天体运动教学设计人教版(新教案)

1、天体运动授课人：漆波课时安排：一课时教学目标：.深入理解万有引力定律,利用万有引力定律解决问题.卫星飞船在进行变轨各相关物理参量变化.,对嫦娥一号相关物理问题进分析.本讲重点：应用万有引力定律和牛顿第二定律解决天体运动问题； 本讲难点：.卫星飞船变轨和对接.一、考纲解读考纲要求：万有引力定律的应用、人造地球卫星的运动(限于圆轨道)、动量知识和机 械能知识的应用(包括碰撞、反冲、火箭)都是n类要求；航天技术的开展和宇宙航行、宇宙 速度属I类要求 二、命题趋势万有引力定律与天体问题是历年高考必考内容.考查形式多以选择、计算等题型出现. 本局部内容常以天体问题(如双星、黑洞、恒星的演化等)或人类航天

2、(如卫星发射、空间 站、探测器登陆、结合“嫦娥一号等)为背景,考查向心力、万有引力、圆周运动等知识. 这类以天体运动为背景的题目,是近几年高考命题的热点,特别是近年来我们国家在航天方 面的迅猛开展,更会出现各类天体运动方面的题.、.思路及方法:().根本方法：把天体运动近似看作圆周运动,它所需要的向心力由万有引力提供,4二22日口 o Mmv2即. G -2 =m = m w r 一rr().估算天体的质量和密度由Mm = m空2得：M= 丝:.即只要测出环绕星体运转的一颗卫星运转的半径和周 r TGt期,就可以计算出中央天体的质量由 p = M, v = f 兀 KJ得:V3Q3P = 37

3、1r.为中央天体的星体半径耳(年高考),由此可以测量天体的GT2GT2R3特殊：当r = R时,即卫星绕天体外表运行时,p密度.()行星外表重力加速度、轨道重力加速度问题GMm 巾 GM外表重力加速度,由 2 =mg. 得：g0 =-TrRR轨道重力加速度,由GMm2 二 mg(R h)2 y得：g =GM , R 、2(R h)2 =(R-h) g0(4)卫星的绕行速度、角速度、周期与半径的关系()由GM7=me得：v = JGM .即轨道半径越大,绕行速度越小r rr即轨道半径越大,绕行角速度越小4 Mm2GM()由 G 2- = m w r 得： w = J -3- r- r2Mm4二1

4、3 -由G 丁 = m丁得：T = 2n J 即轨道半径越大,绕行周期越大r 1, GM5 那么迥步卫冕所谓地球同步卫星是指相对于地面静止的人造卫星,它的周期=.要使卫星同步,同步 卫星只能位于赤道正上方某一确定高度. 2, 八 Mm4 二由： G2 =m ( R + h ) 得:(R h)T,4 4 JI-h =%仃2 R X k m R R表木地球半径 GMI、开普勒第一定律又叫椭圆轨道定律.所有的行星围绕太阳运动的轨道都是椭圆,太阳处在所有椭圆的一个焦点上.注意：不 同行星的椭圆轨道的半长轴是不同的.、开普勒第二定律又叫面积定律.太阳和行星的边线在相等的时间内扫过相等的面积,即角动量守恒

5、.说明：行星近日点的速率大于远日点的速率.、开普勒第三定律又叫周期定律.所有行星的椭圆轨道的半长轴的三次方跟公转周期的二次方的比值都相等.如年全国I卷选择题R3T23 3=k,或=与.T；TJ卫星的变轨问题由万有引力与向心力的大小比拟判断得出:F A mv2Zr卫星1故近,J运动.F V mv2/r卫毫做离心运动五、例题精析一.天体运动常规题【例】【广东物理】土星周围有许多大小不等的岩石颗粒,其绕土星的运动可视为圆周运动.其中有两个岩石颗粒和与土星中央距离分别位Pa = 8.0父104km和5.旭=1.2父10 km.忽略所有岩石颗粒间的相互作用.结果可用根式表不 岩石颗粒和的线速度之比. 求

6、岩石颗粒和的周期之比.星探测器上有一物体,在地球上重为,推算出他在距土星中央x处受到土星的引力为.地球半径为x,请估算土星质量是地球质量的多少倍？2一 Mm【解析】由万有引力定律及牛顿第二定律有G=m,r r解得环绕速度=所以:AGMGM解得上1.2 10538.0 104 一 2由开普类周期定律得 马=与,所以唇)3 =户.0父102J2T2r；Tb 3. 1.2 103 ; 3由万有引力定律得6工卷=10, G粤=0.38, Rer解得 业=0.038父(1)2 =3.8,102M(3.2.103)2 =95.MeRe6.4 10点评：解答计算题时应说明所列方程的理论依据,计算时应有代值过

7、程.此题是一道天 体运动方面的试题.综合了万有引力定律、圆周运动等考点,均为主干知识.试题中等难度.跟踪练习(年广东高考题)万有引力常量,地球半径,月球和地球之间的距离,同步卫星距地面的高度,月球绕地球的运转周期,地球的自转周期,地球外表的重力加速度.某 同学根据以上条件,提出一种估算地球质量的方法：同步卫星绕地球作圆周运动,由GMm=m)红；2h得M =4广h2 TGT2()请判断上面的结果是否正确,并说明理由.如不正确,请给出正确的解法和结果.()请根据条件再提出两种估算地球质量的方法并解得结果.解析：地球的半径约为6400km,相对于同步卫星的高度 (约为36000km),计算其轨道半径

8、时, 就不能忽略地球的半径,该同学计算中的错误正是没有把地球的半径考虑进去；根据题目中给出的条件,利用月球的有关数据也可计算地球的质量；在近地处,物体的重力近似等于它所受到的万有引力,这也是计算地球质量的一种方法.解析：()上面结果是错误的,地球的半径在计算过程中不能忽略.正确的解法和结果是:Mm(R h)22二 2G=m(T) (R + h)4二 2rgt224 二 2(R h)GT22、. , Mm 2二 2()方法一：对月球绕地球作圆周运动,由GM2m(J)2r得M =r T方法二：在地面重力近似等于万有引力,由GMm = mg得M =R2点评：这是一道辨析说理题,它将学生中解答的典型错

9、误展示出来,要求学生分析解题 过程是否正确,是否有疏漏之处,在说明理由的根底上加以纠正和补充,让学生在解答中充 分展示正确的解题思路.这种新题型已深受广阔师生的认可,因此同学们在平时复习时应多 注意收集、整理易错、易混的典例,适时加以纠正以逐步积累辨析水平.二.飞船卫星变轨问题【例】.(江苏)某人造卫星运动的轨道可近似看作是以地心为中央的圆.由于阻力作 用,人造卫星到地心的距离从慢慢变到,用,分别表示卫星在这两个轨道上的动能,那么() ,() (),选.当卫星受到阻力作用后,其总机械能要减小,卫星必定只能降至低轨道上飞行,故 减小.由v=JG可知,要增大,动能也要增大.可见只有选项正确.常见错

10、解：当卫星受到阻力作用时,由于卫星克服阻力做功,故动能减小,速度变小,为了继续环绕地球,由于卫星速度v=JGM可知,减小那么半径必增大,可见应该选.点评:这是一道学生易错题,原因除如上所示,还有就是学生对高轨道越高卫星总机械能越大不容 易理解,而高中教材对势能公式不做要求,而类比氢原子核外的势能与动能可以理解但(专家对此类比反对很多,原因是玻尔理论本身就不完善),对此问题不管是教师教学还是学生学习都属一个难点.跟踪练习 人造飞船首先进入的是距地面高度近地点为200km,远地点为340km的的椭圆轨道,在飞行第五圈的时候,飞船从椭圆轨道运行到以远地点为半径的圆行轨道上,如下图,试处理下面几个问题

11、(地球的半径6370km, 9.8m):()飞船在椭圆轨道1上运行,为近地点,为远地点,当飞船运动 到点时点火,使飞船沿圆轨道2运行,以下说法正确的选项是.飞船在点的万有引力大于该点所需的向心力.飞船在点的万有引力大于该点所需的向心力.飞船在轨道上的速度小于在轨道上的速度.飞船在轨道上的加速度大于在轨道上的加速度解析飞船在轨道上运行,在近地点处飞船速度较大,相对于以近地点到地球球心的距离 为半径的轨道做离心运动,说明飞船在该点所受的万有引力小于在该点所需的向心力；在远 地点处飞船的速度较小,相对于以远地点到地球球心为半径的轨道飞船做向心运动,说明飞 船在该点所受的万有引力大于在该点所需的向心力

12、；当飞船在轨道上运动到点时,飞船向后 喷气使飞船加速,万有引力提供飞船绕地球做圆周运动的向心力缺乏,飞船将沿椭圆轨道做 离心运动,运行到轨道上,反之亦然,当飞船在轨道上的点向前喷气使飞船减速,万有引力 提供向心力有余,飞船将做向心运动回到轨道上,所以飞船在轨道上的速度小于在轨道上的 速度；飞船运行到点,不管在轨道还是在轨道上,所受的万有引力大小相等,且方向均于线 速度垂直,故飞船在两轨道上的点加速度等大.答案()假设由于飞船的特殊需要,美国的一艘原来在圆轨道运行的飞船前往与之对接,那么飞船 一小旦.从较低轨道上加速.从较高轨道上加速.从同一轨道上加速.从任意轨道上加速解析当飞船在某一轨道上加速

13、,属于速度突变问题,由于速度的忽然增加导致所需向心 力增大而做离心运动,轨道半径增大,从而不能在原轨道上继续运行,为了追上轨道空间站, 实现宇宙飞船与空间站对接,只能让飞船从较低轨道上加速.三.“嫦娥一号的物理创新题地月转【例】年月日,“嫦娥一号探月卫星沿地月转移轨道到达月球,在距月球 外表200km的点进行第一次“刹车制动后被月球捕获,进入椭 圆轨道I绕月飞行,如下图.之后,卫星在点 经过几次“刹车制动, 最终在距月球外表200km的圆形轨道出上绕月球做匀速圆周运动.用T1、T2、T3分别表示卫星在椭圆轨道I、 n和圆形轨道出的周期,用 a1、a2、a3分别表示卫星沿三个轨道运动到点的加速度

14、,那么下面说法正确的选项是(). T1T2T3. T1T2 a2 a3 . a1 a2 T2T3,项正确.不管沿哪一轨道运动到点 ,卫星所受月球的引力都相等,由牛顿第二定律得 a1 a2 a3,故项均错误.嫦娥号运行轨图月球捕捉轨道地月转移轨道并不是一条直线,而是一条近地点为600公里.远地点为38万公里的超大棚H轨道,从地月转移轨道的入口点到 出口点的实际距鬻只有等到“嫦娥一号飞完这段路程后才能得出输切数据 .孟南静编制新华社度联系本人请致电电邮:虽然在学习的过程中会遇到许多不顺心的事,但古人说得好一一吃一堑, 长一智.多了一次失败,就多了一次教训；多了一次挫折,就多了一次经验. 没有失败和挫折的人, 是永远不会成功的.快乐学习并不是说一味的笑,而是采用学生容易接受的快乐方式把知识灌输到学生的大脑里.由于快乐学习是没有什么大的压力的,人在没有压力的情况下会表现得更好.青春的执迷