《物理》课件 第4章万有引力与航天应用

4.1开普勒行星运动定律认识历程活动探究原理阐释应用拓展人类对浩瀚无边的宇宙充满了向往，经过漫长而曲折的研究,逐渐揭开了行星运动的神秘面纱。不同的行星都在各自的轨道上绕太阳运行，行星运行的轨道有怎样的特点呢?

新课引入新课教学一、人类对行星运动的认识历程两种学说的碰撞地心说日心说新课教学一、人类对行星运动的认识历程二十年的精心观测四年多的刻苦计算8分的误差

怎么回事呢？否定19种假设行星轨道为椭圆开普勒（德国天文学家）第谷（丹麦天文学家）小组讨论分析数据，你得到了什么？活动探究

节气年份春分夏至秋分冬至20223月20日6月21日9月23日12月22日20233月21日6月21日9月23日12月22日20243月20日6月21日9月22日12月21日春天：92天夏天：94天秋天：84天冬天：90天四季的时间是不相等的，地球绕太阳的运动并不是完美的匀速圆周运动。绘制椭圆做一做焦点焦点O半长轴a保证椭圆的周长不变，当椭圆的形状变圆时两焦点间的距离会如何变化？而当焦点重合时，半长轴转变为什么？议一议：椭圆上某点到两个焦点的距离之和与椭圆上另一点到两焦点的距离之和有什么关系？新课教学二、开普勒行星运动定律说明：（1）太阳并不是位于椭圆中心，而是位于焦点处。（2）不同行星轨道不同，但所有轨道的焦点重合。开普勒第一定律01.

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。轨道定律新课教学二、开普勒行星运动定律说明：行星越靠近太阳速率越大，越远离太阳速率越小（即：行星在近日点速率大于远日点速率）。开普勒第二定律02.对于任意一个行星而言，它和太阳的连线在相等的时间内扫过相等的面积。面积定律新课教学二、开普勒行星运动定律开普勒第二定律02.实际上，行星的轨道与圆十分接近，在现阶段的研究中我们可按圆轨道处理。近似处理法新课教学二、开普勒行星运动定律猜想：a3/T2=k，你能猜出k可能跟谁有关吗?行星？太阳？开普勒第三定律03.所有行星轨道的半长轴的三次方跟它的公转周期的二次方的比都相等。周期定律即：a3/T2=k新课教学二、开普勒行星运动定律开普勒第三定律03.行星/卫星半长轴（km）周期（天）K（m³/s²）水星5787.97金星108225地球149365火星228687木星7784333土星142610759天王星287030660海王星449860148月球0.384427.3地球同步卫星0.04241通过下列数据，你能得到什么？k与中心天体(太阳)有关3.36×10183.36×10183.36×10183.36×10183.36×10183.36×10183.37×10183.37×10181.03×10181.03×1018例题1

北京冬奥会于2022年2月4日晚开幕，晚会根据世界级非物质文化遗产"二十四节气"进行倒计时活动，表现出冬去春来、欣欣向荣的诗意和浪漫。天文学将一年以春分、夏至、秋分、冬至为起点分为四季，2021年的春、夏、秋、冬四个季节的天数分别为93、94、89和89天，如图所示，是春分、夏至、秋分、冬至时地球绕太阳运行的大致位置，由图可知判断，地球在春分日、夏至日、秋分日和冬至日四天中哪一天绕太阳运动的速度最大？哪一天绕太阳运动的速度最小？地球公转轨道示意图例题2地球的公转轨道接近圆，但彗星的运动轨道则是一个非常扁的椭圆，天文学家哈雷曾经在1682年跟踪过一颗彗星，他算出这颗彗星轨道的半径长轴约等于地球轨道半径的18倍，并预言这颗彗星将每隔一定时间就会出现，哈雷的预言得到证实，该彗星被命名为哈雷彗星。哈雷彗星最近出现的时间是1986年，请你根据开普勒行星运动第三定律（

a3/T2=k，其中T为行星绕太阳公转的周期，r为轨道半长轴）估算。它下次飞近地球是哪一年？小组讨论阅读拓展材料《我国古代天文学卓越成就》，探讨行星运动定律建立过程中所蕴含的科学精神和科学方法？活动探究课堂小结两种学说地心说日心说三大定律轨道定律面积定律周期定律

行星的运动4.2万有引力定律科学足迹活动探究原理阐释应用拓展是什么神秘的力量使遥远的星球不断改变运动方向而绕着太阳运动呢?

新课引入“太阳坐在它的皇位上，管理着围绕它的一切星球”

——哥白尼行星的运动新课教学一、科学家们对行星运动原因的探索足迹小组讨论分析下列情形，你得到了什么？活动探究猜想:“天上”的力与“人间”的力是否属于同种性质的力？建立模型探究1:太阳对行星的引力F活动探究简化把行星绕太阳的运动简化为匀速圆周运动，行星做匀速圆周运动时，受到一个指向圆心（太阳）的引力，正是这个力提供了匀速圆周运动所需的向心力。思考：行星的实际运动是椭圆运动，但我们还不了解椭圆运动规律，那应该怎么办？能把它简化成什么运动呢？建立模型探究1:太阳对行星的引力F活动探究思考：太阳对行星的引力提供向心力，那么这个力大小有什么样定量关系？

消去v

探究2:牛顿“月—地检验”活动探究牛顿的猜想这些力也许是同一种性质的力，并且都遵从与距离的平方成反比的规律。太阳对行星的引力地球对月球的引力地球对地面上苹果的引力“天上”的力“人间”的力是否同种性质？新课教学二、

万有引力定律定律内容01.自然界中任何两个物体都是互相吸引的，引力的方向沿两物体的连线,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。G：是引力常量，其值为6.67×10-11N·m2/kg2新课教学第一个能称出地球质量的人

100多年后，由英国物理学家卡文迪许测出G值的测量：卡文迪许扭秤实验新课教学二、

万有引力定律说明：（1）万有引力公式适应于两个质点或者两个均匀球体之间的相互作用。（2）r—质点间的距离（或球心距）（3）两个物体之间的万有引力是一对相互作用力（4）自然界的任何两物体之间都存在万有引力估算太阳和地球间的万有引力大小做一做万有引力的宏观性：万有引力在天体与天体间,天体与物体间比较显著。已知太阳的质量约为2.0×1030kg,地球的质量约为6.0×1024kg,太阳和地球之间的平均距离约为1.5×1011m,太阳和地球间的万有引力有多大?F=Gm1m2r2=6.67×10-11×2.0×1030×6.0×1024（1.5×1011）2N=3.56×1022N=3.545×1022N

能够拉断直径为9000km

的钢柱我们人与人之间也应该存在万有引力，可是为什么我们感受不到呢？想一想万有引力的宏观性：在通常情况下，万有引力非常小，只有质量巨大的星球间或天体与附近的物体间，它的存在才有实际的物理意义。估算两个质量50kg的同学相距0.5m时之间的万有引力约有多大？F=Gm1m2r2=6.67×10-11×2.0×1030×6.0×1024（1.5×1011）2N=3.56×1022N=6.67×10-7

N

一粒芝麻重的几千分之一新课教学三、万有引力定律在天文学上的应用天体质量的计算01.如何测得天体的质量？

物体在行星表面所受到的万有引力近似等于物体的重力基本思路：思考：如何测量月球的质量呢？方法一通过重力近似等于万有引力这一条件将天体视为圆周运动，万有引力充当向心力基本思路：方法二通过万有引力充当向心力这一条件Mrm

可见，只要测出行星的公转周期T以及它和太阳之间的距离r,就可以计算出太阳的质量。中心天体环绕天体只能计中心天体的质量不能计算环绕天体的质量新课教学三、万有引力定律在天文学上的应用预测未知天体02.天王星轨道的反常运动，亚当斯和勒维耶推算出海王星的存在，由加勒观测发现新课教学三、万有引力定律在天文学上的应用预言哈雷彗星回归03.例题1关于万有引力定律的正确说法是（）A.万有引力定律对质量大的物体适用，对质量小的物体不适用B.m1与m2受到的引力大小总是相等的，方向相反,是一对平衡力C.m1与m2受到的引力总是大小相等的，而与m1、m2是否相等无关D.当r趋近于零时，万有引力趋于无穷大【参考答案】C例题22018年12月8日，我国发射的“嫦娥四号”探测器成功升空，并于2019年1月３日实现了人造探测器首次在月球背面软着陆。在探测器逐渐远离地球，飞向月球的过程中（）Ａ．地球对探测器的引力增大Ｂ．地球对探测器的引力减小Ｃ．月球对探测器的引力减小Ｄ．月球对探测器的引力不变【参考答案】B太阳与行星间的引力:万有引力的猜想：万有引力的检验：推广：万有引力定律的应用万有引力定律的得出:“天上”的力与“人间”的力是同一种力月---地检验宇宙中一切物体间都有引力引力常量G的测量实验4.3宇宙速度与航天应用

人造卫星规律的探究宇宙速度航天应用应用拓展从嫦娥奔月到万户飞天，从阿波罗11号登月到我国“载人航天工程”“探月工程”的有序开展，人类一直在为“飞天”梦想努力着。

嫦娥奔月

敦煌飞天的壁画新课引入从嫦娥奔月到万户飞天，从阿波罗11号登月到天问一号的火星之旅，人类一直在为“飞天”梦想努力着。

新课引入

嫦娥二号发射新课教学一、人造卫星规律的探究Av交流讨论问题1：假想人站在山顶，平抛出一个物体，速度越大，物体飞的越远，若物体速度非常大可能会有什么情况？新课教学一、人造卫星规律的探究

实际上，早在1687年出版的《自然哲学的数学原理》中，牛顿就设想：把物体从高山上水平抛出，速度一次比一次大，落地点也就一次比一次远；抛出速度足够大时，物体就不会落回地面，成为人造地球卫星。梦想成真1969年7月20日，美国“阿波罗”11号飞船的登陆舱降落在月球附近的静海区，首次实现了人类登上月球的理想……

宇航员阿姆斯特朗说出“对个人来说，这不过是小小的一步，但对人类而言，却是巨大的飞跃。”小组展示世界各国发射人造卫星的基本情况梦想成真规律探寻探寻人造卫星运行运动学规律

参数卫星在轨高度(H)运行速度(v)运行周期(T)天宫一号382KM7.88KM/s约90分钟东方红一号728.25KM7.55KM/s114分钟

鑫诺六号通信广播卫星35786KM3.1KM/s23小时56分4秒

卫星绕地运转轨道半径越大，速度越小、角速度越小、周期越大新课教学二、宇宙速度这就是物体在地球附近绕地球做匀速圆周运动的速度，叫作第一宇宙速度（环绕速度）。第一宇宙速度01.算一算：以多大的速度抛出物体，它才会绕地球表面运动，不会掉下来？（忽略太阳对物体的引力。已知Ｇ=6.67×10-11Nm2/kg2，地球质量M=6×1024kg，地球半径R=6400km，地球表面重力加速度g=9.8m/s2）新课教学二、宇宙速度物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动时，可近似认为向心力是由重力提供的，有：第一宇宙速度01.新课教学二、宇宙速度第一宇宙速度01.

发射卫星的轨道越高，需要克服万有引力的阻碍作用越多，所以发射速度需要增加。1.是航天器成为卫星的最小发射速度2.是卫星的最大环绕速度新课教学二、宇宙速度第二宇宙速度02.理论研究指出，在地面附近发射飞行器，如果速度大于7.9km/s，又小于11.2km/s，它绕地球运行的轨迹就不是圆，而是椭圆。当飞行器的速度等于或大于11.2km/s时，它就会克服地球的引力，永远离开地球。我们把

11.2km/s叫作第二宇宙速度（逃逸速度）。新课教学二、宇宙速度第三宇宙速度03.达到第二宇宙速度的飞行器还无法脱离太阳对它的引力。在地面附近发射飞行器，如果要使其挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系外，必须使它的速度等于或大于

16.7km/s，这个速度叫作第三宇宙速度（脱离速度）。新课教学二、宇宙速度

V1=7.9km/s地球V2=11.2km/sV3=16.7km/s11.2km/s>v>7.9km/sM发射速度运行速度新课教学三、航天应用人造卫星01.1957年10月4日，世界上第一颗人造地球卫星——“卫星1号”被送到了外层空间。这是人类第一次冲破重力的束缚，自由自在地探测宇宙空间。苏联的这一划时代成就当即在西方世界引发了一场“卫星地震”……新课教学三、航天应用人造卫星01.1970年4月24日，我国第一颗人造地球卫星“东方红1号”发射成功。使中国成为继苏、美、法、日之后世界上第五个独立研制并发射人造地球卫星的国家。新课教学三、航天应用人造卫星01.我国自主建设、独立运行的卫星导航系统——北斗卫星导航系统，为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要空间基础设施。由若干地球静止轨道卫星、倾斜地球同步轨道卫星和中圆地球轨道卫星组成。新课教学三、航天应用人造卫星01.卫星绕地球做匀速圆周运动时，由地球对它的万有引力充当向心力。因此卫星绕地球做匀速圆周运动的圆心必与地心重合，其轨道可分为三类：1.赤道轨道：卫星的轨道与赤道共面，卫星始终处于赤道正上方。3.任意轨道：卫星的轨道与赤道平面成某一角度。2.极地轨道：卫星的轨道与赤道平面垂直，卫星经过两极上空。新课教学三、航天应用人