万有引力定律(通用10篇)
1.万有引力定律 篇一
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.
(三)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.
(四)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.
(五)布置作业 (3分钟):教师可根据学生的情况布置作业 .
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.
2.万有引力定律 篇二
要落实面向未来的物理教学观,就不能把万有引力定律仅仅当做一个知识点教给学生,而应从科学和人文两个层面提炼其教学价值,并将其内化为学生的科学素养和人文素养。从科学层面看,万有引力定律的建立过程是一个完整的科学探究过程,为人们提供了科学研究的典型范例。为此,我在设计过程中,对教学内容进行了重组,按照牛顿发现万有引力定律的过程串联教学内容,展示牛顿的研究方法和严谨的科学态度。从人文层面看,万有引力定律的发现过程蕴涵着深厚的哲学意蕴,在思想上和认识论等方面给人们以极大的启迪。
[教学过程]
片段1:创设情境,引入课题
教师从包里取出一个纸包,层层剥开后,问学生:“这是什么?”学生笑答:“苹果!”教师又从包中取出一个苹果,平静地说:“这个也是!”满堂大笑。教师继续说:“世界上的苹果千千万,有两个苹果最有名,一个是亚当和夏娃在伊甸园里偷吃的那个,还有一个是砸到牛顿头上的那个。第一个是圣经里的故事,第二个是物理学史里的故事,现在是上物理课,所以我们来研究第二个苹果。”教师接着说:“牛顿与苹果的故事脍炙人口,不过我们有一个疑问,万有引力定律这么深刻的规律难道真是一个苹果砸出来的吗?现在,就让我们抹去岁月的封尘,走进这个伟大定律的发现过程吧!”
片段2:设置问题,引导探究
教师讲解:前面我们一起经历了“问题的提出、科学的猜想、严谨的推理”三个环节,得出了太阳对行星的引力满足:。牛顿进一步推想,地面上物体受到的重力、地球对月球的引力应该与太阳对行星的引力遵守同样的规律。这个推想是否正确?在难以通过实验直接验证的情况下,牛顿巧妙地利用相关观测数据解决了这个难题,这就是著名的“月—地”检验。问题如下:已知地球半径为R=6400km,月球绕地球的轨道半径r≈60R,月球公转周期为27.3d,地球表面重力加速度为g=9.8m/s2。请你运用上述数据,分别用圆周运动知识和上面的引力理论计算月球的向心加速度,并比较两种解法的结果。
片段3:深化理解,提升价值
教师采用指导学生看书和讲解、讨论相结合的方法,引导学生从科学与人文两个角度理解万有引力定律。
(1)万有引力定律揭示了自然界一种基本作用的规律。教师补充:规律越基本,意义越深刻。自然界中包罗万象的作用归结为四种基本作用,即万有引力作用、电磁作用、强作用和弱作用。
(2)万有引力定律的发现统一了天上和地面上的力学规律,解放了人类的思想。教师补充:亚里士多德把自然界分为月上世界和月下世界两个部分,而且遵循不同的规律。万有引力定律既适用于天体间的作用,又适用于地面上物体间的作用,说明天上人间遵循同样的规律。
(3)万有引力定律为人类航天奠定了理论基础。出示图片:牛顿《自然哲学数学原理》中的一幅图片。放映视频:我国发射神舟飞船的片段。
3.《万有引力定律》的题型归类 篇三
关键词:万有引力 题型归类
中图分类号:O314.1 文献标志码:A 文章编号:1672-3791(2014)11(C)-0150-01
每次复习《万有引力定律》这一章都会有一种明显的感觉,这章的知识脉络非常清晰,只要把握好知识的主线,进行合理的题型归类,从知识角度来说,学生们学习起来还是很轻松的,以下是对该章进行的题型分析。
题型一:物体在天体表面问题
天体对其表面的物体的万有引力近似等于重力,即或(R、g分别是天体的半径、表面重力加速度),公式应用广泛,称“黄金代换”,此处的习题经常结合自由落体及各种抛体运动。
例1.在不久的将来,我国将成功登上月球,如果宇航员登上月球后,在其表面用弹簧称测得质量为m的法码的重力为F,用其他办法测得月球半径为r,万有引力常量为G,则月球的质量为多少?
解析:月球表面重力加速度,由
得月球的质量
例2.我国探月的“嫦娥工程”已启动,在不久的将来,我国宇航员将登上月球。假如探月宇航员站在月球表面一斜坡上的M点并沿水平方向以初速度V0抛出一个小球,测得小球经过时间t落到斜坡另一点N,斜面的倾角为,将月球视为密度均匀半径为r的球体,万有引力常量为G,则密度是多少?
解析:根据平抛规律,月球对表面物体万有引力等于物体重力, 解得
题型二:物体围绕天体做匀速圆周运动
例3.已知地球半径为R,地球表面重力加速度为g,不考虑地球自转的影响,(1)推导第一宇宙速度V1的表达式;(2)若卫星绕地球做匀速圆周运动轨道距离地面高度为h,求卫星运行周期T。
解析:设卫星质量为m,地球质量为M,
在地球表面附近满足
得
卫星做圆周运动的向心力等于它受到的万有引力,
得到
卫星受到的万有引力为
由牛顿第二定律,
解得:
题型三:考虑天体自转(万有引力一部分为其提供向心力)
例4.一物体静置在平均密度为的球形天体表面的赤道上。已知万有引力常量G,若由于天体自转使物体对天体表面恰好为C,则天体自转周期为是多少?
解析:物体与天体表面没有作用力,万有引力作为向心力有
又有
解得(看看这两个哪个对?试卷上市大写的C)
题型四:同步卫星,双星系问题
利用万有引力提供向心力,万有引力近似等于重力和同步卫星的特点是解决问题的关键,而解决双星问题还要另外注意三点:(1).两星球绕转的半径是r1,r2的和等于两星间的距离L,即r1+r2=L。(2).求两星间的万有引力公式中的r=L。(3).两星各自做圆周运动的角速度相等是隐含条件。
例5.在天文学上把两个相距较近由于彼此的引力作用沿轨道互相绕转的恒星系统称为双星。已知两颗恒星质量分别为m1,m2,两星之间距离为L,两星分别绕共同的中心做匀速圆周运动,求各个恒星的运转半径和角速度。
解析:两恒星构成的系统能保持距离L不变,则两恒星转动的角相度相同,设它们的角速度为,半径为r1,r2则r1+r2=L
它们间的万有引力提供了它们做匀速圆周运动的向心力,
对恒星M1:
对恒星M2:
解得
将
代入解得
题型五:卫星(或飞船)的发射及变轨问题
卫星的发射、回收航天器或空间站的对接等都要经过一系列的变轨过程,才能达到预定的目的,解决此问题的依据是天体做圆周运动的向心力的“供”和“求”关系,
即若F供=F求,“供求平衡”——物体做匀速圆周运动
即若F供 即若F供>F求,“供过于求”——物体做向心运动 例6.2010年10月1日18时59分57秒,搭载着“嫦娥二号”卫星的长征三号丙运载火箭在西昌卫星发射中心点火发射,卫星由地面发射后进入地球转移轨道,经多次变轨最终进入距离月球表面100公里,周期为118分钟的工作轨道,开始对月球进行探测(ACD) A.卫星在轨道Ⅲ上的运动速度比月球的第一宇宙速度小 B.卫星在轨道Ⅲ上经过P点的速度比在Ⅰ轨道经过P点时大 C.卫星在轨道Ⅲ上运动周期比在轨道Ⅰ上短 D.卫星在轨道Ⅲ上的机械能比在轨道上Ⅱ多 解析:------- 总之,学习万有引力定律的关键就是一种模型即匀速圆周运动模型,两条思路即天体表面和围绕天体做匀速圆周运动,还有五组公式。 参考文献 [1]黄开智.中澳物理教材习题的对比研究 [J].物理教师,2014(2). [2]陈建.物理教师专业知识的学科分析 [J].物理教师,2014(2). [3]陈建.谈谈面向教师专业标准的物理教师专业素质的要求[J].物理教师,2013(2). [4]杨钰.2013年高考万有引力与航天试题归类分析[J].理科考试研究,2013(21). [5]李一新.2012年高考有关万有引力考题归类分析[J].中学物理参考,2012(11). [6]陈宗成.中学物理教师专业观念发展之境界简论[J].物理教師,2012(9). [7]朱俊光,韦震,金国平,等.中美物理教材中关于培养学生问题解决能力方面的比较研究[J].物理教师,2011(8). 上中学学科网,下精品学科资料 怎样学习万有引力定律 万有引力定律这一章是学生感到十分头疼的一个章节,因为这一章的公式比较多,变式也很多、繁杂,计算量又很大,对学生的空间想象能力的要求也比较高。所以导致很多学生学习起来比较吃力。现在就对我在教学当中的教学设计和具体的实施谈谈自己浅薄的看法。 一、万有引力定律应用的三条基本思路 GMmv2mgmam2rr422或mr或mT2r等等 这一系列的等式总结了万有引力定律应用的三条解题思路。 GMmmg,地球对物体的万有引力近似等于重力,以M,R分别表示地球的质2r量,半径,若物体在地球表面附近,GMg2r 就是地球表面附近的重力加速度,取g=9.8m/s2,若物体在距地面h的高空GMg可以理解为物体受到的万有引力产生的加速度。下面以19912Rh年全国高考题为例:某行星的一颗小卫星在半径为r的圆形轨道上绕行星运行,运行的周期为T,已知引力常量为G,这个行星的质量M是多少? 分析:行星对卫星的引力提供卫星做匀速圆周运动的向心力,应用万有引力定律计算天体的质量。 GMm42解:由于m2r 2rT42r 3∴M 2GT 二、万有引力定律应用中应区分的几个概念 万有引力定律的具体应用有:根据其规律发现新的天体,测天体质量,计算天体密度,研究天体的运行规律,同时也是现代空间技术的理论基础,这一部分内容公式变化较多,各种关系也很复杂,理清下列一些相近或相关概念,对于掌握这一部分内容也是非常重要的。 1、三个速度:发射速度、宇宙速度、运行(线)速度。例如第一宇宙速度(环绕速度)V1=7.9km/s,是人造卫星的最小发射速度,最大的运行(线)速度。 2、两个半径:天体半径和卫星轨道半径。在求天体密度时一定要注意这两个半径的联系和区别。 3、三个周期:地球的自转周期,公转周期与人造地球卫星的运行周期,要弄清中学学科网学科精品系列资料 版权所有@中学学科网 中学学科网学科精品系列资料 上中学学科网,下精品学科资料 楚什么时候用哪个周期。 4、两类运行:稳定运行和变轨运行(近心运动、离心运动) 5、同步卫星和一般卫星:所谓地球同步卫星,是相对于地面静止并和地球具有相同周期的卫星,T=24h,同步卫星必须位于赤道上方距离地面高度h处,且h是一定的,同步卫星也叫通信卫星。 例如:一宇宙飞船到某星球上探测,宇航员想知道该星球的密度,而身边只有一块手表,他该怎么办? 解析:要熟知各种方法测量星球的密度的不同表达式,从中选择只含有一个时间项的测量方法,当宇宙飞船绕着星球运行时,可将其视为该星球的一颗卫星,42r3M43GMm42M即又(VR)∴mr222GTV3rT根据关系式 3r3因此要想求得星球的密度必须使飞船的轨道rR,才能得出,23GTR3,所以谦虚怀宇航员只要让飞船贴近该天体表面绕行一周,用手表测出GT2周期即可求得该星球的密度。 点评:在中学物理中通常把天体看成一个球体,天体半径就是球的半径,反映了天体的大小,星球的轨道半径是天体的卫星绕天体做圆周运动的圆的半径,一般情况下,天体卫星的轨道半径总是大于该天体的半径,当卫星贴近天体表面时,可以近似的认为轨道半径等于天体半径 三、人造卫星运行的一般规律 1、万有引力全部用来提供人造地球卫星绕地球做圆周运动的向心力,因此所有的人造地球卫星的轨道圆心都在地心。 2、人造地球卫星的轨道半径与它的高度不同。 3、离地面高度不同,则重力加速度不同,设离地球表面高度为h处,重力加速度为g1,地面处重力加速度为g,地球半径为R。则 中学学科网学科精品系列资料 版权所有@中学学科网 中学学科网学科精品系列资料 上中学学科网,下精品学科资料 R2GMmGMmmg1g1gmg 222rRhRh 4卫星的超重失重,卫星进入轨道前的加速过程中,卫星上的物体超重卫星进入轨道后正常运转时,系统具有向下的加速度且等于轨道处的重力加速度,卫星上的物体完全失重。 5、表示人造地球卫星运行状态的物理量有三个:即环绕速度V,转动半径r(或R+h,h为离地高度)以及转动周期T,这三个物理量相互制约,当其中一个物理量确定后,另外两个物理量也就确定了。 万有引力定律在高考中主要考查理解、掌握万有引力定律,并能用它解决相关的一些实际问题(应用),理解天体的运动,熟练掌握其重点公式。因此要求学生能熟练的掌握、理解天体运动中的动力学因素F引=F向即万有引力提供向心力。 万有引力定律是宇宙这章的第一节,是本章的核心,是17世纪自然科学最伟大的成果之一,它为研究天体运动提供了理论依据,彻底使人们对宇宙的探索从被动描述走向主动发现。万有引力定律承上启下的作用:上承圆周运动,下启卫星的运动。掌握好本节课,对前面知识的加深理解,后面问题的顺利解决,将会起到重要的作用。 学习万有引力定律需要以牛顿运动定律和匀速圆周运动知识为基础。 二、学情分析及处理对策: 通过创设情景,吸引学生的注意力,引发学生学习的兴趣。通过让学生自己搜集资料介绍科学家探索宇宙的历史,引出开普勒三大定律,引导学生发现问题,并鼓励学生猜想是什么力提供了天体运动所需的向心力。结合牛顿的猜想,注重对学生进行情感教育,鼓励学生大胆推广,提出万有引力的概念。然后提供给学生一些数据和已知的定律,让学生探究推导万有引力的表达式。以此来激发学生的兴趣,也可以增强他们的信心。最后概况总结万有引力定律的内容和适用条件等,并适当介绍卡文迪许扭秤实验。整个过程希望培养学生“大胆假设,合理推广,小心求证”的科学品质,培养学生像科学家一样思考,像科学家一样去探究,进而提高学生科学探究的能力。 三、教材的重点和难点: 本设计要突出的重点是:让学生理解万有引力的概念和万有引力定律。方法是:通过介绍太阳系行星的运动,引导学生思考行星运动所需要的力,让学生对此进行猜想,通过强调牛顿归纳出所有有质量物体之间都存在万有引力的思考过程,加深对定律的理解。 本设计要突破的难点是:万有引力定律发现过程中用到的科学方法。通过引导学生对观测到的数据进行定量的分析,在已经发现的物理规律的基础上,让学生体验牛顿发现万有引力定律的过程,学习科学研究的常规方法。 四、教法: 阅读思考、猜想假设、分析推理、事实验证、总结归纳、讨论交流、练习巩固等。 在设计本节教学知识目标时定位并不高,只要求学生知道万有引力定律的内容、表达式和适用条件,知道卡文迪许实验的巧妙构思,学会直接运用万有引力定律进行计算。而对过程与方法、情感、态度和价值观提出了较高的要求,要求学生通过运用网络搜索、组织信息以及交流表达,认识学科间的相互渗透。通过探究万有引力定律的过程,经历大胆假设、小心求证、得出结论等科学探究的基本过程。通过探究万有引力定律的过程,认识建立物理模型、合理简化、抓住主要矛盾忽略次要矛盾等研究物理规律的方法。体会宇宙的奥秘,以牛顿的重大发现为载体了解科学发展史,感悟科学先驱的探索精神,树立正确的宇宙观和科学观。通过发现万有引力和验证万有引力定律的过程,体验科学研究的长期性、连续性和艰苦性。这样设计教学目标也是为了落实新课标提出的“培养全体学生的科学素养”这一义务教育阶段物理教育培养目标。 根据以上的教学目标,在设计教学过程时,选择了以学生课题研究小组为单位选择课题,共同研究、交流合作的学习模式。研究课题设置考虑到不同学生的实际情况,对教材内容作了扩展,补充了一些新的内容。由于学生刚开始尝试这种学习方式会遇到困难,我们对学生准备过程给予了较严密的监控和实施指导。我们对学生学习过程的指导也是对师生互动学习的一种尝试。 五、教学程序设计: 本设计的基本思路是:作为教师,不应该只关心学生学习的成果,更应该重视学生学习的过程,要让学生在参与的过程中体验,在过程中给学生以情感的震撼,在过程中让学生学会科学探究的方法,在过程中获得科学研究的能力。高二年级学生已经具备一定的自学能力,同时对新事物充满好奇心,往往不满足于课本的知识介绍,本课中的介绍知识完全可以通过学生的自学完成。通过自主、合作学习来充分发挥学生的主体性,从而改变学生被动接受的传统。 第一环节,通过创设宇宙的情景,吸引学生的注意力,引发学生学习的兴趣,根据开普勒三大定律,引导学生发现问题。 第二环节,鼓励学生猜想是什么力提供了天体运动所需的向心力,并结合牛顿的猜想,提出万有引力的概念。 第三环节,引导学生重现牛顿发现万有引力、得出万有引力定律公式的过程。 第四环节,概况总结万有引力定律的内容、表达式、适用条件和特性。 第五环节,介绍卡文迪许扭秤实验,用Flash模拟扭秤实验,介绍万有引力定律的一些应用。 学生学习心里 分析 高中生正处于从初中物理的定性分析到高中物理的定量讨论;从初中的形象思维到高中的抽象思维;从初中简单的逻辑思维到高中复杂的分析推理的转变过程中。从心理学的角度分析他们的一般能力已经具备,具有一定的观察力、记忆力、抽象概括力、想象力。但其创造能力还比较欠缺,对于利用已有知识创造出新的概念、理论的能力很弱,因此教师应尽可能的提供具有创造能力的活动,不断鼓舞学生的信心,让学生能够在兴趣与积极性中学习知识。 教 目标 知识与技能: 了解万有引力定律的发现过程 通过万有引力规律的推广,建立万有引力定律,写出数学表达式。 过程与方法: 采用科学史情景探究法,通过合作学习,锻炼自主、探究、合作学习的能力。 假设和推理 情感态度与价值观: 对人类认识万有引力定律过程做出自己的评价,体验物理学的研究思想和方法 教学重点 牛顿发现万有引力的思路,培养学生的创造能力。 教学难点 牛顿以开普勒对行星运动学规律的描述为基础证明万有引力定律的思路 教学方法 科学史情景探究法、讨论法 教学手段 多媒体辅助教学 教 学 过 程 教学环节 教师活动 学生活动 设计意图 情景回放 播放视频(美丽星空)。 导入 师:在上课之前,我先带领大家进入一个神奇的、梦幻般的地方。(视频) 1.看着这样美丽的地方,同学们感觉如何?是不是产生了无限的遐想,有一种身临其境想亲自去探索期中奥秘的冲动? 2.正是有了这千千万万个不同的行星运动,才构成了这神奇的宇宙,才出现了这种.种神奇的现象。那么大家想一想,这么多的行星,他们在偌大的宇宙间运动,是各行其是、杂乱无章嘛? 生:(观看视频,用心去感受)。 行星虽然多,但他们的运动都是有一定规律的,均有自己的运动轨道。 创设情境,激发兴趣 “兴趣是最好的老师”,学生有了兴趣就有了主动探究的重要基础,所以激发探究的兴趣是教学成功的关键。 新课引入 师:对,通过上节课的学习,我们知道不是的。 1.上一节课我们跨越了千年时空对宇宙进行了一个三级跳,让我们通过时间的轴线共同回忆一下天体究竟做怎样的运动的研究之路: 地心说(托勒密)与日心说(哥白尼) 行星运动的规律(开普勒) 开普勒第一定律(椭圆轨道定律) 开普勒第二定律(面积定律) 开普勒第三定律(周期定律) 2.开普勒的行星运动定律揭示了行星的运动规律,对行星如何绕太阳运动进行了一个确切的描述。所以我们说宇宙虽大,行星虽多,但他们始终是沿着一定的轨道绕太阳做有规律的运动(展示行星运动图片) 3.那么老师又要问了,行星为什么会如此运动?是什么原因促使他们这样运动呢? 开普勒虽然知道行星的椭圆轨道,但由于行星速度的大小、方向不断变化,他当时还是无法解决这种变化的曲线运动问题,即当时无法逾越的困难之一——数学工具的缺乏。 今天就让我们来研究这一问题的解决之路,进入新课教学——万有引力定律是怎样发现 回顾上一节课所学知识,概括总结前人探究自然,追求科学真理的过程。 认真思考教师所提出的问题,用一种探究真理的思想继续学习。 生:发散思维,积极主动充分表达自己的观点 了解科学家当时遇到的困难,知道科学的发现之路的艰辛 复习回顾,温故知新 我从上一问题对旧知识进行了一个具体的回顾,对讲解本节课做一铺垫,让学生脑海里有一个系统的知识体系。 通过疑问的方式调动学生的积极性,让他们带着问题上路,走进新课。 讲授新课 1.发散思维,积极讨论 师:1.面对行星运动这张图片,同学们有什么看法或是想法呢? 2.同学们说的都很好,那么,大家再想想这个力是什么性质的力,这个力跟哪些因素有关呢? 其实这个问题在当时也引起了不同时代不同科学家的不同猜想,同学们想不想知道他们当时是怎么想的? 2.科学猜想 那就让我们继续在时间的轴线上前行,将我们大家的想法与他们做一比较: 类比——分析——猜想: 吉尔伯特---行星是依靠太阳发出的磁力维持着绕日运动的。 笛卡尔---漩涡带动行星的运动 分析——直觉——猜想: 布里奥---行星受太阳发出的力支配,力的大小跟行星与太阳距离的平方成反比 胡克--- 行星运动是太阳吸引力的缘故,并且力的大小遇到太阳距离的平方成反比 3.虽然他们当时的猜想各异而且一步步有一定的进展,但最终还是没有将此问题解释清楚。那是为什么呢?主要是当时还存在其他的一些困难. 天体是一个庞然大物,如果认为天体间有引力,那么如何计算由天体各部分对行星产生的力的总效果呢? 当时存在一定的理论依据的缺乏——困难之二 如果天体间是互相吸引的,那么在众多天体共存的太阳系中,如何解决他们之间相互干扰这一复杂问题呢?——困难之三 那么,给出问题答案的又会是谁呢? 3.创设情境,继续设置问题 师:同学们,首先我让大家欣赏这样两幅图片(讲述苹果落的传奇故事),看看你们有什么想法: 如果你是牛顿,你会想到什么呢? 同学们说的都非常好,我把大家的想法总结了一下,那接下来让我们对这些问题共同做一探讨: 1.苹果为什么会落地呢? 老师为大家准备了两样东西,大家以四人小组玩一玩,看看能发现什么。 大家一起再来看一看,这就是引力——能把东西拉过来的一种力。想一想苹果落到地面上是不是和回形针吸到磁铁身上差不多啊,这就说明是由于地球本身的一种力(演示地心引力课件) 2.那如果苹果树长到月球那么高,苹果还会落到地球上吗? 3.苹果既然由于地球的吸引而落到地面上,那月球为什么就不会落到地面上呢? 4.月球为什么绕地球做圆周运动? 在现行《考试大纲》中, 规定“万有引力定律、万有引力定律的应用、人造地球卫星的运动”等考点的要求等级均为“Ⅱ”, 属于较高要求.在近年来的高考中万有引力定律及其应用一直是考查的热点, 题量与考查力度也逐年增加.本文拟谈2008年高考对万有引力定律的考查, 并举例分析. 一、计算某处到地心与月心的距离之比 运用万有引力定律的公式进行计算时, 要弄清公式中各量的物理意义.一定要明确公式中的 r, 它是指两质点间的距离, 或两个均匀球体的球心间的距离. 例1 (海南卷) 一探月卫星在地月转移轨道上运行, 某一时刻正好处在地心与月心的连线上, 卫星在此处所受地球引力与月球引力之比为4∶1.已知地球与月球质量之比约为81∶1.则该处到地心与月心的距离之比约为__. 解析:设地球质量为M1, 月球质量为M2, 卫星的质量为 m, 地球与卫星间的万有引力为F1, 月球与卫星间的万有引力为F2, 卫星到地心的距离为 r1, 卫星到月心的距离为 r2, 根据万有引力定律的公式 点评:本题可以直接应用万有引力定律的公式进行计算, 理解、掌握万有引力公式是解决此题的关键. 二、估算太阳对地球与地球对月球的万有引力的比值 例2 (全国理综卷Ⅰ) 已知太阳到地球与地球到月球的距离的比值为390, 月球绕地球旋转的周期约为27天.利用上述数据以及日常的天文知识, 可估算出太阳对月球与地球对月球的万有引力的比值约为 ( ) (A) 0.2 (B) 2 (C) 20 (D) 200 解析:本题需要根据万有引力定律进行估算.设太阳质量M, 地球质量 m, 月球质量 m0, 日地间距离为R, 月地间距离为 r, 日月之间距离近似等于R, 地球绕太阳的周期T约为360天, 月球绕地球的周期 t 约为27天.对地球绕着太阳转动, 由万有引力定律: 同理对月球绕着地球转动: 则太阳质量与地球质量之比为 太刚对月球的万有引力 点评:在解答此题中, 我们构建了地球、月球的圆周运动模型, 根据生活经验利用了地球绕太阳公转的周期T=360天这一数据, 同时根据太阳与地球的距离远大于月球与地球的距离, 而取日地间距离近似等于日月之间距离, 从而使问题得以解答.如果一味求精确, 将会束手无策. 本题考查学生合理近似, 忽略次要因素, 突出主要因素, 构建模型, 利用生活经验数据, 解决实际问题的能力. 三、求星体表面附近的重力加速度 星体表面附近的重力加速度.是由星体的万有引力引起的.地球表面的重力加速度可由 例3 (江苏卷) 火星的质量和半径分别约为地球的 (A) 0.2 g (B) 0.4 g (C) 2.5 g (D) 5 g 解析:在地球表面附近万有引力与重力近似相等, 即 由此类推可知, 火星表面的重力加速度约为 式中M、M′分别表示地球与火星的质量, R、R′分别表示地球与火星的半径. 所以 点评:运用类比的方法, 得出火星表面的重力加速度约为 四、估算中心天体的质量 对周围有行星绕行的恒星, 或周围有卫星绕行的行星, 可用万有引力定律公式估算中心天体的质量. 例4 (上海卷) 某行星绕太阳运动可近似看作是匀速圆周运动, 已知行星运动的轨道半径为R, 周期为T, 万有引力恒量为G, 则该行星的线速度的大小为__, 太阳的质量可以表示为__. 解析:该行星的线速度的大小为 由 点评:高考中还会出现估算天体的密度问题, 如果己得出天体的质量为 五、推算双星的质量 利用万有引力定律, 根据双星的运动特征, 可以推算双星的质量. 例5 (宁夏卷) 天文学家将相距较近、仅在彼此的引力作用下运行的两颗恒星称为双星.双星系统在银河系中很普遍.利用双星系统中两颗恒星的运动特征可推算出它们的总质量.已知某双星系统中两颗恒星围绕它们连线上的某一固定点分别做匀速圆周运动, 周期均为T, 两颗恒星之间的距离为 r, 试推算这个双星系统的总质量. (万有引力常量为G) 解析:设两颗恒星的质量分别为 m1、m2, 做圆周运动的半径分别为 r1、r2, 角速度分别为ω1、ω2.根据题意有 ω1=ω2 ① r1+r2=r ② 根据万有引力定律和牛顿第二定律, 有 联立以上各式解得 根据角速度与周期的关系知 联立③、⑤、⑥式解得 点评:本题要求推算双星系统的总质量, 故可把 m1+m2 视为一个未知量.若要先分别求出 m1、m2, 再求 m1+m2, 则思路受阻, 难以求出.在解题中, 应注意数学技巧的应用. 八、考查对卫星的发射、运行规律的认识与理解 由于人造地球卫星属于现代科技应用的重要领域, 加上我国“神舟六号”、“神舟七号”载人飞船升天和探月计划的实施, 对卫星的发射、运行规律的认识与理解已成为考查的热点. 例6 (广东卷) 图1是“嫦娥一号奔月”示意图, 卫星发射后通过自带的小型火箭多次变轨, 进入地月转移轨道, 最终被月球引力捕获, 成为绕月卫星, 并开展对月球的探测, 下列说法正确的是 ( ) (A) 发射“嫦娥一号”的速度必须达到第三宇宙速度 (B) 在绕月圆轨道上, 卫星周期与卫星质量有关 (C) 卫星受月球的引力与它到月球中心距离的平方成反比 (D) 在绕月圆轨道上, 卫星受地球的引力大于受月球的引力 解析:卫星的速度达到第二宇宙速度, 就可以脱离地球的引力, 所以选项 (A) 错误. 由 由万有引力定律的公式可知选项 (C) 正确. 在绕月圆轨道上, 卫星被月球引力捕获, 受月球的引力大于受地球的引力, 选项 (D) 错误. 点评:本题以“嫦娥一号奔月”为背景, 考查对宇宙速度、万有引力定律的公式的理解, 考查对卫星在绕月圆轨道上运行周期的决定因素及受力情况的分析与判断. 七、考查对地球同步卫星特点的理解 地球同步卫星是指相对于地面静止不动、运行周期与地球自转周期相同的卫星.这种卫星一般用于通讯, 又叫同步通讯卫星.地球同步卫星的运行规律可以概括为四个一定, 即: (1) 位置一定 (一定位于地球赤道上空) ; (2) 周期一定 (T=24 h) ; (3) 高度一定 (h≈3.6×104km) : (4) 速率一定 (v≈3.1 km/s) . 例7 (山东卷) 据报道, 我国数据中心继卫星“天链一号01星”于2008年4月25日在西昌卫星发射中心发射升空, 经过4次变轨控制后, 于5月1日成功定点在东径77°赤道上空的同步轨道.关于成功定点后的“天链一号01星”, 下列说法正确的是 ( ) (A) 运行速度大于7.9 km/s (B) 离地面高度一定, 相对地面静止 (C) 绕地球运行的角速度比月球绕地球运行的角速度大 (D) 向心加速度与在赤道上物体的向心加速度大小相等 解析:据公式 点评:理解同步卫星的运行规律, 才能选出正确的答案. 八、考查对卫星与赤道上物体的区别的认识与理解 卫星与赤道上物体的受力情况不同, 向心加速度、绕行速度等不同, 要加以区分. 例8 (四川延考卷) 如图2, 地球赤道上的山丘 e, 近地资源卫星 p 和同步卫星 q 均在赤道平面上绕地心做匀速圆周运动.设 e、p、q 的圆周运动速率分别为 v1、v2、v3, 向心加速度分别为 a1、a2、a3, 则 ( ) (A) v1>v2>v3 (B) v1<v2<v3 (C) a1>a2>a3 (D) a1<a3<a2 解析:卫星的速度 由 点评:考生易出现的错误是认为 e、p、q 受力情况、运动情况类似而误选 (A) 、 (C) .应知地球赤道上的山丘 e 不但受到地球的万有引力, 还受到地面的支持力.比较 a1 与 a3 的大小, 要根据山丘 e 与同步卫星 q 的角速度相同, 但运行半径不同, 才能得出正确的结论. ■ 一、 误把在赤道上随地球自转的物体看成卫星 ■ 例1 同步卫星离地心的距离为r,运行速率为v1,加速度为a1,地球赤道上物体随地球自转的向心加速度为a2,运行速率为v2,地球半径为R,则( ) A. ■=■B. ■=■ C. ■=■D. ■=■ ■ 解析 一部分同学把在赤道上随地球自转的物体看成卫星,其轨道半径为地球半径R,把运行的速度v2当成第一宇宙速度,故误得向心加速度之比为: ■=■=■, 运行速率之比为: ■=■ ∶ ■=■ 错选B、D答案. 事实上,在赤道上随地球自转的物体除了受地球对它的万有引力外,还要受地面对它的支持力作用,因此不能把这个物体当成卫星来处理. 由于该物体在赤道上随地球一起自转,故该物体与同步卫星绕地球转动的角速度是相等的,因而向心加速度之比为: ■=■=■, 运行速率之比为: ■=■=■,正确答案应为A、C. ■ 二、 不知道近地卫星与同步卫星的特点 ■ 例2 已知靠近地面运转的人造地球卫星每天转n圈,如果发射一颗同步卫星,它离地面的高度应是地球半径的多少倍? ■ 解析 有部分同学由于不知道近地卫星与同步卫星的特点而无法求解此题. 近地卫星的特点:卫星运行的轨道半径约为地球的半径R,轨道平面不一定在赤道平面上. 同步卫星的特点是:轨道平面一定在赤道平面上,运行的角速度与地球自转的角速度相等,因而周期与地球自转的周期相同T=24 h. 若能掌握上述特点,则对近地卫星有: ■=m■2R 对同步卫星有: ■=m■2r 其中r=h+R,解得■=■-1,即同步卫星离地面的高度应是地球半径的(■-1)倍. ■ 三、 混淆了卫星轨道处的重力加速度和卫星表面处的重力加速度 ■ 例3 一卫星绕行星做匀速圆周运动. 已知行星表面的重力加速度为g行,行星的质量M与卫星的质量m之比■=81,行星的半径为R行与卫星的半径为R卫之比■=3.6,行星与卫星之间的距离r与行星的半径R行之比■=60. 设卫星表面的重力加速度为g卫,则在卫星表面有 ■=mg卫 经过计算得出:卫星表面的重力加速度为行星表面的重力加速度的三千六百分之一. 上述结果是否正确?若正确,列式证明;若错误,求出正确结果. ■ 解析 在解决此题时,若不知道卫星轨道处的重力加速度和卫星表面处的重力加速度的区别,则很容易认为上述结果是正确的. 实际上,卫星轨道处的重力加速度是由行星对卫星的万有引力产生的,而行星表面的重力加速度是由行星对它表面上物体的万有引力产生的(忽略行星自转),卫星表面处的重力加速度是由卫星对它表面上物体的万有引力产生的(忽略卫星自转),因而有: ■=m′g行 ■=m′g卫, 解得g卫=0.16g行. ■ 四、 卫星的运行速度和发射速度混淆不清 ■ 例4 如图所示,发射地球同步卫星时,先将卫星发射至近地圆轨道1,然后经点火,使其沿椭圆轨道2运动,最后再次点火,将卫星送入同步圆轨道3,轨道1、2相切于Q点,轨道2、3相切于P点,则当卫星分别在1、2、3轨道上正常运行时,以下说法正确的是 ( ) A. 卫星在轨道3上的速率大于在轨道1上的速率 B. 卫星在轨道3上的角速度小于在轨道1上的角速度 C. 卫星在轨道1上经过Q点时的加速度大于它在轨道2上经过Q点时的加速度 D. 卫星在轨道2上经过P点时的加速度等于它在轨道3上经过P点时的加速度 一、背景分析及指导思想: 本节课是针对应届高三学生的第一轮复习而设置。在本节之前学生在高一已经学习了万有引力定律这一章的相关知识,但知识的系统性不强,对“表面模型”和“环绕模型”及二者特点有了一定的掌握,但解决问题的方法性不强,对部分的重点和难点的分析不透彻。因此在设计时我们兼顾了本章的知识特点、高考大纲要求和学生特点,在教学过程中设置提问,重在提升学生的思维能力和解决问题的能力。 二、高考特点分析: 本部分是高考考查的重点内容之一,每年的高考试题中都会出现,频率较高,命题的立意包括:万有引力定律与其他知识的综合;应用万有引力定律解决一些实际问题,一般以选择题、填空题或计算题(新课标后计算题出现频率较低)的形式考查。 由于航天技术、人造地球卫星属于现代科技发展的重要领域,有关人造卫星问题的考查频率会越来越高,加上载人航天的成功、中国北斗卫星导航系统的建成和完善、中国探月计划的实施、美国火星计划的实施,这些都是命题的热点。 三、内容设置与方案: 鉴于本部分的内容特点及在高考中的地位,设计这节复习课时,我们打破常规复习课以梳理知识为主的模式,重点突出模型教学与“问题式”方法教学。本节课设计了三个教学环节,第一个环节是知识梳理,以梳理基础知识;第二个环节是模型探究,以“地表”和“天上”两条线为引,突出圆和椭圆两类问题,并能解决相应的实际问题——(包括质量估算和简单变轨问题)的基本技能;第三个环节从高考的考点入手,有效的抓住高考的得分点,引导学生构建从基本概念、基本规律出发应用所学知识分析、解决实际问题的能力。三个环节上彼此呼应,充分体现以学生为主体的课堂教学模式。 四、设计意图: 启发提示,设计阶梯式问题,降低学生对问题理解的难度,引导学生顺着疑问阶梯找到知识的果实。并学会这一思维方法,达到突破这一重难点的目的。渗透科学研究方法以及问题解决的方法的教育,使学生学会“近似处理”和“估算法”,在实践中体验解决问题的脉络。最后通过例题检查学生学习的效果。 教学三维目标: 一、知识与技能: 1、理解万有引力定律,了解它在天文学上的主要应用,使学生能应用万有引力定律解决天体问题; 2、理解运用万有引力定律处理天体问题的基本思路和基本方法; 3、掌握宇宙速度的概念,构建相关知识网络。 二、过程与方法: 1、通过探求计算天体质量公式的过程,体会利用模型解题的思维过程; 2、使学生能够在教师的帮助下构建自己的知识结构体系,提高运用所掌握的科学知识分析和解决实际问题的能力。 三、情感态度与价值观: 1、通过万有引力定律在航天上的应用使学生感受到自己能应用所学物理知识解决实际问题——天体运动; 2、通过体会万有引力定律在人类认识自然界奥秘中的巨大作用,让学生懂得理论来源于实践,反过来又可以指导实践的辩证唯物主义观点。 教学重点: 1、理解万有引力定律及应用两类模型解决天体运动的的解题思路方法; 2、应用万有引力定律处理天体运动问题的归类总结,构建自己的知识结构体系。 3、变轨问题速度、加速度、能量关系的讨论 教学难点: 1、应用“万有引力定律”处理天体运动问题及归纳 2、两类模型的构建及使用模型计算中心天体质量 教学方法: 讨论、分析、归纳、计算机辅助 教学时间:40分钟 教学内容及过程: 基础知识梳理: 引入: 展示太阳系星球分布图。 我们知道现在地球的人口越来越多,开始制约经济的发展,对此人类计划向太空移民,据了解目前最适合人类生存的是火星。美国国家航天局在20提出了“火星计划”,并于开始招募志愿者,在四月份的时候在中国招募了600名志愿者。我现在就有一个疑问:“美国人要将志愿者通过飞船送上火星,是不是简简单单的只要将飞船启动就可以了呢?必须克服哪些困难呢?”当然首先必须克服的就是地球的束缚——地球的引力。 1687年,牛顿在前人的基础上,总结并建立了万有引力定律: 1、任何两物体间都存在相互作用的引力,这个力的大小与这两个物体的质量的乘积成正比,与两物体之间的距离的平方成反比。 2、表达式: 3、适用于两个质点或均匀球体;r为两质点或球心间的距离;G为万有引力恒量(17由英国物理学家卡文迪许利用扭秤装置测出) 。 现在同学们考虑一个问题:是不是任何两个物体间的引力都符合这个规律,都可以用这个公式来进行计算呢?需要注意:公式有适用条件,规律适用于任何物体间。 二、万有引力定律在天体运动中的应用——模型探究: 现在同学们观看“嫦娥一号”探月卫星的3D模拟视频,简单介绍卫星奔月过程,思考如何让卫星从地球到月球环绕。 展示卫星奔月图片: 提问引导: 问题(1)轨道模式分为哪两种? 圆和椭圆两种,两个圆轨道之间有一椭圆轨道用来变轨 问题(2)卫星围绕地球做匀速圆周运动,那么其所需要的向心力由什么提供呢? 由地球给它的万有引力提供 思考:我们能否发射一颗卫星以任意纬度为轨道运转,比如图中所示轨道? 问题(3)对匀速圆周运动需要满足的基本供与需的关系是什么? 满足关系:供=需,供就指的是二者间的万有引力。 问题(4)卫星围绕地球做匀速圆周运动有什么样的运行规律? 对于常见的运动比如行星绕恒星的运动,卫星绕行星的运动,人造天体绕地球(或其它行星)运动我们都处理为匀速圆周运动,其运动所需的向心力由万有引力提供。 即 = ; 我们可以得出卫星运行的规律: r 越大卫星线速度越小,角速度越小,周期越大,加速度越小。这种模型,我们称之为“环绕模型”。 本节课内容主要讲述了万有引力发现的过程及牛顿在前人工作的基础上,凭借他超凡的数学能力推证了万有引力的一般规律的思路与方法.? 这节课的主要思路是:由圆周运动和开普勒运动定律的知识,得出行星和太阳之间的引力跟行星的质量成正比,跟行星到太阳的距离的平方成反比,并由引力的相互性得出引力也应与太阳的质量成正比.这个定律的发现把地面上的运动与天体运动统一起来,对人类文明的发展具有重要意义。作为高中阶段无法证明椭圆轨道的情况而只能近似以圆轨道来处理的一种“近似”的物理思路.这是一种极好的研究物理的方法.? 本节内容包括:发现万有引力的思路及过程、万有引力定律的推导.? 【三维目标】 一、知识与技能 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,记住引力常量G并理解其内涵.? 3.知道任何物体间都存在着万有引力,且遵循相同的规律.? 二、过程与方法? 1.培养学生在处理问题时,要抓住主要矛盾,简化问题,建立模型的能力与方法.? 2.培养学生的科学推理能力.? 三、情感态度与价值观? 通过牛顿在前人的基础上发现万有引力的思想过程,说明科学研究的长期性、连续性及艰巨性.? 【教学重点】 1.万有引力定律的推导.? 2.万有引力定律的内容及表达公式.? 【教学难点】 1.对万有引力定律的理解.? 2.使学生能把地面上的物体所受的重力与其他星球与地球之间存在的引力是同性质的力联系起来.? 【教学方法】 1.对万有引力定律的推理——采用分析推理、归纳总结的方法.? 2.对疑难问题的处理——采用讲授法、例证法.? 【教学用具】 多媒体课件 【课时安排】 1课时 【教学设计】 [故事导入] 1666年夏末一个温暖的傍晚,在英格兰林肯郡乌尔斯索普,一个腋下夹着一本书的年轻人走进他母亲家的花园里,坐在一棵树下开始埋头读书.当他翻动书页时,他头顶的树枝中有样东西晃动起来,一只历史上最著名的苹果落了下来,落在23岁的伊萨克.牛顿的身边,恰巧那天他正苦苦思索一个问题:是什么力量使月球保持在环绕地球运行的轨道上?以及使行星保持在其环绕太阳运行的轨道上?为什么这只苹果会坠落到地上?正是从这一问题开始,他找到了这些问题的答案. 师提问:太阳对行星的引力使得行星围绕太阳运动,月球围绕地球运动,是否能说明地球对月球有引力作用?抛出的物体总要落回地面,是否说明地球对物体有引力作用? 【新课教学】? 课件展示:画面1:八大行星围绕太阳运动 画面2:月球围绕地球运动 画面3:人造卫星围绕地球运动 演示4:地面上的人向上抛出物体,物体总落回地面 学生思考、讨论下面问题: 1、行星为何能围绕太阳做近似圆周运动? 2、月球为什么能围绕地球做近似圆周运动? 3、人造卫星什么能围绕地球做圆周运动? 4、地面上的物体受到的力与上述力相同吗? 5、根据以上四个问题的探究,你有何猜想? 师引导分析,猜想:“天上”的力与“人间”的力应属于同种性质的力. 师说明:探究上述问题时我们运用了类比的方法得出猜想,猜想是否正确需要检验,因此不能将其作为结论. 月-地检验 1、目的:验证“天上”的力与“人间”的力是同种性质的力. 2、原理:课本P39师指导学生看书。 3、验证:师生互动,教师指导学生推演: 根据验证原理,若“天上”与“人间”的力是同种性质的力,应满足:F∝ EMBED Equation.DSMT4 理论推导:月球受到的地球引力:F∝ EMBED Equation.DSMT4 又 EMBED Equation.DSMT4 由 EMBED Equation.DSMT4 实际测量:月球绕地球做匀速圆周运动,向心加速度 EMBED Equation.DSMT4 EMBED Equation.DSMT4 EMBED Equation.DSMT4 二、万有引力定律 【万有引力定律】推荐阅读: 热力学第一定律 能量守恒定律教案07-27 焦耳定律物理教案08-20 加法的运算定律练习07-02 管理学三大定律07-11 帕金森定律-总结07-13 基尔霍夫定律实验总结08-08 电荷及其守恒定律教案06-30 孟德尔遗传定律例题07-18 欧姆定律知识点07-24 能量守恒定律教学反思07-284.怎样学习万有引力定律 篇四
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