高中物理《万有引力定律》教案23 新人教版必修2

用心 爱心 专心1 行星的运动行星的运动 教学目标教学目标 1 知识目标 通过学习物理学习物理学史的知识 使学生了解地心说 托勒密 和日心说 哥白尼 分别 以不同的参照物观察天体运动的观点 通过学习学习开普勒对行星运动的描述 了解牛顿是 通过总结前人的经验的基础上提出了万有引力定律 2 能力目标 通过学生的阅读使学生知道开普勒对行星运动的描述 3 情感目标 使学生在了解地心说和日心说两种不同的观点 也使学生懂得科学的道路并不是平 坦的光明大道 也是要通过斗争 甚至会付出生命的代价 教学建议与教材分析教学建议与教材分析 1 教材分析 本节教材首先让学生在上课前准备大量的资料并进行阅读 如 第谷在 1572 年时发现在仙后座中有一颗很亮的新星 从此连续十几个月观察这颗星从明亮到消 失的过程 并用仪器定位确证是恒星 后称第谷星 是银河系一颗超新星 打破了历 来 恒星不变 的学说 伽利略开创了以实验事实为基础并具有严密逻辑体系和数学表 述形式的近代科学 为推翻以亚里士多德为旗号的经院哲学对科学的禁锢 改变与加深 人类对物质运动和宇宙的科学认识而奋斗了一生 因此被誉为 近代科学之父 开普 勒幼年时期的不幸 通过自身不懈的努力完成了第谷未完成的工作 这些物理学家的有 关资料可以帮助学生在了解万有引力定律发现的过程中体会科学家们追求真理 实事求 是 不畏强权的精神 2 教法建议 具体授课中教师可以用故事的形式讲述 也可通过放资料片和图片的形式 讲述 也可大胆的让学生进行发言 在讲授 日心说 和 地心说 时 先不要否定 地心说 让学生了解托勒密巧妙的解释 同时让学生明白哥白尼的理论推翻了统治 人类长达一千余年的地球是宇宙中心的 地心说 理论 为宣传和捍卫这一学说 意大 利的思想家布鲁诺惨遭烧死 伽利略也为此受到残酷迫害 不必给结论 让学生自行得 出结论 3 几点说明 用心 爱心 专心2 3 1 日心 地心学说及两者之间的争论有许多内容可向学生介绍 教材为了简单明了地简 述开普勒关于行星运动的规律 没有过多地叙述这些内容 教学中可根据学生的实际情况 加以补充 3 2 这一节的教学除向学生介绍日心 地心学说之争外 还要注意向学生说明古时候人 们总是认为天体做匀速圆周运动是由于它遵循的运动规律与地面上物体运动的规律不同 3 3 学习这一节的主要目的是为了下一节推导万有引力定律做铺垫 因此教材中没有过 重地讲述开普勒的三大定律 而是将三大定律的内容综合在一起加以说明 节后也没有 安排练习 希望老师能合理地安排这一节的教学 典型例题典型例题 1 关于开普勒的三大定律关于开普勒的三大定律 例例 1 1 月球环绕地球运动的轨道半径约为地球半径的 60 倍 运行周期约为 27 天 应用 开普勒定律计算 在赤道平面内离地面多少高度 人造地球卫星可以随地球一起转动 就像停留在无空中不动一样 分析 月球和人造地球卫星都在环绕地球运动 根据开普勒第三定律 它们运行轨道的 半径的三次方跟圆周运动周期的二次方的比值都是相等的 解 设人造地球卫星运行半径为R 周期为T 根据开普勒第三定律有 k 2 3 T R 同理设月球轨道半径为 周期为 也有 2 3 T R 由以上两式可得 在赤道平面内离地面高度 用心 爱心 专心3 km 点评 随地球一起转动 就好像停留在天空中的卫星 通常称之为定点卫星 它们 离地面的高度是一个确定的值 不能随意变动 2 2 利用月相求解月球公转周期利用月相求解月球公转周期 例例 2 2 若近似认为月球绕地球公转与地球绕日公转的轨 道在同一平面内 且都为正圆 又知这两种转动同向 如图 所示 月相变化的周期为 29 5 天 图是相继两次满月 月 地 日相对位置示意图 解 月球公转 2 用了 29 5 天 故转过 2 只用 5 29 2 2 天 由地球公转知 5 36 5 29 2 所以 27 3 天 例例 3 3 如图所示 A B C是在地球大气层外的圆形轨道上运行 的三颗人造地球卫星 下列说法中正确的是哪个 A B C的线速度相等 且大于A的线速度 B B C的周期相等 且大于A的周期 C B C的向心加速度相等 且大于A的向心加速度 D 若C的速率增大可追上同一轨道上的B 分析 由卫星线速度公式v r GM 可以判断出 vB vC TA 故选项 B 是正确 的 卫星的向心加速度是万有引力作用于卫星上产生的 由a 2 r GM 可知aB aC aA 因而选项 C 是错误的 若使卫星C速率增大 则必然会导致卫星C偏离原轨道 它不可能追上卫星B 故 D 也是错误的 故本题正确选项为 B 点评 由于人造地球卫星在轨道上运行时 所需要的向心力是由万有引力提供的 若由于某种原因 使卫星的速度增大 则所需要的向心力也必然会增加 而万有引力在 轨道不变的时候 是不可能增加的 这样卫星由于所需要的向心力大于外界所提供的向 心力而会作离心运动 学生可可进行的探究活动 1 观察月亮的运动现象 2 观察日出现象 万有引力定律万有引力定律 教学目标教学目标 1 知识目标知识目标 1 1 在开普勒第三定律的基础上 推导得到万有引力定律 使学生对此定律有初步理解 1 2 使学生了解并掌握万有引力定律 1 3 使学生能认识到万有引力定律的普遍性 它存在宇宙中任何有质量的物体之间 不 管它们之间是否还有其它作用力 用心 爱心 专心5 2 2 能力目标 能力目标 2 1 使学生能应用万有引力定律解决实际问题 2 2 使学生能应用万有引力定律和圆周运动知识解决行星绕恒星和卫星绕行星运动的天 体问题 3 3 情感目标 情感目标 使学生在学习学习万有引力定律的过程中感受到万有引力定律的发现是经历了几代科学家的 不断努力 甚至付出了生命 最后牛顿总结了前人经验的基础上才发现的 让学生在应 用万有引力定律的过程中应多观察 多思考 教学建议与教材分析教学建议与教材分析 1 教材分析 万有引力定律的内容固然重要 让学生了解发现万有引力定律的过程更重 要 建议教师在授课时 应提倡学生自学和查阅资料 教师应准备的资料应更广更全 面 通过让学生阅读 万有引力定律的发现过程 让学生根据牛顿提出的几个结果自 己去猜测万有引力与那些量有关 教师在授课时可以让学生自学 也可由教师提出问题 让学生讨论 也可由教师展示出开普勒三定律和牛顿的一些故事引导学生讨论 2 教学建议 万有引力定律的教学设计方案 教学目的 1 了解万有引力定律得出的思路和过程 2 理解万有引力定律的含义并会推导万有引力定律 3 掌握万有引力定律 能解决简单的万有引力问题 教学难点教学难点 万有引力定律的应用 教学重点教学重点 万有引力定律 教具 教具 展示第谷 哥白尼 伽利略 开普勒和牛顿等人图片 电脑 教学过程教学过程 用心 爱心 专心6 新课教学新课教学 20 20 分钟分钟 1 引言 展示第谷 哥白尼 伽利略 开普勒和牛顿等人照片并讲述物理学史 十七世纪中叶以前的漫长时间中 许多天文学家和物理学家 如第谷 哥白尼 伽利 略和开普勒等人 通过了长期的观察 研究 已为人类揭示了行星的运动规律 但是 长期以来人们对于支配行星按照一定规律运动的原因是什么 却缺乏了解 更没有人敢 于把天体运动与地面上物体的运动联系起来加以研究 伟大的物理学家牛顿在哥白尼 伽利略和开普勒等人研究成果的基础上 进一步将 地面上的动力学规律推广到天体运动中 研究 确立了 万有引力定律 从而使人们 认识了支配行星按一定规律运动的原因 为天体动力学的发展奠定了基础 那么 1 牛顿是怎样研究 确立 万有引力定律 的呢 2 万有引力定律 是如何反映物体间相互作用规律的 以上两个问题就是这节课要研究的重点 2 通过举例分析 引导学生粗略领会牛顿研究 确立 万有引力定律 的科学推理的思 维方法 苹果在地面上加速下落 由于受重力的原因 月亮绕地球作圆周运动 由于受地球引力的原因 行星绕太阳作圆周运动 由于受太阳引力的原因 3 牛顿的观点 牛顿将上述各运动联系起来研究后提出 这些力是属于同种性质的力 应遵循同一 规律 并进一步指出这种力应存在于宇宙中任何具有质量的物体之间 4 引入课题 板书标题 1 万有引力 宇宙间任何有质量的物体之间的相互作用 板书 用心 爱心 专心7 2 万有引力定律 宇宙间的一切物体都是相互吸引的 两个物体间的引力大小 跟他们之间质量的乘积成正比 跟它们的距离的平方成反比 板书 式中 G为万有引力恒量 G 6 67 10 11N m2 kg2 r为两物体的中心距离 引力 是相互的 遵循牛顿第三定律 应用应用 例题及课堂练习 学生中存在这样的问题 既然宇宙间的一切物体都是相互吸引的 哪为什么物体没 有被吸引到一起 请学生带着这个疑问解题 例题 1 两物体质量都是 1kg 两物体相距 1m 则两物体间的万有引力是多少 解 由万有引力定律得 代入数据得 通过计算这个力太小 在许多问题的计算中可忽略 例题 2 已知地球质量大约是 地球半径为 km 地球表 面的重力加速度 求 1 地球表面一质量为 10kg 物体受到的万有引力 2 地球表面一质量为 10kg 物体受到的重力 3 比较万有引力和重力 用心 爱心 专心8 解 1 由万有引力定律得 代入数据得 2 3 比较结果万有引力比重力大 原因是在地球表面上的物体所受万有引力可分解 为重力和自转所需的向心力 课堂练习课堂练习 教师请学生作课本中的练习 教师引导学生审题 并提示使用万有引力定律公式解 题时 应注意因单位制不同 值也不同 强调用国际单位制解题 请学生同时到前面 在黑板上分别作 1 2 3 题 其它学生在座位上逐题解答 此时教师巡回指导学生练习 随时注意黑板上演算的情况 小结 1 万有引力存在于宇宙中任何物体之间 天体间 地面物体间 微观粒子间 天体 间万有引力很大 为什么 留学生去想 它是支配天体运动的原因 地面物体间 微 观粒子间 万有引力很小 为什么 它不足以影响物体的运动 故常常可忽略不计 2 应用万有引力定律公式解题 值选 式中所涉 其它各量必须取国际单位制 布置作业布置作业 3 3 分钟分钟 教师可根据学生的情况布置作业 学可进行的探究活动学可进行的探究活动 组织学生编写相关小论文 通过对资料的收集 了解万有引力定律的发现过程 了解科 学家们对知识的探究精神 下面就是相关的题目 1 万有引力定律发现的历史过程 2 第谷在发现万有引力定律上的贡献 用心 爱心 专心9 引力常量的测定引力常量的测定 教学目标教学目标 1 知识目标 1 1 使学生掌握万有引力定律并应用万有引力定律解决简单问题 1 2 使学生能应用万有引力定律解决天体问题及卫星问题 1 3 了解我国航天事业的发展情况并用所学知识解释 我国近几年在航天事业上有了长 足的进步 如 长征一号 长征二号 风云一号 风云二号 神州一号 二号 三号等 2 能力目标 通过图片或自制教具展示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 3 情感目标 通过了解卡文迪许扭秤的设计过程 使学生了解卡文迪许这位伟大的科学家是如何攻克 难关 战胜困难的 教学建议与教材分析教学建议与教材分析 1 教材分析 本节内容主要是万有引力常量测量的思想方法的学习 放大思想 微小量 的测量思想方法之一 因此 应当着重介绍卡文迪许扭秤的结构与原理 2 教学建议 教学设计方案教学设计方案 教学过程设计教学过程设计 本节是关于万有引力定律的应用 主要通过例题的讲解加深学生对该 部分知识的理解以及运用 教学过程教学过程 一 讲解例题 用心 爱心 专心10 例题 1 已知地球的半径为 地球的自转角速度为 地球表面的重力加速度为 在赤道上空有一颗相对地球静止的同步通讯卫星离地面的高度是多少 解 关于同步卫星的知识请学生回答 1 同步卫星的周期是 24h 2 同步卫星的角速度与地球的自转角速度相等 3 同步卫星必须在赤道上空 追问学生为什么 由万有引力定律得 解得 在解决此题时应让学生充分讨论和充分理解 让学生建立一个清晰的卫星绕地球的 轨道 例题 2 已知地球的质量为 地球的半径为 地球表面的重力加速度为 求万有引力恒量是多少 解 由万有引力定律得 解得 学生在解决此题后 教师提出问题 1 万有引力恒量是谁首先测量的 用心 爱心 专心11 学生回答后 教师可以补充说明 卡文迪许是最富有的学者 最有学问的富翁 并 对卡文迪许加以较详细的介绍 亨利 卡文迪许是英国杰出的物理物理学家和化学化学家 他的一生为科学的发展作出了重要的贡献 也许这位科 学家在生活中不是一个出色者 但在科学研究中不愧为 一颗闪亮的明星 1731 年 10 月 10 日 卡文迪许生于法 国尼斯的一个贵族家庭 他的父亲是英国公爵的后裔 因为他的母亲喜欢法国的气候 才搬到法国居住 当卡 文迪许两岁的时候 他的母亲就去世了 由于早年丧母 他形成一种过于孤独而羞怯的习性 2 万有引力恒量是用什么方法测量的 教师可用展示扭秤实验的图片并详细解释有关物理物理问题 教学建议中有资料 需要注意两个地方 1 两个 1 千克的物体间的万有引力很小 他是如何解决的 2 力很小读数如何解决的 3 测量的万有引力恒量的数值和单位 4 在现实生活中 两物体间的万有引力我们无法观察到呢 为什么 请学生讨论并举例 说明 学生可进行的探究活动 组织学生收集相关资料 完成以下的探究活动 同时在完成题目 1 的基础上分组自行设 计一种测量万有引力常量的方法 1 万有引力常量测量的历史历史过程 2 根据观察和查阅资料设计一种测量万有引力常量的方法 用心 爱心 专心12 万有引力定律在天文学上的应用万有引力定律在天文学上的应用 教学目标教学目标 1 知识目标 1 1 使学生能应用万有引力定律解决天体问题 1 2 通过万有引力定律计算天体的质量 天体的密度 天体的重力加速度 天体运行的 速度等 1 3 通过应用万有引力定律使学生能在头脑中建立一个清晰的解决天体问题的图景 卫 星作圆周运动的向心力是两行星间的万有引力提供的 2 能力目标 通过万有引力定律在天文学上的应用使学生能熟练的掌握万有引力定律 3 情感目标 通过万有引力定律在天文学上的应用使学生感受到自己能应用所学物理物理知识解决实际问 题 天体运动 教学建议与教材分析教学建议与教材分析 1 教材分析 应用万有引力定律解决天体问题主要解决的是 天体的质量 天体的密度 天体的重力加速度 天体运行的速度天文学的初步知识等 教师在备课时应了解下列问 题 1 1 天体表面的重力加速度是由天体的质量和半径决定的 g 2 R GM 1 2 地球上物体的重力和地球对物体的万有引力的关系 物体随 地球的自转所需的向心力 是由地球对物体引力的一个分力提供 的 引力的另一个分力才是通常所说的物体受到的重力 相关 内容可以参考扩展资料 2 教学建议 万有引力定律在天文学上的应用教学设计万有引力定律在天文学上的应用教学设计 用心 爱心 专心13 教学重点教学重点 万有引力定律的应用 教学难点教学难点 地球重力加速度问题 教学方法教学方法 讨论法 教学用具教学用具 计算机 教学过程教学过程 一 地球重力加速度 问题一 在地球上是赤道的重力加速度大还是两极的加速度大 这个问题让学生充分讨论 1 有的学生认为 地球上的加速度是不变化的 2 有的学生认为 两极的重力加速度大 3 也有的的学生认为 赤道的重力加速度大 出现以上问题是因为 学生可能没有考虑到地球是椭球形的 也有不记得公式的 等 教师板书并讲解 在质量为 半径为 的地球表面上 如果忽略地球自转的影响 质量为 的物体的 重力加速度 可以认为是由地球对它的万有引力产生的 由万有引力定律和牛顿第二 定律有 则该天体表面的重力加速度为 g 2 R GM 用心 爱心 专心14 由此式可知 地球表面的重力加速度是由地球的质量和半径决定的 而又因为地球 是椭球的赤道的半径大 两极的半径小 所以赤道上的重力加速度小 两极的重力加速 度大 也可让学生发挥得 离地球表面的距离越大 重力加速度越小 问题二 有 1kg 的物体在北京的重力大还是在上海的重力大 这个问题有学生回答 问题三 1 地球在作什么运动 人造地球卫星在作什么运动 通过展示图片为学生建立清晰的图景 2 作匀速圆周运动的向心力是谁提供的 回答 地球与卫星间的万有引力即由牛顿第二定律得 G 2 r Mm m r v2 3 由以上可求出什么 卫星绕地球的线速度 卫星绕地球的周期 卫星绕地球的角速度 教师可带领学生分析上面的公式得 当轨道半径不变时 则卫星的周期不变 卫星的线速度不变 卫星的角速度也不 变 当卫星的角速度不变时 则卫星的轨道半径不变 课堂反馈练习 用心 爱心 专心15 1 假设火星和地球都是球体 火星的质量M火和地球质量M地 之比M火 M地 p 火星的半径R火和地球半径R地之比R火 R地 q 则离火星表面R火高处的重力加速度 g火和离地球表面R地高处的重力加速度g地之比g火 g地等于多少 解 因物体的重力来自万有引力 所以 则该天体表面的重力加速度为 所以 2 若在相距甚远的两颗行星A和B的表面附近 各发射一颗卫星a和b 测得卫星 a绕行星A的周期为Ta 卫星b绕行星B的周期为Tb 求这两颗行星密度之比 a b 是多大 解 设运动半径为 行星质量为 卫星质量为 由万有引力定律得 解得 所以 3 某星球的质量约为地球的的 9 倍 半径约为地球的一半 若从地球上高h处平抛 一物体 射程为 60m 则在该星球上 从同样高度以同样的初速度平抛同一物体 射程应 为 A 10m B 15m C 90m D 360m 解得 A 学生可进行的探究活动学生可进行的探究活动 组织学生收集资料 编写相关论文论文 可以参考下列题目 1 月球有自转吗 针对这一问题 学生会很容易回答出来 但是关于月球的自转情况 却不一定很清楚 教师可以加以引伸 比如月球自转周期 为什么我们看不到月球的另 一面 用心 爱心 专心16 2 观察月亮 有条件的让学生观察月亮以及星体 收集相关资料 练习地理地理天文知识编 写小论文论文 人造卫星人造卫星 宇宙速度宇宙速度 教学目标教学目标 知识目标 1 1 通过对行星绕恒星的运动及卫星绕行星的运动的研究 使学生初步掌握研究此类问 题的基本方法 万有引力作为圆周运动的向心力 1 2 使学生对人造卫星的发射 运行等状况有初步了解 使多数学数学生在头脑中建立起较 正确的图景 2 能力目标 通过学习学习万有引力定律在天文学上的应用 通过解世界和中国的航天事业的发展 了解 世界上第一颗人造卫星 第一个宇宙飞船 第一个宇航员的知识 了解中国的神州一号 神州二号 神州三号的发射与回收 增强学生的爱国主义热情 3 情感目标 通过学习学习万有引力定律在天文学上的应用 使学生真切感受到用自己所学的物理物理知识能 解决天体问题 能解决实际问题 增强学生学习物理学习物理的热情 教学建议与教材分析教学建议与教材分析 1 教材分析 本节的教学过程中在加强应用万有引力定律的同时 还应注重卫星的发射 过程 请教师注意下列几个问题 天体运动和人造卫星运动模型 地球同步卫星 卫星运 行速度与轨道 卫星从发射升空到正常运行的连续过程 一般可分为几个阶段 每个阶 段对应不同的轨道 例如发射轨道 转移轨道 运行轨道 同步轨道 返回轨道等 有 些卫星的发射并不是直接到达运行轨道 而需要多次变轨 例如地球同步卫星就是先发 射到近地的圆轨道上 再变为椭圆形转移轨道 最后在椭圆形轨道的远地点变为同步轨 道 因此发射过程需多级火箭推动 用心 爱心 专心17 2 教学建议 教学设计方案教学设计方案 教学重点教学重点 万有引力定律的应用 教学难点教学难点 人造地球卫星的发射 教学方法教学方法 讨论法 教学用具教学用具 多媒体和计算机 教学过程教学过程 一 人造卫星的运动 1 地球绕太阳作什么运动 回答 近似看成匀速圆周运动 2 谁提供了向心力 回答 地球与太阳间的万有引力 3 人造卫星绕地球作什么运动 回答 近似看成匀速圆周运动 4 谁提供了向心力 回答 卫星与地球间的万有引力 请学生思考讨论下列问题 例例 1 1 根据观测 在土星外围有一个模糊不清的光环 试用力学方法判定土星的光环 究竟是与土星相连的连续物 还是绕土星运转的小卫星群 分别请学生提出自己的方案并加以解释 a 如果是连续物则 这些物体作匀速圆周运动的线速度与半径成正比 v r b 如果是卫星则 这些物体作匀速圆周运动的线速度与半径的平方根成反比 v r GM 这个题可以让学生充分讨论 二 人造卫星的发射 问题 用心 爱心 专心18 1 卫星是用什么发射升空的 回答 三级火箭 2 卫星是怎样用火箭发射升空的 学生可以讨论并发表自己的观点 例 2 某型号 长征 运载火箭将重达 8 4 t 的飞船向上送 至近地轨道 1 飞船与火箭分离后 在轨道 1 上以速度 7 2km s 绕地球作匀速圆周运动 1 轨道 1 离地的高度约为 A 8000km B 1600km C 6400km D 42000km 解 由万有引力定律得 G 2 r Mm m r v2 解得 1600km 故选 B 2 飞船在轨道 1 上运行几周后 在 Q点开启发动机短时间向外喷射高速气体使飞 船加速 关闭发动机后飞船沿椭圆轨道 2 运行 到达 P点开启发动机再次使飞船加速 使飞船速率符合圆轨道 3 的要求 进入轨道 3 后绕地球作圆周运动 利用同样的方法使 飞船离地球越来越远 飞船在轨道 2 上从 Q点到 P点过程中 速率将如何变化 解 由万有引力定律得 G 2 r Mm m r v2 解得 v r GM 所以飞船在轨道 2 上从 Q点到 P点过程中 速率将减小 3 飞船在轨道 1 2 3 上正常运行时 飞船在轨道 1 上的速率与轨道 3 上的速率哪个大 为什么 回答 轨道 1 上的速率大 飞船在轨道 1 上经过Q点的加速度与飞船在轨道 2 上经过Q点的加速度哪个大 为什么 回答 一样大 用心 爱心 专心19 飞船在轨道 1 上经过 点的加速度与飞船在轨道 3 上经过 点的加速度哪个大 为什么 回答 轨道 1 上的加速度大 学生可可进行的探究活动学生可可进行的探究活动 收集资料 组织学生编写相关论文论文 1 世界第一颗人造卫星到中国的第一颗人造卫星的历史历史过程 2 我国的人造卫星现在在天空中飞翔的有多少颗及它们的周期 行星 恒星 星系和宇宙行星 恒星 星系和宇宙 教学目标教学目标 1 知识目标 了解行星 恒星和星系等概念 知道宇宙的几个主要天体层次 2 能力目标 通过万有引力定律在这些星系中的应用 使学生了解地球 太阳系 银河系等的运行 3 情感目标