1、万有引力定律的应用教学设计一、教学内容分析（一）课标要求普通高中物理课程标准（2017版）对万有引力定律的应用-宇宙航行的教学要求是：“会计算人造卫星的环绕速度。知道第二宇宙速度和第三宇宙速度。了解牛顿力学对航天技术发展的重大贡献。”（二）教材分析本章万有引力定律及其应用从知识结构上看，是应用牛顿运动定律对曲线运动的研究。牛顿运用其运动定律研究天体运动并结合开普勒定律建立了伟大的万有引力定律，牛顿运动定律和万有引力定律构成了牛顿力学的核心内容。人类对行星运动规律的认识过程和牛顿建立万有引力定律的过程是发展学生 “科学思维”“科学态度与责任”的好机会。本章教材首先详细地介绍了托勒密的地心说、哥白
2、尼的日心说、第谷布拉赫的观测和开普勒行星运动定律，形象、生动地体现了坚持真理、勇于创新和实事求是的科学态度、科学精神和科学思维方法。把行星运动轨道简化为圆周运动，应用牛顿运动定律和开普勒行星运动定律导出太阳与行星间的引力。阐述牛顿进一步放眼宇宙建立了适用于自然界中任何两个物体间的万有引力定律，分析说明万有引力定律和引力常量的意义。教材接着讲述万有引力定律对天体运动的研究和在宇宙航行上的应用。最后，概括阐述了经典力学(牛顿力学)的局限性，指出只适用于低速、宏观、引力的情况。本章内容充分展现万有引力定律发现的科学过程，发展学生的科学思维能力，万有引力定律的发现过程犹如一部壮丽的科学史诗，歌颂了科学
3、家们的科学精神，也展现了科学发展过程中科学家们富有创造而又严谨的科学思维，对于发展学生思维能力具有重要作用。万有引力定律的应用-宇宙航行属于航天部分的重要知识，介绍万有引力的实践性成就，要求学生知道是万有引力理论使人类实现“飞天”梦想；重点理解第一宇宙速度，激发学生科学献身精神。本节知识内容的核心是牛顿运动定律与万有引力定律在圆周运动条件下的综合应用。(1)宇宙速度教科书首先对宇宙航行进行理论上的分析，尊重历史上牛顿的设想，从已知的平抛运动开始。当平抛物体的初速度很大时，运动区域就不能简单地视为平面，而是球面的一部分，如图6.5-1所示。如果速度足够大，物体就不再落回地面，成为一颗人造地球卫星
4、，以此引导学生计算这个速度有多大，得出第一宇宙速度的表达式。若地球质量未知，而知道地球表面处的重力加速度，能否求得第一宇宙速度? 引导学生应用上一节知识具体计算，得出第一宇宙速度。(2)航天成就结合前面的理论分析，引导学生对于实例中的卫星进行一些定量的计算，比如“1957年10月4日，世界上第一颗人造地球卫星在苏联发射成功。卫星重83.6kg,每96min绕地球飞行一圈。”可以计算这颗卫星的轨道半径是多少？卫星距地面的高度是多少？卫星运行的角速度多大？这样，既巩固了匀速圆周运动知识在人造卫星问题方面的实际运用，还增加学生对于这类问题的兴趣。在“问题与练习”中，针对2003年我国成功发射的“神舟
5、五号”宇宙飞船同样有类似的计算。补充的2005年10月12日发射的“神舟六号”载人飞船的相关史实和运算，可以提升的民族自豪感，进行爱国主义教育。本节内容，除了介绍航天成就外，还谈到了人类为此付出的代价。全文最后以“一个人最完美和最强烈的情感来自面对不解之谜”激励学生进行科学探究的志趣。航天成就的教育价值在于激发学生对于科学的献身精神，树立正确的科学态度与责任。(3)知识拓展教科书中，介绍了黑洞概念的起源、人们对它的种种推测、几代科学家对于黑洞的理论研究以及黑洞的最新研究和观测结果，并明确指出在黑洞问题上经典力学不适用。给学生打开了一扇窗口，引导学生向窗外的世界望一望，开阔眼界，启迪思维，加深对
6、本章知识的理解。当代著名宇宙学家霍金自问道：“为什么人们要研究黑洞呢?因为它就在那里。”这些都是科学大师对科学不懈追求的动力的解释，是他们朴实的科学价值观的体现，对学生科学态度与责任的形成起到一定的作用。教科书在着重给学生展示航天事业与人类生活的关系。使学生认识到航天事业虽然是一项高精尖的事业，但它正在改变着我们的日常生活，与我们的生活息息相关。例如：卫星导航，卫星电话、卫星转播、卫星云图等等。本节的宇宙速度只是按照运动规律给出第一宇宙速度，第二宇宙速度与第三宇宙速度需要学习完功与能量之后才能进行推导。另外，天体运动模型对于原子的核式结构学习具有对比意义；有利于培养学生的知识迁移能力。二、学习
7、情况分析（一）学生已有知识储备学生在前面陆续学习了直线运动、曲线运动。特别是在“圆周运动”中学习了描述圆周运动的基本概念：线速度、角速度、周期、转速、向心加速度和向心力等基本概念。学习了用圆锥摆粗略验证向心力公式，分析研究学习了火车拐弯、汽车拐弯、水流星、过山车等生活中的圆周运动，对圆周运动的动力学方程有了初步的理解和掌握。学生在生活中体验过圆周运动现象，例如绝大部分同学都体验过游乐园中的 “过山车”、“海盗船”、“旋转魔盘”等，基本观察过洗衣机的脱水甩干过程，对于离心运动与向心运动根据自身体验容易接受和理解。学生生活中经常听说航天事件的新闻报道，娱乐电影也经常涉及航天类题材，比如星际穿越流浪
8、地球等。学生人手一部智能手机，对于卫星导航、卫星定位具有一定的认知和了解。（二）学生预习成果根据导学案的完成情况、前测题的测试结果和部分同学的访谈调查，发现学生的前期预习获得了如下成果：1.知道第一宇宙速度、第二宇宙速度、第三宇宙速度的含义和大小。2.知道实际生活中人造地球卫星的很多用途。3.能够推导第一宇宙速度表达式。（三）学生预习暴露问题1.分不清卫星发射速度与运行速度；2.思想上接受不了椭圆轨道，认为都是圆轨道；3.对于同步地球卫星认知较弱；4.数据运算能力较差，不具备基本估算能力，例如无法计算第一宇宙速度；学生对环绕速度与发射速度不容易区分，教学中需要强调，第一宇宙速度是发射卫星的最小
9、速度，发射速度低于它，卫星将不能环绕地球做圆周运动而落回地面。在环绕地球做匀速圆周运动的所有可能的速度中，第一宇宙速度是最大的环绕运行速度，因为，r越大，v越小，轨道半径的最小值为地球半径，对应的环绕速度为最大值，即第一宇宙速度。另外，结合匀速圆周运动的知识，补充对于人造地球卫星运行周期T的知识，根据，可知，轨道半径越大、周期越长。近地卫星的环绕周期为84.6min，是最小的运行周期。教学中补充有关“地球同步卫星”的定量计算和分析。借助模型强调同步地球卫星的相关知识，纬度、周期、轨道、高度等。三、教学目标(1)了解人造地球卫星的最初构想。(2)会解决涉及人造地球卫星运动的较简单的问题。(3)知
10、道三个宇宙速度的含义和数值，会推导计算第一宇宙速度；(4)增强掌握同步地球卫星的相关知识；(5)感受人类对客观世界不断探究的精神和情感。四、教学重难点及其突破根据前测结果分析，教学重点为第一宇宙速度、地球同步卫星，教学难点为地球同步卫星的定量计算和轨道限制的理解。五、教学过程（一）教学流程图“月地检验”提出进一步问题：既然受力本质一样，为什么苹果落地，月亮不落地？第二宇宙速度抛物线轨迹第一宇宙速度圆周轨迹第三宇宙速度双曲线轨迹地球同步人造卫星圆周轨迹人造卫星航天伟大成就（二）教学实施1.联系实际情景，激发学习兴趣璀璨的星空，浩渺的宇宙，一直让我们心之所向，魂牵梦萦从远古神话“嫦娥奔月”到“万户
11、飞天”，从阿姆斯特朗的首次月球行走到首次月球背面软着陆的嫦娥四号。人类在探索宇宙奥秘的道路上的脚步从未停止让我们从现在做起，努力前行！2.承上启下，由“月地检验”引出第一宇宙速度。牛顿用严谨的逻辑推理发现了万有引力定律，并进一步用“月地检验”验证了万有引力定律的正确性。那么： 苹果与月亮受到同样性质的地球施加的万有引力，为什么苹果落地了而月亮却总是在空中掉不下来？类比过山车模型，猜想：给苹果足够的速度，同样也会绕地球作圆周运动而不掉下来。事实上，牛顿最初也是这么想的：从高山上水平抛出一个铅球，当抛出的速度足够大时，铅球将环绕地球作圆周运动，成为一个“小月亮”。第一宇宙速度。如果给苹果7.9km
12、/s的速度，苹果就不会落地，而是围绕地球作圆周运动。如果给苹果的速度7.9km/s，苹果就会离心运动，但理性过程中，在引力的阻碍下，速度越来越慢，最后形成椭圆轨迹。理论表明，如果给苹果的速度=11.2km/s，苹果就刚好能够离开地球引力的控制，不再绕地球运动，轨迹为抛物线，此速度称为第二宇宙速度。如果给苹果的速度达到16.7km/s，则苹果就能离开太阳系，轨迹为双曲线，此速度称为第三宇宙速度。3.人造地球卫星 椭圆、抛物线和双曲线的运动轨迹较难，需要慢慢学习，我们首先研究最为简单的圆周运动。在“月地检验”中，若苹果也绕地球做圆周运动，则而月球绕地球的速度为1.02km/s，由得；4.地球同步卫
13、星假如地球赤道上某处有一棵树,长到了跟月球一样高（不考虑月球的影响）.苹果熟了，脱离树枝后，苹果会怎样运动呢？选出你认为正确的分析A因为苹果刚脱离树枝瞬间，相对地面速度为零，脱离后苹果受到重力作用，竖直下落，所以会落到树下的地面B苹果脱离树枝前已经相对地心做匀速圆周运动，具有速度，脱离后仍然做匀速圆周运动，速率不变，即相对树枝静止C苹果脱离树枝前已经相对地心做匀速圆周运动，脱离后在地球引力作用下做向心运动，最终落到地面，但不一定在树下D苹果脱离树枝前已经相对地心做匀速圆周运动，脱离后在地球引力作用下做离心运动，逐渐远离地球总结地球同步卫星的规律：周期、纬度、高度。5.我国的航天成就（联系社会实际，立德树人）6.课后作业（宇宙速度的后续学习关联整合）1. 同步卫星是如何发射和回收的？比较v1， v2， v3 ，v4的大小2. 为什么要至少发射三颗同步卫星且对称分布在同一轨道上,才能实现全球通信3. 第二宇宙速度的推导4. 论证地球赤道上某处有一棵树,长到了跟月球一样高不可能存在六、板书设计宇宙航行一、宇宙速度： 第一 第二 第三二、人造卫星： v T a三、同步卫星： 纬度、高度、周期四、伟大成就： 嫦娥工程、载人航天
