2024-2025學(xué)年新教材高中物理第4章萬有引力定律及航天第2節(jié)萬有引力定律的應(yīng)用教案2魯科版必修第二冊

PAGE1-第2節(jié)萬有引力定律的應(yīng)用本節(jié)先從問題引入，學(xué)生帶著萬有引力定律如何幫助人類實(shí)現(xiàn)“飛天”夢的問題綻開本節(jié)的學(xué)習(xí)。本節(jié)課介紹的人造衛(wèi)星中的一些理論，滲透了很多探討物理問題的方法，因此，本節(jié)課是“萬有引力定律與航天”中的重要內(nèi)容，是學(xué)生進(jìn)一步探討天體物理問題的理論基礎(chǔ)。【物理觀念】能建立模型計(jì)算天體質(zhì)量，能將一些熟識(shí)天體的運(yùn)動(dòng)抽象成勻速圓周運(yùn)動(dòng)模型來進(jìn)行分析和推理?！究茖W(xué)思維】通過相關(guān)實(shí)例，了解萬有引力定律在宇宙探討中的重要作用，能用萬有引力定律說明一些天體運(yùn)動(dòng)問題?！究茖W(xué)探究】能建立放射人造衛(wèi)星的模型，能計(jì)算人造衛(wèi)星的環(huán)繞速度，探究其次宇宙速度和第三宇宙速度?！究茖W(xué)看法與責(zé)任】能感受到科學(xué)定律的預(yù)料作用，體會(huì)萬有引力定律對(duì)人類探究和相識(shí)未知世界的作用。【教學(xué)重點(diǎn)】綜合運(yùn)用萬有引力定律對(duì)天體進(jìn)行有關(guān)運(yùn)算，如計(jì)算天體質(zhì)量、第一宇宙速度等。【教學(xué)難點(diǎn)】將一些天體的運(yùn)動(dòng)抽象成勻速圓周運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行分析和推理。【導(dǎo)入新課】古代“飛天”傳聞嫦娥三號(hào)奔月思索:萬有引力定律如何幫助人們實(shí)現(xiàn)“飛天”的幻想？【新課講授】一、天體質(zhì)量的計(jì)算阿基米德:“給我一個(gè)支點(diǎn)，我可以撬動(dòng)地球”思索：能通過杠桿原理（天平）干脆稱量地球的質(zhì)量嗎？當(dāng)時(shí)已知：地球的半徑R；地球表面重力加速度g；卡文迪許已測出的引力常量G卡文迪許被稱為能“稱出地球質(zhì)量”的人。【重力、萬有引力和向心力之間的關(guān)系】（1）靜止在地面上的物體，若考慮地球自轉(zhuǎn)的影響重力和向心力是萬有引力的兩個(gè)分力；兩極:F引=G赤道:F引=G+F向思索：可以不考慮地球自轉(zhuǎn)的影響么？試求：質(zhì)量為1kg的物體靜止在赤道上時(shí)的向心加速度。（已知地球半徑R=6.×106m)答案：a=0.034m/s2結(jié)論：向心力遠(yuǎn)小于重力，萬有引力大小近似等于重力。因此一般粗略計(jì)算中不考慮（或忽視）地球自轉(zhuǎn)的影響。（2）靜止在地面上的物體，若不考慮地球自轉(zhuǎn)的影響萬有引力全部用來供應(yīng)向心力（已知g=9.8m/s2，地球的半徑R=6400km，萬有引力常量G=6.67×10-11Nm2/kg2）帶入即可得地球質(zhì)量。思索：你還有其他方法測量出地球的質(zhì)量嗎？須要測量那些物理量呢？依據(jù)衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)方法1、選定一顆繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)的衛(wèi)星(例如月球），測定衛(wèi)星的軌道半徑和周期。方法2、若已知衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的的軌道半徑r和運(yùn)行的線速度v?！拘行牵ɑ蛐l(wèi)星）的運(yùn)動(dòng)】1.將行星（或衛(wèi)星）的運(yùn)動(dòng)看成是勻速圓周運(yùn)動(dòng)。2.萬有引力充當(dāng)向心力F引=Fn或在球體表面旁邊F引=G重二、人造衛(wèi)星上天【牛頓的設(shè)想】思索：當(dāng)物體速度特別大時(shí)，物體會(huì)怎樣運(yùn)動(dòng)？在1687年出版的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中，牛頓設(shè)想拋出速度很大時(shí)，物體就不會(huì)落回地面。思索：那么，拋出速度為多大時(shí)，物體將不會(huì)落回地面而圍著地球表面運(yùn)動(dòng)呢？(已知Ｇ=6.67×10-11Nm2/kg2,地球質(zhì)量M=5.98×1024kg,地球半徑R=6400km,地球表面重力加速度g=9.8m/s2)【方法一】萬有引力供應(yīng)物體作圓周運(yùn)動(dòng)的向心力 【方法二】在地面旁邊，重力供應(yīng)物體作圓周運(yùn)動(dòng)的向心力1、第一宇宙速度（環(huán)繞速度）物體在地面旁邊繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的速度，叫做第一宇宙速度。v1=7.9km/s說明：（１）假如衛(wèi)星的速度小于第一宇宙速度，衛(wèi)星將落到地面而不能繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)；（２）等于這個(gè)速度，衛(wèi)星剛好能在地球表面旁邊作勻速圓周運(yùn)動(dòng)；放射速度：指衛(wèi)星進(jìn)入軌道時(shí)的初速度。環(huán)繞速度：指衛(wèi)星在穩(wěn)定的軌道上繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)的線速度。留意：7.9km/s是最小的放射速度,最大的環(huán)繞速度。探究:若衛(wèi)星的放射速度大于7.9km/s，會(huì)怎樣呢？2、其次宇宙速度（脫離速度）使衛(wèi)星擺脫地球引力的束縛，成為繞太陽運(yùn)行的人造行星的最小放射速度。v2=11.2km/s3、第三宇宙速度（逃逸速度）使衛(wèi)星擺脫太陽引力的束縛，飛到太陽系外的最小放射速度。v3=16.7km/s思索：對(duì)于繞地球運(yùn)動(dòng)的人造衛(wèi)星：（1）離地面越高，向心力越_____.（2）離地面越高，線速度越_____.（3）離地面越高，周期越_____.（4）離地面越高，角速度越____.4、人造地球衛(wèi)星的運(yùn)行軌道全部衛(wèi)星都在以地心為圓心的圓或橢圓軌道上。①赤道軌道，衛(wèi)星軌道在赤道平面，衛(wèi)星始終處于赤道上方②極地軌道，衛(wèi)星軌道平面與赤道平面垂直，衛(wèi)星通過兩極上空③一般軌道，衛(wèi)星軌道和赤道成肯定角度。【特別衛(wèi)星的規(guī)律】（1）近地衛(wèi)星對(duì)衛(wèi)星：全部地球衛(wèi)星運(yùn)行速度小于7.9km/s、周期大于1.4小時(shí)。（2）同步衛(wèi)星：相對(duì)于地面靜止，公轉(zhuǎn)周期和地球自轉(zhuǎn)周期相同的衛(wèi)星。特點(diǎn)：⑴運(yùn)行方向肯定（2）周期肯定：T=24h=86400s（3）角速度肯定：相對(duì)于地面靜止。（4）速率肯定rvωTa“全部確定”所以h≈3.6×104Km（是定值）（5）高度肯定（6）軌道肯定：同步衛(wèi)星軌道必需在赤道上空三、預(yù)料未知天體海王星的發(fā)覺1781年，英國天文學(xué)家威廉·赫歇爾用望遠(yuǎn)鏡發(fā)覺了太陽系的第七顆行星——天王星；