高中物理必修2第六章万有引力与航天教案.doc

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71l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。k水=3.361018K金=3.351018K地=3.311018K火=3.361018 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：(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.RMGmwrF向F引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RMGmwrF向F引（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（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，公转周期T，则太阳质量与行星质量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）地球自转的影响地球质量二、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，公转周期T，则太阳质量与行星质量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=,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，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？，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。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：。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：r24：1，求这颗卫星的：线速度之比；角速度之比；周期之比；向心加速度之比。解：由得所以由得所以由得由得【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7.9103m/s，则周期为多大？估算地球的平均密度。解：；由 得：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：r24：1，求这颗卫星的：线速度之比；角速度之比；周期之比；向心加速度之比。解：由得所以由得所以由得由得【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7.9103m/s，则周期为多大？估算地球的平均密度。解：；由 得：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/s 11.2km/s 16.7km/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=24h h=36000km v=3.1km/s4、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情感、态度与价值观 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教学难点 高速运动的物体，速度和质量之间的关系教 学 活 动新课导入 师：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 新课教学 一、从低速到高速 (展示问题) 师：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 生：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)v08c时，物体的质量约增大到静止质量的17倍，这时经典力学就不再适用了 (2)如地球以v30kms的速度绕太阳公转时，m=l 010 lOlmo，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，而速度总是与位移(空间长度)及时间间隔的测量相联系在牛顿看来，位移和时间的测量与参考系无关，正是在这种时空的观念下，上式才成立然而，相对论认为，同一过程的位移和时间的测量在不同的参考系中是不同的，因而上式不能成立，经典力学也就不再适用了 (1)相对性原理：物理规律在一切惯性参考系中都具有相同的形式 (2)光速不变原理：在一切惯性参考系中，测量到的真空中的光速都一样 师：经典力学是适用于低速运动的物体还是适用于高速运动的物体呢? 生：适用于低速运动的物体 师：阅读教材科学漫步部分，体会时间和空间是什么 生：时间与空间并没有讲清时间与空间的问题，只是提出问题，激励我们对未来的探索 二、从宏观到微观 师：请同学们阅读教材“从宏观到微观”部分，并说明经典力学是适用于宏观物体还是微观物体。 生：19世纪末到20世纪初，人们相继发现了电子、质子、中子等微观粒子，发现它们不仅具有粒子性，面且具有波动性，它们的运动规律不能用经典力学描述 20世纪20年代，建立了量子力学，它能够正确地描述微观粒子运动的规律性，并在现代科学技术中发挥了重要作用 经典力学一般不适用于微观粒子 师：相对论和量子力学的出现，是否表示经典力学失去了意义? 生：相对论和量子力学的出现，说明人类对自然界的认识更加广泛和深入，而不表示经典力学失去了意义它只是使人们认识到经典力学有它的适用范围：只适用于低速运动，不适用于高速运动，只适用于宏观世界，不适用于微观世界。 三，从弱引力到强引力 (展示问题) 师：请同学们阅读教材“从弱引力到强引力”部分，并回答问题：何为弱引力?何为强引力? 生：万有引力属于弱引力利用万有引力定律可以解释天体的运动，并预言和发现了海王星和冥王星，首次把天上的星体运动规律与地面物体的运动规律统一起来 爱因斯坦引力理论表明，当天体半径减小到一定程度时(太阳的引力半径为3 km，地球的引力半径为1 m)，天体间的引力就趋于无穷大 讨论与交流) (展示问题) (1)实际的天文观测，行星的运行轨道并不是严格闭合的，它们的近日点在不断地旋进经典力学的解释令人满意吗?用什么理论来圆满地进行了解释?(投影) 生：按牛顿的万有引力定律推算，行星的运动应该是一些椭圆或圆，行星沿着这些椭圆或圆做周期性运动，与实际观测结果不符经典力学也能作出一些解释，但是，水星旋进的实际观测值比经典力学的预言值多经典力学的解释不能令人满意 爱因斯坦根据广义相对论计算出水星近日点的旋进还应有43的附加值，同时还预言了光线在经过大质量的星体附近时，如经过太阳附近时会发生偏转现象并且都被观测证实 (2)何为天体的引力半径? 生：假定一个球形天体的质量不变，并通过压缩减小它的半径，天体表面上的引力将会增加，当引力趋于无穷大时，被压缩天体半径接近的值“引力半径” 只要天体的实际半径远大于它们的引力半径，那么爱因斯坦和牛顿的理论计算出的力的差异并不很大但当天体的实际半径接近引力半径时，这种差异将急剧增大这就是说，在强引力的情况下，牛顿的万有引力理论将不再适用 对于这样的科学发展过程，英国剧作家萧伯纳曾诙谐地说，科学总是从正确走向错误”这种调佩倒也不失为一种幽默的表述 (3)历史上的科学成就与新的科学成就的关系是什么? 生：历史上的科学成就不会被新的科学成就所否定，而是作为某些条件下的局部情形，被包括在新的科学成就之中如：当物体的速度远小于光速c(3X108ms)时，相对论与经典理论的结论没有区别；当另一个重要常数即“普朗克常数”h(663X10-34Js)可以忽略不计时量子力学和经典力学的结论没有区别相对论和量子力学都没有否定过去的科学，面只认为过去 的科学是自己在一定条件下的特殊情形 (例11以牛顿运动定律为基础的经典力学，在科学研究和生产技术中有哪些应用? 参考答案：经典力学在科学研究和生产技术中有广泛的应用经典力学与天文学相结合建立了天体力学；经典力学和工程实际相结合，建立了应用力学，如水利学，材料力学、结构力学等从地面上各种物体的运动到天体的运动：从大气的流动到地壳的变动：从拦柯筑坝、修建桥梁到设计各种机械；从自行车到汽车、火车、飞机等现代交通工具的运动，从投出篮球到发射导弹、卫星、宇宙飞船等等，所有这些都服从经典力学规律 (例2)以牛顿运动定律为基础的经典力学的适用范围是什么? 参考答案：经典力学只适用于解决低速运动问题，不能用来处理高速运动问题，经典力学只适用于宏观物体，一般不适用于微观粒子：经典力学只适用于解决弱引力问题，不能用来处理强引力问题 小结 本节学习了经典力学的局限性： (1)从低速到高速：在经典力学中，物体的质量m是不随运动状态改变的，而狭义相对论指出，质量要随着物体的运动速度的增大而增大即 (2)从宏观到微观：相对论和量子力学的出现，并不说明经典力学失去了意义只说明它有一定的适用范围：只适用于低速运动，不适用于高速运动；只适用于宏观世界，不适用于微观世界 (3)从弱引力到强引力：相对论物理学与经典物理学的结论没有区别相对论与量子力学都没有否定过去的科学，而只是认为科学在一定条件下有其特殊性经典力学只适用于弱引力，不适用于强引力 学 生 活 动板 书 设 计6经典力学的局限性 一、从低速到高速 经典力学只适用于低速运动 二、从宏观到微观 经典力学只适用于宏观物体 三、从弱引力到强引力 万有引力定律只适用于弱引力6.2 3太阳与行星间的引力、万有引力定律知识与技能1理解太阳与行星间引力的存在2能根据开普勒行星运动定律和牛顿第三定律推导出太阳与行星间的引力表达式3了解万有引力定律得出的思路和过程，理解万有引力定律的含义，掌握万有引力定律的公式；4知道任何物体间都存在着万有引力，且遵循相同的规律。过程与方法1通过推导太阳与行星间的引力公式，体会逻辑推理在物理学中的重要性2体会推导过程中的数量关系情感、态度与价值观 感受太阳与行星间的引力关系，从而体会大自然的奥秘教学重点 据开普勒行星运动定律和牛顿第三定律推导出太阳与行星间的引力公式，记住推导出的引力公式教学难点 太阳与行星间的引力公式的推导过程(一) 引入新课提问：请同学们从运动的描述角度思考，开普勒行星运动定律的物理意义？开普勒在1609和1619年发表了行星运动的三个定律，解决了描述行星运动的问题，但好奇的人们，面向天穹，深情地叩问：是什么力量支配着行星绕着太阳做如此和谐而有规律的运动呢？(第一定律揭示了描述行星运动的参考系、及其运动轨迹；第二定律揭示了行星在椭圆轨道上运动经过不同位置的快慢情况，近日点附近速度大，远日点附近速度小；第三定律：揭示了不同行星虽然椭圆轨道和环绕周期不同，但由于中心天体相同，所以共同遵循轨道半长轴的三次方与周期的二次方比值相同的规律) （以下的三定律只用课件打出）开普勒第一定律也叫椭圆轨道定律，它的具体内容是：所有行星分别在大小不同的轨道上围绕太阳运动。太阳在这些椭圆的一个焦点上。他的这条定律否定了行星轨道为圆形的理论 开普勒在确定地球运行轨道时发现，若将地球绕太阳运行的轨道分为若干小段，每一段与太阳的连线在相等的时间间隔内扫过相等的面积。开普勒把这一结果推广到其他行星，就得到了开普勒第二定律：对任意行星来说，他与太阳的连线（称为径矢）在相等的时间内扫过相等的面积。开普勒第三定律的具体表述是:行星绕太阳运动轨道半长轴a的立方与运动周期的平方成正比（看课件的对应图片）问题及归纳A行星在椭圆轨道上运动是否需要力？这个力是什么力提供的？这个力是多大？太阳对行星的引力，大小跟太阳与行星间的距离有什么关系吗？B行星的实际运动是椭圆运动，但我们还不知道求出椭圆运动加速度的运动学公式，我们现在怎么办？把它简化为什么运动呢？C既然把行星绕太阳的运动简化为圆周运动。那么行星绕太阳的运动可进一步简化为匀速圆周运动吗？为什么？ 以上的过程归纳为：行星做曲线运动必受到力的作用把行星绕太阳的运动简化为圆周运动进一步简化为匀速圆周运动教师：既然行星围绕太阳运动的轨道是椭圆，即为曲线运动，那么肯定有一个力要来维持这个运动，那么这个力是由什么来提供的呢？我们跟随着科学家们一起去研究讨论这个问题。（二） 万有引力定律1、 人类对行星运动规律原因认识的过程教师：略微介绍十七世纪前以及伽俐略，开普勒，笛卡儿的观点。17世纪前：行星理所应当的做这种完美的圆周运动 伽利略：一切物体都有合并的趋势，这种趋势导致物体做圆周运动。 开普勒：受到了来自太阳的类似与磁力的作用。 笛卡儿：在行星的周围有旋转的物质作用在行星上，使得行星绕太阳运动。 教师：到牛顿这个时代的时候，科学家们对这个问题有了更进一步的认识，例如胡克、哈雷等，他们认为行星绕地球运动受到太阳对它的引力，甚至证明了行星轨道如果为圆形，引力的大小跟太阳距离的二次方成反比，但无法证明在椭圆轨道下，引力也遵循这个规律。 牛顿在前人的基础上，证明了如果太阳和行星的引力与距离的二次方成反比，则行星的轨迹是椭圆，并且阐述了普遍意义下的万有引力定律。 教师：接下来我们就跟随牛顿先生一起去研究这个万有引力定律。由于行星运动的椭圆轨道很接近与圆形轨道，所以我们把它理想化为一个圆形轨道，这样就简化了问题，易于我们在现有认知水平上来接受。2、万有引力定律(1)定律的推导如果行星的运动轨道是圆，则行星将作匀速圆周运动。根据匀速圆周运动的条件可知，行星必然要受到一个引力。牛顿认为这是太阳对行星的引力，那么，太阳对行星的引力F提供行星作匀速圆周运动所需的向心力。学生活动： 推导得=教师：那么我们从这个式子中马上就可看到一些比例关系，那么为什么牛顿还要进行推导下去呢？学生活动：学生进行思考。（这样研究问题比较复杂，因为有四个变量。不能体现这个行星运动的特点）教师：分为两大组进行推导：将V2r/T和代入上式得学生活动：推导。教师：那么从这个式子中还是有很多的变量，研究仍旧复杂，怎么办呢？（引导学生利用开普勒第三定律代入上式）学生活动：推导得到：师生总结：由上式可得出结论：太阳对行星的引力跟行星的质量成正比，跟行星到太阳的距离的二次方成反比。即：F教师：中比值k是一个与行星无关的恒量只与太阳有关。那么究竟与太阳有什么关系呢？教师：牛顿根据其第三定律：太阳吸引行星的力与行星吸引太阳的力是同性质的作用力，且大小相等。提出大胆得设想：既然这个引力与行星的质量成正比，也应跟太阳的质量M成正比。（引导学生，或者采用让学生来解释的方法）即：F写成等式就是F 教师：行星绕太阳运动遵守这个规律，那么在其他地方是否适用这个规律呢？（假如说月球、卫星绕地球）学生活动：思考教师：为了验证地面上的重力与地球吸引月球、太阳吸引行星的力是同一性质的力，遵守同样的规律，牛顿还做了著名的“月地”检验(参见课本P105右侧)，结果证明他的想法是正确的。如果我们已知月球绕地球的公转周期为27.3天.地球半径为6.37106m.轨道半径为地球半径的60倍。教师：同学们试计算一下月球绕地球的向心加速度是多大？（引导学生采用两种方法进行求解并分析结果）学生活动：根据向心加速度公式：因为F 所以a1/r2同学们通过计算验证， 两者结果十分接近，说明遵循同一规律。牛顿在研究了这许多不同物体间的作用力都遵循上述引力规律之后。于是他把这一规律推广到自然界中任意两个物体间，于1687年正式发表了具有划时代意义的万有引力定律。(2)万有引力定律内容自然界中任何两个物体都是相互吸引的，引力的大小跟这两个物体的质量的乘积成正比，跟它们的距离的二次方成反比。公式如果用m1和m2表示两个物体的质量，用r表示它们的距离，那么万有引力定律可以用下面的公式来表示 教师：既然自然界中任何两个物体之间都存在引力，为什么我们感觉不到旁边同学的引力？学生活动：思考、纳闷教师：下面我们粗略的来计算一下两个质量为50kg，相距0.5m的人之间的引力。教师：1.G为引力常量，在SI制中，G6.671011Nm2/kg2.（这个引力常量的出现要比万有引力定律晚一百多年哪！是英国的物理学家卡文迪许测出来的），我们下节课就要学习。那么这个力的大小到底是怎么样一个概念呢，其实他相当于提起一个质量比头发丝还小的物体所用的力，因此我们很难察觉。但它对于质量较大的物体来说，就不可忽视了。教师：为什么说是粗略？让学生思考学生活动：思考教师：2万有引力定律中的物体是指质点而言，不能随意应用于一般物体。a.对于相距很远因而可以看作质点的物体，公式中的r 就是指两个质点间的距离；b.对均匀的球体，可以看成是质量集中于球心上的质点，这是一种等效的简化处理方法。教师：万有引力定律建立的重要意义17世纪自然科学最伟大的成果之一，它把地面上的物体运动的规律和天体运动的规律统一了起来，对以后物理学和天文学的发展具有深远的影响，而且它第一次揭示 了自然界中的一种基本相互作用的规律，在人类认识自然的历史上树立了一座里程碑。