万有引力与航天(新人教版-必修2).ppt

,新课标人教版课件系列,高中物理必修,第七章万有引力与航天,7.1行星的运动,教学目标,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、模糊的认识教学方法探究、讲授、讨论、练习教具准备挂图、多媒体课件,思考：,1.古代人对天体运动存在哪些看法？,2.“地心说”和“日心说”的观点分别是什么？,3.哪种学说统治时间更长？为什么?,地心说：日心说：,地球是宇宙的中心。地球是静止不动的，太阳、月亮以及其它行星都绕地球运动。,符合人们的日常经验；符合宗教地球是宇宙的中心的说法。,统治很长时间的原因：,太阳是静止不动的，地球和其它行星都绕太阳转动。,地心说,地心说是长期盛行于古代欧洲的宇宙学说。它最初由古希腊学者欧多克斯在公元前三世纪提出，后来经托勒密（90-168）进一步发展而逐渐建立和完善起来。,托勒密的“地心说”体系,地心模型,亚里士多德,地心说模型,日心说,哥白尼的“日心说”体系,约在公元前260年，古希腊天文学家阿利斯塔克最早提出了日心说的观点。但真正发展并完善日心说的，是来自波兰的哥白尼（1473-1543）。,日心说模型,哥白尼雕像（加沙）,哥白尼观测用的天文仪器,十六世纪“日心说”创立之前的一千多年中，“地心说”一直占统治地位，并长期为教会所利用，宣称恒星天上面是最高天，也就是天神的住所。由于这一学说没有反映行星运动的本质，经不起长时间的观测检验，后来为哥白尼“日心说”所推翻。,思考：,“日心说”的观点绝对正确吗？,第谷（丹麦）,开普勒（德国）,潜心研究,所有的行星围绕太阳运动的轨道椭圆，太阳处在所有椭圆的一个焦点上。,开普勒第一定律,（轨道定律）,对于每一个行星而言，太阳和行星的连线在相等的时间内扫过相等的面积。,开普勒第二定律,（面积定律）,对于每一个行星而言，太阳和行星的连线在相等的时间内扫过相等的面积。,若tAB=tCD=tEK，则sAB=sCD=sEK,开普勒第二定律,（周期定律）,所有行星的轨道的半长轴的三次方跟公转周期的二次方的比值都相等。,即：R3/T2=k,开普勒第三定律,K是一个只决定于被绕天体（中心天体）质量的物理量,太阳系,九大行星绕太阳运动的情景,卫星绕行星运转，行星带着它们的卫星绕太阳运转，整个太阳系绕银河系中心运转，银河系这个整体也在运动。并不存在一个绝对的运动中心，运动本身也是相对的。太阳不过是银河系中一千多亿颗恒星中的一员罢了!,是地球绕太阳转动而不是太阳绕地球转动。地球绕太阳转动是椭圆轨道而不是正圆轨道。,课堂小结,二、行星运动定律,1、第一定律（轨道定律）,2、第二定律（面积定律）,3、第三定律（周期定律）R3/T2=k（K是一个只与中心天体质量有关的物理量）,地球是中心地球偏心太阳是中心宇宙无限,（科学精神推动了认识发展）,一、地心说与日心说,7.2太阳与行星间的引力,教学目标,知识与技能理解太阳与行星间存在引力根据开普勒定律和牛顿第三定律推导出太阳与行星之间的引力表达式过程与方法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。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根据开普勒定律和牛顿第三定律推导出太阳与行星之间的引力表达式教学难点根据开普勒定律和牛顿第三定律推导出太阳与行星之间的引力表达式,温故而知新,开普勒行星运动定律第一定律：所有行星绕太阳的轨道都是椭圆，太阳处在椭圆的一个焦点上。第二定律：对任意一个行星来说，它与太阳的连线在相等的时间内扫过相等的面积第三定律：所有行星的椭圆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。即:,k值与中心天体有关，而与环绕天体无关,什么力来维持行星绕太阳的运动呢？,科学家们的足迹,1、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。2、开普勒：受到了来自太阳的类似与磁力的作用。3、笛卡儿：在行星的周围有旋转的物质(以太）作用在行星上，使得行星绕太阳运动。4、胡克、哈雷等:受到了太阳对它的引力，证明了如果行星的轨道是圆形的，其所受的引力大小跟行星到太阳的距离的二次方成反比，但没法证明在椭圆轨道规律也成立。5、牛顿：如果太阳和行星间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。,一、太阳对行星的引力,1、设行星的质量为m，速度为v，行星到太阳的距离为r，则行星绕太阳做匀速圆周运动的向心力太阳对行星的引力来提供,太阳对行星的引力,即:,太阳对不同行星的引力，与行星的质量成正比，与行星和太阳间的距离的二次方成反比。,二、行星对太阳的引力,太阳与行星间的引力大小为:,G为比例系数，与太阳、行星的质量无关,方向：沿着太阳和行星的连线,课堂小结,1.我们把行星绕太阳的椭圆运动简化为匀速圆周运动；2.我们一致认为行星绕太阳做匀速圆周运动需要向心力，这个向心力是由太阳对行星的引力提供的；3.我们预期太阳对行星的引力与太阳到行星的距离有关，希望通过行星绕太阳做匀速圆周运动需要的向心力求出这个引力，通过两次数学代换得到了太阳对行星的引力与太阳到行星的距离相关的数学表达式；4.通过类比得到了行星对太阳的引力与太阳到行星的距离相关的数学表达式；5.综合概括得到了太阳与行星间引力的数学表达式。,7.3万有引力定律,教学目标,知识与技能体会物理研究中猜想与验证的魅力，能够踏着牛顿的足迹了解月地检验。进一步大胆地推导得出万有引力定律。了解引力常量的测量及意义。过程与方法通过月地检验感觉逻辑推理的严谨。感受牛顿在推导出万有引力定律过程中的魄力。体会物理学中将微波形变放大的思想。,情感态度与价值观让学生体验感受物理研究过程中的严谨与魅力，激发学生研究物理的兴趣。感受科学知识在生产生活中的巨大作用力。教学重点万有引力推导的过程。万有引力公式的体会及应用。引力常量的有关知识。教学难点万有引力推导的过程。万有引力公式的体会及应用。,把行星绕太阳运动看作匀速圆周运动,近似化,如果认为行星绕太阳做匀速圆周运动，那么，太阳对行星的引力F应为行星所受的向心力，即：,F引=F向=m2rmv2/r,因为：2/T；v=2r/T,得：F引=m(2r/T)2/r=42mr/T2,怎么办呢？,如果认为行星绕太阳做匀速圆周运动，那么，太阳对行星的引力F应为行星所受的向心力，即：,F引=F向=m2rmv2/r,因为：2/T；v=2r/T,得：F引=m(2r/T)2/r=42mr/T2,根据开普勒第三定律：r3/T2是常数k,F引=42mr/T2=42(r3/T2)m/r2,有：F引=42km/r2,所以可以得出结论：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：Fm/r2,怎么办呢？,太阳对行星的引力（F引）跟行星的质量有关，F引与太阳质量有关吗？,因为：F引=42km/r2,K与太阳质量有关,那么究竟F引与太阳质量有什么关系呢？,牛顿根据牛顿第三定律大胆的猜想：既然太阳对行星的引力与行星的质量成正比，也应该与太阳的质量成正比。,F引Mm/r2,写成等式：F引=GMm/r2,行星绕太阳运动遵守这个规律，那么在其他物体之间是否适用这个规律呢？,牛顿还研究了月球绕地球的运动，发现它们间的引力跟太阳与行星间的引力遵循同样规律。,牛顿在研究了许多物体间遵循规律的引力之后，进一步把这个规律推广到自然界中任何两个物体之间，于1687年正式发表了万有引力定律：,万有引力定律：,1.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。,2.公式：,3.G：是引力常数，适用于任何两个物体。其标准值为G=6.6725910-11Nm2/kg2通常情况下取G=6.6710-11Nm2/kg2,4.距离r的确定a.若两物体可看作质点，则为两质点间距；b.对于均匀的球体，应是两球心间距。,5.万有引力定律的历史意义：,17世纪自然科学最伟大的成果之一，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。,在文化发展史上的重大意义：使人们建立了有能力理解天地间的各种事物的信心，解放了人们的思想，在科学文化的发展史上起了积极的推动作用。,思考与讨论,我们人与人之间也一样存在万有引力，可是为什么我们感受不到呢？,假设质量均为60千克的两位同学，相距1米，他们之间的相互作用的万有引力多大？,F=Gm1m2/r2=6.6710-116060/12=2.410-7(N),2.410-7N是一粒芝麻重的几千分之一，这么小的力人根本无法察觉到。,那么太阳与地球之间的万有引力又是多大呢？,已知：太阳的质量为M=2.01030kg，地球质量为m=5.81025kg，日地之间的距离为R=1.51011km,F=GMm/R2,=6.6710-112.010306.01024/(1.51011)2,=3.51022(N),3.51022N非常大，能够拉断直径为9000km的钢柱。,而太阳对质量为50kg的人，引力很小，不到0.3N。当然我们感受不到太阳的引力。,7.4万有引力理论的成就,教学目标,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。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。教学方法探究、讲授、讨论、练习教具准备录像资料、多媒体课件,1物体做圆周运动的向心力公式是什么？分别写出向心力与线速度、角速度、周期的关系式,复习,2万有引力定律公式：,万有引力和重力的关系是什么？重力加速度的决定式是什么？,“科学真是迷人”测地球的质量,地表重力加速度:g=9.8m/s2地球半径：R=6400km引力常量：=6.6710-11Nm2/kg2,问题一如果要知道地球的质量，应该知道哪些条件？,?,说明：此方法只能求解中心天体质量，而不能求解环绕天体质量,问题二如何知道一个未知天体的质量?,课堂训练,太阳光经500s到达地球，地球的半径为6400km，试估算太阳的质量。（已知=6.6710-11Nm2/kg2，光速v=3108m/s，取一位有效数字）,问题三如何知道一个天体的密度?,课堂训练,一艘宇宙飞船飞近一个不知名的行星，并进入靠近该行星表面的圆形轨道，宇航员进入预定的考察工作，宇航员能不能仅用一只表通过测定时间来测定该行星的密度？说明理由及推导过程.,一艘宇宙飞船飞近某一个新发现的行星，并进入靠近该行星表面的圆形轨道运动数圈后，着陆在该行星上宇宙飞船上备有以下器材：停（秒）表一只；质量为m的物体一个；弹簧秤一个；天平一架（附砝码一套）已知宇航员在靠近行星表面的圆形轨道上绕行及着陆后各做了一次测量，依据测量的数据可以求出该行星的质量M和半径R（已知万有引力常量为G）试分析：（1）宇航员两次测量所选用的器材和测量的物理量；（2）由题述已知量和测量的物理量推导出该行量的质量M和半径R的表达式,发现未知天体,问题1:应用万有引力定律除可以计算天体的质量外,还可以在天文学上有什么作用?,问题2:应用万有引力定律发现了哪些行星?,问题3:人们是怎样应用万有引力定律来发现未知天体的?,小结,二应用万有引力定律还可以发现未知天体,一应用万有引力定律可以计算天体的质量:,7.5宇宙航行,教学目标,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方法：探究、讲授、讨论、练习教具准备：录像资料、多媒体课件,牛顿对人造地球卫星的设想,抛出速度很大时，物体就不会落回地面,思考:这个速度至少多大？,近地卫星:Rh,V=7.9km/s,r=R+h,V=7.9km/s就是物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动的速度,叫做第一宇宙速度。,在地面附近发射飞行器,发射速度等于或大于11.2km/s,它就会克服地球引力,永远离开地球。11.2km/s叫做第二宇宙速度。,若7.9km/sv11.2km/s呢?,在地面附近发射物体,速度等于或大于16.7km/s,它就会挣脱太阳引力的束缚,飞到太阳系之外。16.7km/s叫做第三宇宙速度。,小结,人造卫星的运动原理：第一宇宙速度：第二宇宙速度：第三宇宙速度：,1883年，俄国学者齐奥尔科夫斯基提出使用火箭发射宇宙飞船的设想。,梦想成真,神舟六号载人航天飞行圆满成功,关于地球同步卫星,对同步卫星有什么要求？,轨道面,周期T,半径r,运行速度V,绕行方向,关于卫星,所有卫星都在以地心为圆心的圆（或椭圆）轨道上,（1）卫星离地心越远，它的运行速度是越大还是越小？为什么？,（2）卫星离地心越远，周期越大还是越小，为什么？,讨论,请你求出最小周期,练习,能否发射一颗卫星,使它绕地球运行,周期只有1小时,行吗？为什么？,三颗人造地球卫星A、B、C绕地球作匀速圆周运动，已知MA=MBvB=vCB周期关系为TATB=TCC向心力大小关系为FA=FBFCD半径与周期关系为,ABD,练习,7.6经典力学局限性,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方法探究、讲授、讨论、练习教具准备录像资料，多媒体课件,1905年，出生于德国的美籍物理学家阿尔伯特爱因斯坦（18791955）发表了狭义相对论。这个理论指出在宇宙中唯一不变的是光线在真空中的速度，其它任何事物速度、长度、质量和经过的时间，都随观察者的参考系（特定观察）而变化。,三.狭义相对论的基本原理,相对时间,相对长度,相对质量,Einstein对相对论的解释:,当你和一个漂亮姑娘在一起坐一小时,你感觉只坐了一分钟,当你坐在火炉旁一分钟,就好象坐了一小时,这就是相对论。,17世纪牛顿力学构成了体系.可以说，这是物理学第一次伟大的综合.牛顿建立了两个定律，一个是运动定律，一个是万有引力定律，并发展了变量数学微积分，具有解决实际问题的能力.他开拓了天体力学这一科学，海王星和冥王星的发现就充分显示了这一点.,牛顿经典力学的局限性,适用于低速，宏观，弱引力物体,