1、高一物理萬有引力定律的應用 人類對太空的不懈追求(課時)福建省晉江第一中學 高一物理備課組【教學目標】一、 知識與技能：1、 知道衛(wèi)星所受的萬有引力等于衛(wèi)星做圓周運動的向心力。2、 理解第一宇宙速度，知道第二宇宙速度和第三宇宙速度3、 了解經(jīng)典力學的發(fā)展歷程和偉大成就；知道經(jīng)典力學對航天技術發(fā)展的重大貢獻；知道萬有引力定律對科學發(fā)展所起的重要作用。二、 過程與方法：1、 會以拋體運動為出發(fā)點導出衛(wèi)星上天的粗略道理。2、 會計算第一宇宙速度。3、 會計算天體的質量和密度。4、 收集我國和世界航天事業(yè)發(fā)展史和前景的資料，進一步體會科學知識對人類探索未知世界的作用三、 情感、態(tài)度與價值觀：1、 通過

2、牛頓拋體運動圖的解說及齊奧爾科夫斯基火箭公式等經(jīng)典力學發(fā)展的偉大成就介紹，使學生體會經(jīng)典力學創(chuàng)立的價值與意義。2、 通過介紹人造衛(wèi)星的應用及我國航天技術的發(fā)展，激發(fā)學生勇攀科學高峰的熱情。3、 通過介紹人們如何發(fā)現(xiàn)海王星和冥王星，體會科學定律對人類探索未知世界的作用。4、 體會科學研究方法對人們認識發(fā)展學生對科學的好奇心和求知欲。5、 使學生體會到科學探索的艱辛，挖掘德育的素材。【教學重點】1、 計算第一宇宙速度的兩種方法。2、 計算天體的質量和密度。3、 經(jīng)典力學對航天技術發(fā)展的重大貢獻。4、 萬有引力定律對科學發(fā)展所起的重要作用?！窘虒W方法】問題教學法、理論探究法【教學過程】【導入】：1、

3、 復習：(1) 提問：行星運動的開普勒三定律；萬有引力定律。(2) 學生回答：(略)。2、 新課引入：(1) 多媒體展示：我國神舟六號的發(fā)射、在軌運行、回收情況；我國嫦娥探月工程的基本情況。(2) 提問：為什么宇宙飛船能登上月球？為什么飛船能像月亮那樣圍繞地球旋轉？飛船在什么條件下能掙脫地球的束縛？在進一步的探索中，人類會對更遙遠的星球有些什么了解？請同學們帶著這些問題進行這一節(jié)課的學習。【新課教學】一人造衛(wèi)星上天1、 如何使人造衛(wèi)星上天：(1) 提出探究課題：站在高山頂端，水平拋出一塊石頭，石頭的水平射程跟什么有關？若不斷增大水平拋射石頭的投擲速度，當速度達到足夠大時，石頭是否不再落回地面而

4、繞地球旋轉？(2) 學生探究，發(fā)表見解。(3) 教師引導學生利用牛頓的拋體運動圖總結衛(wèi)星上天的道理：只要拋出的速度足夠大，被拋出的物體就會像月球那樣不再掉下來，這實際上就是人造地球衛(wèi)星或宇宙飛船上天的原理。(4) 教師提問：如何使用人造衛(wèi)星和飛船獲得這樣大的初始速度？(5) 學生閱讀課本，了解齊奧爾科夫斯基的多級火箭構想。2、 第一宇宙速度(環(huán)繞速度)：(1) 利用多媒體向學生解說什么叫做近地衛(wèi)星：如果衛(wèi)星繞地球運行的軌道可視為圓形，并且衛(wèi)星距地面的高度遠小于地球半徑，則衛(wèi)星軌道半徑可近似為地球半徑。(2) 提問： 如何使近地衛(wèi)星在圓周軌道上運動而不偏離軌道呢？(3) 學生探究，發(fā)表見解。(4

5、) 利用多媒體引導學生回顧前一章學過的“近心運動”、“圓周運動”和“離心運動”，從而得出近地衛(wèi)星不脫離軌道的原因：mg=F引=F向，即。(5) 引導學生利用導出第一宇宙速度的計算式(6) 引導學生利用導出第一宇宙速度的計算式(7) 學生自己代數(shù)據(jù)計算出第一宇宙速度的值為7.9km/h。3、 第二、三宇宙速度：(1) 做課本P95的“模擬衛(wèi)星運動”的實驗(可教師演示或學生隨堂實驗)，感受“圓周運動”和“離心運動”(2) 簡介第二宇宙速度(脫離速度)和第三宇宙速度(逃逸速度)。(3) 時間允許的話，可讓學生閱讀P95的“討論與交流”。4、例題：1990年3月，紫金山天文臺將1965年9月20日發(fā)現(xiàn)

6、的第2753號小行星命名為吳健雄星，其直徑為32km，如該小行星的密度和地球相同，則該小行星的第一宇宙速度為_。(已知地球半徑R=6400km,地球的第一宇宙速度為8km/s)二測天體質量和預測未知天體1、測天體質量（問題一）：如何用火星探測器測火星的質量？引導學生探究并提問學生：探測器在火星上空是如何運行的？（學生回答一）：探測器在火星上空繞火星運行，探測器相當于火星的人造衛(wèi)星。（學生回答二）：這可用探測器的的運行周期T和運行半徑r算出火星的質量M。思路如下：設探測器的質量為m，由F引F向可得：火星質量為（問題二）：如何測火星的密度？（學生回答）：還需要先測火星本身的半徑R，則（問題三）：有

7、沒有更為簡便的方法呢？（學生回答）：若火星探測器在火星近地軌道運行，則問題變得更簡單。此時Rr，故，無須測探測器的軌道半徑和火星本身的半徑。（總結）：因此，只要探測器能到達的天體，其質量和密度都可測出。2、預測未知天體（多媒體演示）：八大行星中，水星、金星、火星和土星都是人眼能直接看到的。人們第一次通過望遠鏡發(fā)現(xiàn)的新行星是天王星。但是人們發(fā)現(xiàn)天王星時，其運行軌道與人們用萬有引力定律所算出的軌道有偏差。這是為什么呢？（引導學生猜想）：（1）萬有引力定律是錯誤的。（2）天王星外還有一顆未知行星，它對天王星有較大的引力作用。（多媒體演示并介紹海王星的發(fā)現(xiàn)）：萬有引力定律已被大量的事實所證實，現(xiàn)在我們

8、大家都知道它是自然界普遍的規(guī)律。人們根據(jù)猜想（2），用萬有引力定律計算出天王星外的未知天體的軌道半徑。果然在所算出的位置人們發(fā)現(xiàn)海王星。（總結）：發(fā)現(xiàn)海王星有什么意義？（1） 進一證明了萬有引力定律的正確性。（2） 根據(jù)同樣方法發(fā)現(xiàn)了冥王星。（3） 說明科學理論具有預見性。（學生舉例說明：哈雷慧星的回歸，探測礦藏分布等）三、對太空的探索1、飛天路上，先驅烙下的深深足跡 生活在這個星球上的最高等智慧生物，是充滿好奇心的白皮膚、黃皮膚、黑皮膚的人類。人類想要知道海洋的盡頭是什么，五六百年前就創(chuàng)造了遠洋航海技術，“全球文明”即由此發(fā)端；人類想要像鳥兒一樣展翅高飛，多年前就發(fā)明了飛機，寂寥長空從此成為

9、旅行的驛站；人類想要擺脫地球引力到大氣層外的空間看一看，半個世紀間，各式各樣的航天器就紛紛射向太空從自立行走于腳下這片土地到飛出藍色地球村，人類就是這般孜孜不倦地幻想著，并一步一步地拓展著他們的活動空間。夢想：腳步開始的地方。在東方的傳說中，美貌的嫦娥偷吃了靈藥飛天成仙，從此獨守寂寞蟾宮；而在古希臘的神話里，太陽神阿波羅則駕著太陽車巡游九天，為人間送來光明和溫暖。那是人類對太空最初的思考與渴望。直到500多年前，波蘭天文學家哥白尼用“日心說”掀起了一場轟轟烈烈的認知革命，人類才開始了對宇宙的科學審視。 就在“日心說”與統(tǒng)治歐洲一千多年的“地心說”艱難斗爭的同一時代，中國的明朝官員萬戶一位試圖飛

10、出天外的幻想家，卻成了人類第一位飛天的真正實踐者。美國學者基姆在其著作火箭與噴氣中這樣描述人類歷史上的第一次火箭飛行嘗試：萬戶先做了兩個大風箏，并排裝在一把椅子的兩邊，然后在椅子下面捆綁了47支大火箭中國人發(fā)明的一種以火藥作燃料的兵器。準備完畢后，萬戶坐在椅子當中，命仆人點燃火箭 “人類航天始祖”萬戶勇敢的生命，最后殞落在了點燃火箭后的巨響中。多年后，月球上的一座環(huán)形山被命名為萬戶山。1903年，人類飛天史上的一個里程碑。那一年，萊特兄弟駕駛著他們在自行車修理車間里制造的第一架飛機“飛行者1號”，實現(xiàn)了人類歷史上第一次成功的空中飛行。同樣在這一年，雙耳失聰?shù)亩韲茖W家齊奧爾科夫斯基在論文中提出

11、了著名的“火箭公式”，論證了用火箭發(fā)射航天器的可行性。他指出：最理想的推進劑不是火藥，而是液體燃料；單級火箭在當時達不到宇宙速度，必須用多級火箭接力的辦法才能進入宇宙空間。 1957年10月，在哈薩克的大荒原里，前蘇聯(lián)用火箭把第一顆人造地球衛(wèi)星“斯普特尼號”送上了天。這顆直徑580毫米、太空運行僅92天的小衛(wèi)星，宣告著人類進入到一個空間探索的新時代。1961年4月，在9次無人飛船試驗后，“東方1號”飛船載著27歲的前蘇聯(lián)空軍少校加加林，進行了108分鐘的太空旅行。這是人類歷史上第一次載人航天飛行，加加林也成為人類造訪太空的第一人。 同年，美國啟動“阿波羅登月計劃”。8年之后的7月21日，美國宇

12、航員阿姆斯特朗就在月球上留下了人類的第一個足印。在踏上月球的一刻，人類第一位月宮使者由衷慨嘆：這是個人的一小步，卻是人類的一大步。1971年4月，前蘇聯(lián)成功發(fā)射了世界上第一個試驗性載人空間站“禮炮1號”空間站。載人航天活動由此進入到規(guī)模較大、飛行時間較長的空間應用探索與試驗階段。1975年7月，前蘇聯(lián)的“聯(lián)盟19號”飛船和美國“阿波羅18號”飛船，在太空中成功對接。通過電視轉播，全世界數(shù)以億計的觀眾目睹了來自兩國的兩位太空使者相擁的歷史畫面。 1981年4月，美國發(fā)射了可以重復使用的太空運載工具航天飛機。6年后，美國邀請歐洲航天局、日本和加拿大參加研制永久性載人空間站計劃。1993年，俄羅斯的

13、加入不僅擴大了空間站的規(guī)模，而且使這個項目成為一項真正意義上的國際性計劃 國際空間站，一個共同探索、和平開發(fā)宇宙的平臺。從飛船到空間站，人們用不懈的探索搭建起了通往“天宮”的云梯。 然而，通天之路從來充滿艱辛 1971年6月，前蘇聯(lián)3名宇航員在飛船氣壓閥失效時因為缺乏航天服的保護而死亡； 1986年1月，美國“挑戰(zhàn)者號”航天飛機起飛后凌空爆炸，7名壯志未酬的宇航員、包括一位即將在太空中為幾十萬美國中學生講授奇妙太空的中學教師，在萬眾矚目中獻身藍天； 2003年2月，美國“哥倫比亞號”航天飛機在它的第28次飛行返程途中突然解體，再過16分鐘就能踏上地球的7名宇航員全部犧牲；2003年的8月，巴西

14、第三枚型衛(wèi)星運載火箭在發(fā)射前的最后檢測中發(fā)生爆炸，“咖啡王國”的航天夢再次遭受重創(chuàng) 收獲大喜，卻也歷盡大悲。在悲喜交加的太空旅程中，人類一點一滴地感悟著“科學”二字，那沉甸甸的分量。2、飛天路上，中國人烙下深深足跡 在人類大步邁向太空的旅程中，中國人追夢的步伐一天也沒有停止過。 1970年4月24日，中國第一顆人造衛(wèi)星發(fā)射成功?！伴L征二號”型火箭托舉著神舟五號載人飛船轟然起飛。浩瀚太空迎來了第一位中國訪客38歲的中國航天員楊利偉。在343公里的高度上，中國人第一次在自己的航天器上看到了人類美麗的地球家園。 這是中國的高度，一個崇尚獨立自主的民族以自己的方式叩問天宇的高度。 從這一天起，中國成為

15、第三個能夠獨立開展載人航天活動的國家。戚發(fā)軔說，夢圓那刻，是他這一生笑得最燦爛、哭得最痛快的一次。神舟五號的順利升空，不僅僅使得中國人的千年飛天夢想變?yōu)楝F(xiàn)實，更重要的是它標志著在人類探索太空的隊伍中，又加入了一支強大而富于創(chuàng)造性的力量。 神舟的六號載人飛船轟然起飛。浩瀚太空再度迎來的是兩位中國訪客。在343公里的高度上，中國人第一次出現(xiàn)在自己的組合。 中國已形成12個型號的“長征”系列運載火箭。未來的新一代大推力運載火箭，將滿足不同用途大型衛(wèi)星和空間站的發(fā)射需要； 中國已初步形成了返回式遙感衛(wèi)星、通信廣播衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、科學探測與技術試驗衛(wèi)星、地球資源衛(wèi)星、導航定位衛(wèi)星等多種類型的衛(wèi)星系列。將來，中國還要建立長期穩(wěn)定運行的衛(wèi)星對地觀測體系，自主的衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，以及產業(yè)化、市場化的空間應用體系； 中國已啟動無人月球探測的“嫦娥工程”，那輪在唐詩宋詞里無數(shù)次被吟誦過的月亮，就要迎接來自中國的親密接觸 在跨越式地實現(xiàn)了載人航天工程的第一步目標之后，中國正在穩(wěn)步走向以交會對接為特征的第二步和更遠的未來。