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第六章 万有引力与航天课题61行星的运动备课时间上课时间总课时数课程目标知识与技能知道地心说和日心说的基本内容。知道开普勒三定律的内容。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、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、澄清对天体运动神秘模糊的认识，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。教学重点开普勒行星运动定律教学难点对开普勒行星运动定律的理解和应用教学过程二次备课引入新课多媒体演示：天体运动的图片浏览。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。人们对行星运动的认识过程是漫长复杂的，历史上有过不同的看法，科学家对此进行了不懈的探索，通过本节内容的学习，将使我们正确地认识行星的运动。新课讲解一、古代对行星运动规律的认识 问1：古人对天体运动存在哪些看法?“地心说”和“日心说” 问2什么是“地心说”?什么是“日心说”? “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二、开普勒行星运动三定律 问1：古人认为天体做什么运动? 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、最和谐的匀速圆周运动 问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? 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 问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? 开普勒行星运动定律从行星运动轨道，行星运动的线速度变化，轨道与周期的关系三个方面揭示了行星运动的规律 （多媒体播放行星绕椭圆轨道运动的课件）开普勒第一定律：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 问4：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? 不同开普勒第二定律：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问5：如图7.1-2所示，行星沿着椭圆轨道运行，太阳位于椭圆的一个焦点上行星在远日点的速率与在近日点的速率谁大？因为相等时间内面积相等，所以近日点速率大。开普勒第三定律：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（如图61l）问6：由于行星的椭圆轨道都跟圆近似，在中学阶段研究中按圆处理，开普勒三定律适用于圆轨道时，应该怎样表述呢?1、多数大行星绕太阳运动轨道半径十分接近圆，太阳处在圆心上。2、对某一行星来说，它绕太阳做圆周运动的角速度（或线速度）不变。3、所有行星的轨道半径的三次方跟它的公转周期的平方的比值都相等若用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。四、课堂小结：让学生概括总结本节的内容。五、作业：第2节 太阳与行星间的引力【教学目标】知识与技能1、理解太阳与行星间存在引力。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。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】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【教学难点】太阳与行星间的引力公式的推导【教学课时】2课时【探究学习】引入新课教师活动：开普勒在前人的基础上，经过计算总结出了他的三条定律，请同学们回忆一下，三条定律的内容是什么?学生活动：思考并回答开普勒开普勒三条定律的内容。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。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。第三定律：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：比值k是一个与行星无关的常量。教师活动：开普勒第三定律适用于圆轨道时，是怎样表述的？学生活动：思考并回答问题。对某一行星来说，它绕太阳作匀速圆周运动，其轨道半径的三次方跟公转周期的二次方的比值都相等。教师活动：通过对开普勒定律的学习，知道了行星运动时所遵循的规律，即行星怎样运动？那么行星为什么要做这样的运动呢?今天我们共同来学习、探讨这一问题。新课讲解教师活动：引导学生阅读教材第一、二段，思考下面的问题：1、在解释行星绕太阳运动的原因这一问题上，为什么牛顿能够成功，而其他科学家却失败了？你认为牛顿成功的关键是什么？学生活动：阅读课文，分组讨论，从课文中找出相应的答案。学生代表发言。教师活动：听取学生代表的见解，点评、总结。过渡：这一节和下一节，我们将追寻牛顿的足迹，用自己的手和脑，重新“发现”万有引力定律。1、太阳对行星的引力教师活动：引导学生阅读教材，并投影出示以下提纲，让学生在练习本上独立推导： 1、行星绕太阳作匀速圆周运动，写出行星需要的向心力表达式，并说明式中符号的物理意义。2、行星运动的线速度v与周期T的关系式如何？为何要消去v？写出要消去v后的向心力表达式。3、如何应用开普勒第三定律消去周期T？为何要消去周期T？4、写出引力F与距离r的比例式，说明比例式的意义。教师活动：投影学生的推导过程，一起点评。2、行星对太阳的引力教师活动：行星对太阳的引力与太阳的质量M以及行星到太阳的距离r之间又有何关系？请在练习本上用学过的知识推导出来。学生活动：在练习本上用牛顿第三定律推导行星对太阳的引力F与太阳的质量M以及行星到太阳的距离r之间的关系。教师活动：投影学生的推导过程，一起点评。3、太阳与行星间的引力教师活动：综合以上推导过程，推导出太阳与行星间的引力与太阳质量、行星质量、以及两者距离的关系式。看看能够得出什么结论。学生活动：在练习本上推导出太阳与行星间的引力表达式。教师活动：投影学生的推导过程，一起点评。点评：通过学生独立推导，培养学生逻辑推理能力，同时让学生感受探究新知的乐趣。教师活动：引导学生就课本“说一说”栏目中的问题进行讨论，一起总结、点评。【课堂训练】例火星绕太阳的运动可看作匀速圆周运动，火星与太阳间的引力提供火星运动的向心力。已知火星运行的轨道半径为r，运行的周期为T，引力常量为G，试写出太阳质量M的表达式。解析：火星与太阳间的引力表达式为，式中G为引力常量，M为太阳质量，m为火星质量， r为轨道半径。设火星运动的线速度为v，由F提供火星运动的向心力，有由线速度和周期的关系，得太阳质量 【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。【板书设计】一、太阳对行星的引力物理意义：太阳对不同行星的引力，与行星的质量成正比，与行星和太阳间距离的二次方成反比。二、行星对太阳的引力物理意义：不同行星对太阳的引力，与太阳的质量成正比，与行星和太阳间距离的二次方成反比。三、太阳与行星间的引力物理意义：太阳与行星间引力的大小，与太阳的质量、行星的质量成正比，与两者距离的二次方成反比。写成等式为式中是比例系数，与太阳、行星都没有关系。太阳与行星间引力的方向沿着二者的连线。课题6.3万有引力定律备课时间上课时间总课时数课程目标知识与技能在开普勒第三定律的基础上，推导得到万有引力定律，使学生对此规律有初步理解。过程与方法通过牛顿发现万有引力定律的思考过程和卡文迪许扭秤的设计方法，渗透科学发现与科学实验的方法论教育。情感态度与价值观介绍万有引力恒量的测定方法，增加学生对万有引力定律的感性认识。教学重点万有引力定律的推导过程教学难点由于一般物体间的万有引力极小，学生对此缺乏感性认识，又无法进行演示实验，故应加强举例。教学过程（一）引入新课上节课我们推导出了太阳与行星间的引力规律，即。知道了行星为什么能够绕太阳运转而不会飞离太阳。那么大家想到过，是什么力使得地面的物体不能离开地球，总要落回地面呢？地球吸引物体的力与地球和太阳间的引力是同种性质的力吗？还有，月球能够绕地球运转，说明月球与地球之间也一定存在着相互作用力，这个拉住月球使它绕地球运转的力与地球对物体的引力是同一种力吗？这节课我们就来深入研究这些问题。（二）进行新课1、月地检验教师活动：引导学生阅读教材“月地检验”部分的内容，投影以下数据：地面附近的重力加速度g=9.8m/s2，月球绕地球运动的周期为27.3天，地球半径为R =6.4106m，试利用教材提供的信息，通过计算，证明课本上提出的假设，即地球对月球的力与地球使苹果自由下落的力的是同一种力，都遵守“反平方”的规律。学生活动：阅读课文，从课文中找出必要的信息，在练习本上进行定量计算。教师活动：投影学生的证明过程，一起点评。设质量为m的物体在月球的轨道上运动的加速度（月球公转的向心加速度）为a，则，r=60R，得 代入数据解得 点评：引导学生定量计算，用无可辩驳的事实证明猜想的正确性，增强学生的理性认识。2、万有引力定律教师活动：引导学生阅读教材，思考问题： 1、把太阳与行星之间、地球与月球之间、地球与地面物体之间的引力遵从的规律推广到宇宙万物之间，你觉得合适吗？发表自己的见解。2、万有引力定律的内容是什么？写出表达式。并注明每个符号的单位和物理意义3、你认为万有引力定律的发现有何深远意义？学生活动：阅读课本，思考问题，学生代表发表见解。教师活动：听取学生汇报，点评总结。万有引力定律的发现有着重要的物理意义：它对物理学、天文学的发展具有深远的影响；它把地面上物体运动的规律和天体运动的规律统一起来；对科学文化发展起到了积极的推动作用，解放了人们的思想，给人们探索自然的奥秘建立了极大信心，人们有能力理解天地间的各种事物。3、引力常量教师活动：引导学生阅读教材，思考问题：1、测定引力常量有何意义？2、引力常量是由哪位物理学家测出的，它的数值是多大？3、引力常量的测定有何实际意义？学生活动：阅读课本，思考问题，学生代表发表见解。教师活动：听取学生汇报，点评总结。牛顿在前人的基础上，应用他超凡的数学才能，发现了万有引力定律，却没能给出准确的引力常量，使万有引力定律只有其理论意义，而无更多的实际意义。引力常量G的测出，使万有引力定律具有了实际意义。四、课堂小结让学生概括总结本节的内容。五、作业：【板书设计】6.3万有引力定律1、月地检验2、万有引力定律3、引力常量6.4 万有引力理论的成就教学目标(一) 知识与技能1. 了解万有引力定律在天文学上的应用2. 会用万有引力定律计算天体的质量和密度3. 掌握综合运用万有引力定律和圆周运动学知识分析具体问题的方法(二) 过程与方法4. 培养学生归纳总结建立模型的能力与方法5. 通过求解太阳.地球的质量，培养学生理论联系实际的运用能力(三) 情感态度与价值观6. 培养学生认真严禁的科学态度和大胆探究的心理品质7. 体会物理学规律的简洁性和普适性，领略物理学的优美8. 通过介绍用万有引力定律发现未知天体的过程，使学生懂得理论来源于实践，反过来又可以指导实践的辩证唯物主义观点教学重点1. 地球、太阳等中心天体质量的计算教学难点1. 根据已知条件求解天体质量教学过程一、引入师：在上节课的学习中我们学习了万有引力定律，关于万有引力，大家可能只把它当作一个普通的知识点来看待，很多同学可能是这样想的：不就是用来求解两个物体之间的引力的一个公式嘛。师：这里我要告诉大家的是，万有引力定律的发现有着重要的物理意义：它对物理学、天文学的发展具有深远的影响；它把地面上物体运动的规律和天体运动的规律统一起来；对科学文化发展起到了积极的推动作用，解放了人们的思想，给人们探索自然的奥秘建立了极大信心，使人们有能力理解天地间的各种事物。时至今日，数千颗人造卫星正在按照万有引力定律为它们设定的轨道绕地球运转着。所以没有万有引力定律，就没有今天的天空漫步，当然也没有卫星通信时代了。以至于阿波罗8号从月球返航的途中，当地面控制中心问及“是谁在驾驶”的时候，指令长这样回答：“我想现在是牛顿在驾驶。”师：我们都知道，是卡文迪许测出了万有引力常量，但大家不知道的是，卡文迪许把自己的实验又说成是“秤量地球的重量”，这是当时的说法，用现在物理学的术语，应该说是“称量地球的质量”。大家知道这是为什么吗？请大家一起来看看下面的公式推导。若不考虑地球自转的影响，地面上质量为m的物体所受的重力mg等于地球对物体的万有引力，则有,其中M是地球质量，r是物体距地心的距离，即地球半径R，于是有，重力加速度g和地球半径R在卡文迪许之前就知道了，一旦测得引力常量G，则可以算出地球质量M。卡文迪许把自己的实验说成是“称量地球质量”就不无道理了。例1、设地面附近的重力加速度g=9.8m/s2，地球半径R =6.4106m，引力常量G=6.6710-11 Nm2/kg2，试估算地球的质量。【解析】：kg师：在实验室里测量几个铅球之间的相互作用力，就可以称量地球，这不能不说是一个科学奇迹。难怪一位外行人，著名文学家马克吐温满怀激情地说“科学真是迷人。根据零星的事实，增添一点猜想，竟能赢得那么多的收获！”二、计算天体的质量师：刚才我们利用万有引力定律计算出了地球的质量，那我们还能利用万有引力定律测量计算出其它天体的质量吗？答案是：能！师：这里我给大家一个提示，请大家根据这个提示好好思考如何来计算其他天体的质量。师：天体之间存在着相互作用的万有引力，行星（或卫星）绕恒星（或行星）做匀速圆周运动的向心力就是由天体间的万有引力来提供的。就请同学们利用这个关系进行分析研究，看能否求解出天体的质量。师：为了防止分析时出现大脑混乱，请大家按具体实例来分析。1、月球绕地球做匀速圆周运动；2、地球绕太阳做匀速圆周运动。月球绕地球做匀速圆周运动有 需要条件：月球线速度v；月球轨道半径。有 需要条件：月球角速度；月球轨道半径。有 需要条件：月球公转周期T；月球轨道半径。师：上面三式中，因为线速度与角速度实际操作中不好测量，周期好测量，所以我们用得最多的公式将会是第三个师：在处理这部分知识时，大家头脑一定要清醒，左边中向心力公式，向心力应用的对象是做圆周运动的物体，对地月系统来说就是月球。所以左边公式中的m是月球质量、T是月球做圆周运动的周期即公转周期、r是月球做圆周运动的半径即地心到月心的距离。右边是万有引力公式，m是月球质量M则是中心天体即地球的质量、r是两球心距离即地心到月心的距离。地球绕太阳做匀速圆周运动与上面过程类似：有 需要条件：地球线速度v；地球轨道半径。有 需要条件：地球角速度；地球轨道半径。有 需要条件：地球公转周期T；地球轨道半径。例2、如果以水星绕太阳做匀速圆周运动为研究对象，需要知道哪些量才能求得太阳的质量？【解析】：需要知道水星做匀速圆周运动的公转周期及公转半径。水星和地球绕太阳做圆周运动的公转周期T是不一样的，公转半径也是不一样的，那用公式求解出来的太阳的质量会是一样的吗？总结归纳师：从以上各式的推导过程可知，利用此法只能求出中心天体的质量，而不能求环绕天体的质量，因为环绕天体的质量同时出现在方程的两边，已被约掉。【牢记】：、计算的是中心天体的质量，不能计算环绕天体的质量。例3、把地球绕太阳公转看做是匀速圆周运动，平均半径为1.51011 m，已知引力常量为：G=6.6710-11 Nm2/kg2，则可估算出太阳的质量大约是多少千克?（结果取一位有效数字）四、归纳总结：计算天体的质量（1）对于有行星（或卫星）的天体，可把行星（或卫星）绕中心天体的运动近似看做匀速圆周运动，其所需的向心力由中心天体对其的万有引力提供的。 若已知行星（或卫星）绕中心天体做匀速圆周运动的轨道半径为和运行的线速度为，有 , 解得中心天体的质量为 。 若已知行星（或卫星）绕中心天体做匀速圆周运动的轨道半径为和运行的角速度，有 ,解得中心天体的质量为 。 若已知行星（或卫星）绕中心天体做匀速圆周运动的轨道半径为和运行的周期，有 ,解得中心天体的质量为 。（2）对于没有行星（或卫星）的天体，或虽有行星（或卫星），但不知道其运行的有关物理量的情况下，可以忽略天体自转的影响，根据万有引力近似等于重力的关系列式，计算天体的质量。若已知天体的半径为和该天体表面的重力加速度，则有 ， 解得天体的质量为 。例4、宇航员站在一个星球表面上的某高处h自由释放一小球，经过时间t落地，该星球的半径为R，你能求解出该星球的质量吗？【解析】：没有涉及其它天体绕它作圆周运动，则只好利用来求解质量M了，有，利用自由落体运动可以求解出g，有代入【牢记】：不同星球表面的力学规律相同，只是（重力加速度）不同，在解决其他星球表面上的力学问题时，若要用到重力加速度应该是该星球的重力加速度，如：竖直上抛运动、平抛运动、竖直平面内的圆周运动，都要用该星球的重力加速度。五、天体的密度师：我们近似把中心天体看作球体,设中心天体的半径为, 球体的体积公式,由上面方法求得中心天体的质量为后代入密度公式 即可。例5、1989年英国著名的物理学家卡文迪许首先估算出地球的平均密度。根据你所学的知识，能否估算出地球密度？【解析】：设地球的质量为，地球的半径为，地球的表面的重力加速度为，忽略地球自转的影响，根据万有引力定律得： 将地球看作均匀球体有： 由得地球的平均密度将常数代入有六、发现未知天体师：到了18世纪，人们已经知道太阳系有7颗行星，其中1781年发现的第七颗行星天王星的运动轨道有些“古怪”：根据万有引力定律计算出来的轨道和实际观测的结果总有一些偏差。有人据此认为万有引力定律的准确性有问题。但另一些人则推测，在天王星轨道外面还有一颗未发现的行星，它对天王星的吸引使其轨道产生了偏离。到底谁是谁非呢？师：英国剑桥大学的学生亚当斯和法国年轻的天文学家勒维耶相信未知行星的存在。他们根据天王星的观测资料，各自独立地利用万有引力定律计算出这颗新星的轨道。1846年9月23日晚，德国的伽勒在勒维耶预言的附近发现了这颗行星，人们称其为“笔尖下发现的行星”。后来，这颗行星命名为海王星。师：用类似的方法，人们又发现了太阳系及太阳系外的其他天体。1705年，英国天文学家哈雷根据万有引力定律计算了一颗著名彗星的轨道并正确预言了它的回归。这就是哈雷彗星。师：海王星的发现和哈雷彗星的“按时回归”确立了万有引力定律的地位，也成为科学史上的美谈。诺贝尔物理学奖获得者，物理学家冯劳厄说：“没有任何东西像牛顿引力理论对行星轨道的计算那样，如此有力地树立起人们对年轻的物理学的尊敬。从此以后，这门自然科学成了巨大的精神王国”师：海王星的轨道之外还残存着太阳系形成初期遗留的物质，近100年来，人们在这里发现了冥王星、卡戎等几个较大的天体。但是因为距离遥远，太阳的光芒到达那里已经太微弱了，在地球附近很难看出究竟。尽管如此，黑暗寒冷的太阳系边缘依然牵动着人们的心，探索工作从来没有停止过。6.5 宇宙航行教学目标(一) 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。(二) 过程与方法3. 通过用万有引力定律来推导第一宇宙速度，培养学生运用知识解决问题的能力。4. 利用离心运动和向心运动的知识点理解卫星变轨时应该加速还是减速，及其它一些变轨问题。(三) 情感态度与价值观5. 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。6. 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1. 对第一宇宙速度的推导过程和方法，了解第一宇宙速度的应用领域。2. 人造地球卫星的发射速度与运行速度的区别。3. 识记第二宇宙速度及第三宇宙速度，了解一些卫星变轨知识。教学难点1. 对第一宇宙速度的推导过程和方法2. 一些卫星变轨知识教学过程一、天体运动的速度、角速度、周期及加速度师：前面学习中，我们研究分析了大量天体运动实例，现在我们来对天体运动的线速度、角速度、周期及加速度进行总结归纳，方便记忆理解。师：设天体A绕天体B做匀速圆周运动，则天体A的线速度、角速度、周期及加速度的大小分别由哪些量决定？生：由有，利用公式有，利用公式有，据有。师：对！总结起来就是【牢记】： 二、卫星的轨道平面【问题】：请大家看下面的几条卫星轨道，试判断哪几条是可能的，哪几条是不可能的。ABCD【解析】：ACD可能，B不可能。【牢记】：环绕天体做圆周运动的轨道平面的圆心必须是中心天体的球心。三、宇宙速度师：现在我们已知知道了在不同的轨道上，卫星的运动情况是不一样的，与卫星自身质量无关，只与中心天体质量及轨道半径有关。师：但你们知道卫星是如何发射的吗？是如何进入指定轨道的吗？下面我们就来一起讨论这个问题。师：关于发射卫星的问题，牛顿在思考万有引力定律时就曾想过，从高山上水平抛出物体，速度一次比一次大，落地点也就一次比一次远。如果速度足够大，物体就不再落回地面，它将绕地球运动，成为人造地球卫星。如图。师：从图上我们可以看出，物体水平抛出的方向就是地球这个球体的切线方向。现在我们一起来替牛顿算一算，需要多大的速度物体才能不落回地球，而是像卫星一样绕地球做匀速圆周运动。学生思考，教师巡视师：个别同学可能觉得不知如何着手，在高中学习中大家要逐渐学会使用假设法，就像这个问题，你可以假设物体现在正像卫星一样绕地球做匀速圆周运动，那么它的速度应该是多大呢？生：据物体做圆周运动的向心力由万有引力提供，可有得。式中M是地球质量、r是物体圆周运动的轨道半径，因为是在地球表面，所以r近似等于地球半径R。师：这位同学回答得很好，只要知道了地球质量和地球半径R，就可以知道物体做圆周运动的速度了。对于地球的半径，我相信大家还是能记得的，是6400km，但地球的质量估计大家记住的人不多。那我们有没有其它方法让我们不需要知道地球质量也能快速求出速度。生：我知道，在忽略地球自转影响的情况下，近似认为万有引力等于向心力，就可以求解了，因为地球表面的重力加速度我们是知道的。解题过程应该是 有将g=9.8m/s2和半径为6400km代入可计算得速度为7.9km/s。师：请同学们在自己座位上把这位同学说的过程再思考一遍，并写下来。教师巡视并在黑板上板书过程 师：请同学们想一想，为什么抛出速度小于7.9km/s时物体会落到地面上，而不会做匀速圆周运动呢？生：当速度等于7.9km/s时，地球提供的重力正好等于物体以7.9km/s速度做匀速圆周运动所需的向心力,物体做匀速圆周运动；当物体速度小于7.9km/s时，地球提供的重力将大于物理做圆周运动所需的向心力，所以物体做向心运动，落向地面。师：如果抛出速度大于7.9km/s呢？生：这时地球提供的重力将小于物体做圆周运动所需的向心力，物体将做离心运动，远离地球，不能再做匀速圆周运动。师：回答得很好！我告诉大家一个知识点：当抛出速度v满足7.9km/sv11.2km/s时，物体将围绕地球做椭圆轨道的运动。当抛出速度v满足11.2km/sv16.7km/s时，物体将脱离地球的引力，永远离开地球进而进入太阳引力范围，围绕太阳运动。当抛出速度v满足16.7km/sv时，物体将脱离太阳引力，永远离开太阳系。这里我们涉及到三个宇宙速度概念。第一宇宙速度：7.9km/s第二宇宙速度（逃逸速度）：11.2km/s (第二宇宙速度是第一宇宙速度的倍)第三宇宙速度：16.7km/s【牢记】：抛出速度v满足v=7.9km/s时，物体将在地表围绕地球做匀速圆周运动。抛出速度v满足7.9km/sv11.2km/s时，物体将围绕地球做椭圆轨道的运动。抛出速度v满足11.2km/sv16.7km/s时，物体将脱离地球的引力，永远离开地球进而进入太阳引力范围，围绕太阳运动。抛出速度v满足16.7km/sv时，物体将脱离太阳引力，永远离开太阳系。带领学生观看视频：平抛原理观看动画：抛射速度；牛顿卫星原理；宇宙速度及神舟嫦娥发射师：大家可记得在别的什么地方我们也接触到了7.9km/s这个速度啊？请同学们好好回忆一下。学生回忆所学知识点师：请大家看下面一幅图师：地球可以看作是一个巨大的拱形桥，桥面的半径就是地球的半径（约6400km）。地面上有一辆汽车在行驶，重量为G=mg，地面对它的支持力为N。汽车速度越大，地面对它的支持力就越小，当汽车的速度达到一定值时，汽车与地面间就不存在挤压力了。汽车和汽车里的人物等就处于完全失重状态，这时候地球这座拱桥就“形同虚设”了，汽车就是卫星一样绕着地球转了。那这个速度是多大的？生：师：请大家根据地球半径算一下具体值。生：师：假设如果汽车的速度也能达到7.9km/s，那汽车也将会是绕地球旋转的卫星，此时车内的人物等均处于失重状态。我说过，从运动研究角度而言，人、汽车、卫星、火箭的地位是相等的：都是有质量的物体。师：通过刚才的学习，我想大家应该能够理解为什么绕地球旋转的卫星或航天器中一切人和物均处于失重状态。师：通过刚才的计算我们知道7.9km/s的速度是卫星在地球表面运动时的速度，即近地卫星的速度。实际应用中的近地卫星在100200km的高度飞行，与地球半径6400km相比，完全可以说是在“地面附近”飞行，可以用地球半径R代表卫星到地心的距离r即轨道半径。四、卫星发射及变轨问题【问题】：比近地轨道外层轨道上的卫星的线速度与7.9km/s相比是大还是小呢？【解析】：根据知轨道半径越大，线速度越小，所以外层轨道卫星线速度比7.9km/s小。师：既然外层轨道卫星速度比7.9km/s小，那如果要将卫星发现到外层轨道，是不是需要的发射速度会小点？师：要搞清楚这个问题首先必须先弄清楚两个概念。发射速度：所谓发射速度是指被发射物在地面附近离开发射装置时的初速度，并且一旦发射后就再无能量补充，被发射物仅依靠自己的初动能克服地球引力上升一定的高度，进入运动轨道。运行速度（或环绕速度）：所谓运行速度，是指卫星在进入运行轨道后绕地球做匀速圆周运动的线速度师：知道这两个概念后，根据公式可以明确：卫星在地表的环绕速度是最大的，为7.9km/s，越外层的卫星环绕速度越小，所以第一宇宙速度又是最大的环绕速度。师：那将卫星发射到外层轨道需要的发射速度是如何的呢？请大家思考并回答下面的问题。1234【问题】：如右图，四颗均绕地球做匀速圆周运动，方向为逆时针方向。如果卫星3想追上卫星1，应该如何操作？学生多数会回答加速追赶或减速等待【解析】：不能直接加速或减速，如果加速，则卫星做离心运动，进入外层轨道，如果减速，则做向心运动，进入内层轨道。可以先加速后减速或先减速或后加速。【问题】：假设某卫星正在地面附近绕地球做匀速圆周运动，速度是7.9km/s。现要想该卫星进入外层轨道，如何操作？【解析】：在某点瞬间加速，卫星将作离心运动，进入外层轨道。【问题】：在牛顿抛物设想中，当抛出速度v满足7.9km/sv11.2km/s时，物体做什么运动？【解析】：物体将围绕地球做椭圆轨道的运动。师：从上面的分析，我们知道，要想将卫星发射到外层轨道，速度必须大于7.9km/s【牢记】：第一宇宙速度是最大的环绕速度，同时也是最小的发射速度。【问题】：环绕地球做匀速圆周运动的卫星的周期有最大值还是最小值，该值是多少？【解析】：据公式有最小值，为5087秒约84.8min补充：如果有学生问及能量问题，可说明这里还有势能的问题。观看视频文件：神州五号发射过程模拟；神州五号发射实况神舟七号发射、在轨、返回动画模拟；嫦娥3D；嫦娥奔月采集月球样本返回模拟；嫦娥一号发射成功；嫦娥一号发射全过程动画：宇宙速度及神舟嫦娥发射五、同步卫星师：接着我们来认识一种非常重要的人造卫星：同步卫星。同步卫星又叫做通讯卫星。顾名思义，就是用于通讯的卫星。同步卫星的特点是与地球具有相同的角速度。那请同学们考虑考虑，同步卫星有哪些特点？学生思考并回答，教师总结。【牢记】：同步卫星一定在赤道平面。：同步卫星离地面的高度是确定的。：三颗同步卫星基本可以覆盖全球。（配合越极卫星真正实现全球）观看视频：卫星应用；运载火箭发射同步卫星 动画：人造卫星；发射同步卫星动画(变轨）六、梦想成真师：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。真正这人类迈向太空提供科学思想的，是生于19世纪中叶的俄罗斯学者齐奥尔科夫斯基。他指出，利用喷气推进的多级火箭是实现太空飞行最有效的工具。1957年10月4日，世界上第一颗人造地球卫星在苏联发射成功。卫星质量83.6kg，每96min绕地球飞行一圈。几年之后，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，飞船绕地球飞行一圈，历时108min，然后重返大气层，安全降落在地面，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号飞船在美国卡纳维拉尔点火升空，拉开人类登月这一伟大历史事件的帷幕。7月20日，指挥官阿姆斯特朗和驾驶员奥尔德林进入登月舱，与母舰分离后于下午4时17分在月面着陆。10时56分阿姆斯特朗小心翼翼地踏上月面，并说出了那句载入史册的名言：“对个人来说不过是小小的一步，但对人类而言，却是巨大的飞跃。”人们祝贺说：“由于你们的成功，天空已成为人类世界的一部分。”观看视频：阿波罗；阿波罗登月珍贵视频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，把中国第一位宇航员杨利伟送入太空。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。这次成功的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。观看视频：我国卫星发展史尽管人类已经跨入太空，登上月球，但相对于宇宙之宏大，地球和月球只不过是茫茫宇宙中的两粒尘埃；相对于宇宙之长久，人类历史不过是宇宙年轮上一道小小的刻痕宇宙留给人们的思考与疑问深邃而广阔。宇宙中有没有边界？有没有起始和终结？地外文明在哪儿？爱因斯坦曾说过：“一个人最完美和最强烈的情感来自面对不解之谜。”观看其它视频：太空站；航天员训练一（体能与生理测试）；航天员训练二（模拟发射）；科技新闻视频-美俄卫星相撞事故第六节 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间的变化。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，认识的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【教学课时】1课时【探究学习】引入新课教师活动：自从17世纪以来，以牛顿定律为基础的经典力学不断发展，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，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，向其它科学一样，它也有一定的适用范围，有自己的局限性。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。进行新课教师活动：请同学们阅读课文，阅读时考虑下列问题用投影片出示：1、经典力学取得了哪些辉煌的成就？举例说明。2、经典力学在哪些领域不能适用？能说出为什么吗？举例说明。3、经典力学的适用范围是什么？自己概括一下。4、相对论和量子力学的出现是否否定了牛顿的经典力学？应该怎样认识？5、怎样理解英国剧作家萧伯纳的话“科学总是从正确走向错误”？学生活动：阅读教材，并思考上面的问题。分组讨论，代表发言。点评：让学生通过自主阅读获取信息，培养学生阅读理解能力，同时培养学生良好的自学习惯。教师活动：待学生阅读教材后，倾听学生代表的发言，和其他学生一起点评、补充。点评：可能学生回答的不完整，甚至很幼稚，这都无关紧要。重要的是给学生提供发表见解的机会，同学之间甚至可以争论，在相互讨论中，明辨真理，掌握知识。学生A经典力学在微观领域和高速运动领域不再适用；在不同参考系中不能适用；在强引力的情况下，经典的引力理论也是不适用的。学生B因为微观粒子（如电子、质子、中子）在运动时不仅具有粒子性，而且还具有波动性，经典力学不能说明这种现象，所以它不再适用，同时在高速运动领域，由于物体运动速度太快，要导致质量发生变化，而经典力学认为质量是不变的，所以经典力学在高速运动领域内也不再适用.学生C从上面分析知：牛顿运动定律的适用范围是：宏观物体，低速运动。教师总结：从上面讨论可知，经典力学在微观领域、高速运动的情况下不再适用.那么对这些领域的问题又应如何研究呢？下面给大家简单介绍一些近代物理知识。从经典力学到相对论的发展以牛顿运动定律为基础的经典力学中，空间间隔（长度）s、时间t和质量m这三个物理量都与物体的运动速度无关.一根尺子静止时这样长，当它运动时还是这样长；一分钟不论处于静止状态还是处于运动状态，其快慢保持不变；一个物体静止时的质量和运动时的质量一样.这就是经典力学的绝对时空观.到了19世纪末，面对高速运动的微观粒子发生的现象，经典力学遇到了困难.在新事物面前，爱因斯坦打破了传统的时空观，于1905年发表了题为论运动物体的电动力学的论文，提出了狭义相对性原理和光速不变原理，创建了狭义相对论.狭义相对论指出：长度、时间和质量都是随物体的运动速度而变化的.长度、时间和质量随速度的变化关系可以用下列方程表达式：l=l0（通称尺缩效应）t= （钟慢效应）m=（质速效应）上式中，各式里的v都是物体的运动速度，c是真空中的光速，l0和l分别为在相对静止和运动系统中沿速度方向测得的物体的长度；t和t0分别为在相对静止和运动的系统中测得的时间；m0和m分别为在相对静止和运动系统中测得的物体质量.但是，当宏观物体的运动速度远小于光速时（vc），则上面的一些结果就变为ll0，tt0，mm0，因而对于宏观低速运动的物体，使用牛顿定律来处理问题，还是足够精确的.继狭义相对论之后，1915年爱因斯坦又建立了广义相对论，指出空间时间不可能离开物质而独立存在，空间的结构和性质取决于物质的分布，使人类对于时间、空间和引力现象的认识大大深化了.“狭义相对论”和“广义相对论”统称为相对论.（三）课堂总结、点评教师活动：让学生概括总结本节的内容。请一个同学到黑板上总结，其他同学在笔记本上总结，然后请同学评价黑板上的小结内容。学生活动：认真总结概括本节内容，并把自己这节课的体会写下来、比较黑板上的小结和自己的小结，看谁的更好，好在什么地方。点评：总结课堂内容，培养学生概括总结能力。教师要放开，让学生自己总结所学内容，允许内容的顺序不同，从而构建他们自己的知识框架。（四）实例探究例1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?【提示】 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?【提示】 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.课堂练习1.20世纪初，著名物理学家爱因斯坦提出了 ，改变了经典力学的一些结论.在经典力学中，物体的质量是 的，而相对论指出质量随着速度变化而 。2.20世纪初期，建立了 ，它能够正确地描述微观粒子的运动规律。3.经典力学只适用于解决 问题，不能用来处理 问题，经典力学只适用于 物体，一般不适用于 。 参考答案：1. 狭义相对论； 固定不变；变化2. 量子力学3. 低速运动；高速运动；宏观；微观粒子【板书设计】一、经典力学的广泛应用经典力学在两次工业革命中发挥出巨大作用。二、经典力学与狭义相对论1、 物体的质量随物体的运行速度而变化2、 物体运动的位移与时间与参考系的选择有关3、 当物体的速度远小于光速C（3108）时两者结论是一致的。三、经典力学与量子力学微观粒子运动的波动性不能用经典力学来解释，但量子力学能正确地描述微观粒子的运动规律。四、经典力学与广义相对论牛顿引力理论在强引力作用下不适用，只能用广义相对论的引力场理论来解释强引力作用。五、经典力学的适用范围宏观、低速、弱力情况下适用
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