jià)。全文最后以愛因斯坦的名言“一個(gè)人最完美和最強(qiáng)烈的情感來自面對不解之謎”來激勵(lì)學(xué)生科學(xué)探究的志趣。書中圖片用來激發(fā)學(xué)生的科學(xué)獻(xiàn)身精神。宇宙航行不但介紹了人造衛(wèi)星中一些基本理論，更是在其中滲透了很多研究實(shí)際物理問題的物理方法。因此，本節(jié)課是“萬有引力定律與航天”中的重點(diǎn)內(nèi)容，是學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)研究天體物理問題的理論基礎(chǔ)。 本節(jié)重點(diǎn)講述了人造衛(wèi)星的發(fā)射原理，推導(dǎo)了

31、第一宇宙速度，并介紹了第二、第三宇宙速度。人造衛(wèi)星是萬有引力定律在天文學(xué)上應(yīng)用的一個(gè)實(shí)例，是人類征服自然的見證，體現(xiàn)了知識的力量，是學(xué)生學(xué)習(xí)了解現(xiàn)代科技知識的一個(gè)極好素材。  在學(xué)習(xí)牛頓對衛(wèi)星發(fā)射的思考過程的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探索能力；培養(yǎng)學(xué)生在處理實(shí)際問題時(shí)，如何構(gòu)建物理模型的能力。 通過對衛(wèi)星運(yùn)行的線速度、角速度、周期與軌道半徑的關(guān)系的討論，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用知識分析解決實(shí)際問題的能力。本節(jié)課的難點(diǎn)在于對人造衛(wèi)星原理的理解，因此教學(xué)設(shè)計(jì)上采用理論探究法，在設(shè)計(jì)中突出發(fā)揮學(xué)生的主體作用，課堂中通過設(shè)疑思考啟發(fā)引導(dǎo)這樣一條主線，激發(fā)鼓勵(lì)學(xué)生的大膽思考、積極參與，讓學(xué)生通過自己的分

32、析研究來掌握獲取相關(guān)的知識和方法。二、新舊教材對比：5 宇宙航行 五、人造衛(wèi)星 宇宙速度 1.舊教材: 有“人造衛(wèi)星 宇宙速度”兩個(gè)板塊新教材：是“宇宙速度 夢想成真”兩個(gè)板塊，期中宇宙速度涵蓋了“人造衛(wèi)星”的內(nèi)容2STS二教學(xué)設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)思想  學(xué)生可能認(rèn)為航天事業(yè)是一項(xiàng)高精尖的事業(yè)，與自己相去甚遠(yuǎn)，其實(shí)，它在改變著我們的日常生活。在STS欄目里，著重給學(xué)生展示航天事業(yè)與人類生活的關(guān)系。（適當(dāng)補(bǔ)充“航天器”，航天器是在地球大氣以外的空間，執(zhí)行探索、開發(fā)或利用太空及天體等特定任務(wù)的飛行器它受天體引力的作用，按照天體力學(xué)的規(guī)律運(yùn)行。航天器種類繁多，分為無人航天器和載

33、人航天器。航天知識的簡單介紹，使學(xué)生感受科學(xué)正在改變著我們的生活，要學(xué)科學(xué)、用科學(xué)、以提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。在介紹各種衛(wèi)星時(shí)，適當(dāng)補(bǔ)充“地球同步衛(wèi)星”的分析和定量計(jì)算。二、教學(xué)設(shè)計(jì)（幾點(diǎn)提示）1新課引入：在第五章第八節(jié)中有這樣一幅圖片當(dāng)汽車的速度達(dá)到一定值時(shí)，汽車與地面間就不存在擠壓力了。汽車和汽車?yán)锏娜宋锏染吞幱谕耆е貭顟B(tài)，這時(shí)候地球這座拱橋就“形同虛設(shè)”了。 牛頓在思考萬有引力定律時(shí)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(diǎn)也就一次比一次遠(yuǎn)。如果速度足夠大，物體就不再落回地面，它將繞地球運(yùn)動(dòng)，成為人造地球衛(wèi)星。如圖。從圖上我們可以看出，物體水平拋出的方向就是地球這個(gè)球體的切線

34、方向?，F(xiàn)在我們一起來替牛頓算一算，需要多大的速度物體才能不落回地球，而是像衛(wèi)星一樣繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。 2宇宙速度 物體最終繞地球表面做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，引力為其做圓周運(yùn)動(dòng)提供向心力。得 代入數(shù)據(jù)得v=79km/s在地球的質(zhì)量未知情況下，我們有沒有方法也能快速求出速度？  為什么拋出速度小于7.9km/s時(shí)物體會落到地面上，而不會做勻速圓周運(yùn)動(dòng)呢？ 當(dāng)速度等于7.9km/s時(shí)，地球提供的重力正好等于物體以7.9km/s速度做勻速圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力,物體做勻速圓周運(yùn)動(dòng)；當(dāng)物體速度小于7.9km/s時(shí)，地球提供的重力將大于物理做圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力，所以物體做向心運(yùn)動(dòng)

35、，落向地面。 如果拋出速度大于7.9km/s結(jié)果會怎樣呢呢？ 這時(shí)地球提供的重力將小于物體做圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力，物體將做離心運(yùn)動(dòng)，遠(yuǎn)離地球，不能再做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。 3、衛(wèi)星運(yùn)行的線速度、角速度、周期與軌道半徑的關(guān)系。 探究：目前為止，人類發(fā)射的人造地球衛(wèi)星已經(jīng)有幾千顆了，這些衛(wèi)星運(yùn)行的快慢不同，那么衛(wèi)星運(yùn)行的快慢與什么因素有關(guān)呢？ 我們將不同軌道上的衛(wèi)星繞地球運(yùn)動(dòng)都看成是勻速圓周運(yùn)動(dòng)，則有一定全定            結(jié)論：線速度、角速度、周期都與衛(wèi)星

36、的質(zhì)量無關(guān)，僅由軌道半徑?jīng)Q定。即在相同的軌道半徑上，衛(wèi)星具有相同的線速度、角速度、周期。且離地越遠(yuǎn)，線速度、角速度越小，周期越大 當(dāng)衛(wèi)星環(huán)繞地球表面運(yùn)行時(shí)，軌道半徑最小為地球半徑（r=R），此時(shí)線速度最大，角速度最大，周期最小。則=7.9km/s =1.24×10-3rad/s =84min 即衛(wèi)星繞地球運(yùn)行的最大速度為79km/s。 4、人造衛(wèi)星的發(fā)射速度與運(yùn)行速度 （1）發(fā)射速度 發(fā)射速度是指衛(wèi)星在地面附近離開發(fā)射裝置的初速度，一旦發(fā)射后再無能量補(bǔ)充，要發(fā)射一顆人造地球衛(wèi)星，發(fā)射速度不能小于第一宇宙速度。

37、60;（2）運(yùn)行速度 運(yùn)行速度指衛(wèi)星在進(jìn)入運(yùn)行軌道后繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)的線速度。當(dāng)衛(wèi)星“貼著”地面飛行時(shí)，運(yùn)行速度等于第一宇宙速度，當(dāng)衛(wèi)星的軌道半徑大于地球半徑時(shí)，運(yùn)行速度小于第一宇宙速度。 第一宇宙速度是最小的發(fā)射速度，最大的運(yùn)行速度5、定軌運(yùn)行與變軌過程6、夢想成真 早在六百多年前的明朝，一個(gè)名叫萬戶的人就曾有“飛天”的壯舉，但最終未能成功，并為之付出了生命。萬戶是世界上第一個(gè)利用火箭向太空搏擊的英雄。他的努力雖然失敗了，但他借助火箭推力升空的創(chuàng)想是世界上第一個(gè)，因此他被世界公認(rèn)為“真正的航天始祖”，為了紀(jì)念這位世界航天始祖，世界科學(xué)家將月球上的一座環(huán)形火山命名為“萬戶山”。19世紀(jì)中葉，俄羅斯學(xué)者，齊奧爾科夫斯基，提出利用噴氣推進(jìn)的多級火箭，運(yùn)載發(fā)射衛(wèi)星。 1957年10月4日，世界上第一顆人造衛(wèi)星成功在蘇聯(lián)發(fā)射成功。 1961年4月12日，世界上第一次載人飛行，蘇聯(lián)。 1969年7月16日，人類第一次登上月球，美國。 1970年，中國第一顆人造衛(wèi)星發(fā)射成功。 2003年10月15日，中國第一次載人飛行。 2007年，嫦娥一號成功發(fā)射。 然而人類對宇宙的探索并不是一帆風(fēng)順的，無數(shù)探索者用