天體運動與航天

1、第六章萬有引力定律第一節(jié)行星的運動教學(xué)目標(biāo)通過學(xué)習(xí)物理學(xué)史的知識，使學(xué)生了解地心說（托勒密）和日心說（哥白尼） 分別以不同的參照物觀察天體運動的觀點；通過學(xué)習(xí)開普勒對行星運動的描述，了 解牛頓是通過總結(jié)前人的經(jīng)驗的基礎(chǔ)上提出了萬有引力定律.重點和難點重點人類對行星運動規(guī)律的認(rèn)識難點開普勒定律對行星運動規(guī)律的描述例題分析例1月球環(huán)繞地球運動的軌道半徑約為地球半徑的60倍，運行周期約為27 天。應(yīng)用開普勒定律計算：在赤道平面內(nèi)離地面多少高度，人造地球衛(wèi)星可以隨地 球一起轉(zhuǎn)動，就像停留在無空中不動一樣.練習(xí)題1、“地心說”是由提出的；“日心說”是由提出的.2、 地球繞太陽可看成運動，它的周期是，它距

2、離太 陽的平均距離等于3、 月亮繞地球可看成運動，它的周期是，它距離地 球的平均距離等于4、 開普勒第一定律是， 開普勒第二定律是， 開普勒第三定律是 _.第二節(jié)萬有引力定律教學(xué)目標(biāo)1、在開普勒第三定律的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)得到萬有引力定律，使學(xué)生對此定律有 初步理解；2、使學(xué)生了解并掌握萬有引力定律；3、使學(xué)生能認(rèn)識到萬有引力定律的普遍性（它存在宇宙中任何有質(zhì)量的物體 之間，不管它們之間是否還有其它作用力）.重點和難點教學(xué)難點：萬有引力定律的應(yīng)用教學(xué)重點：萬有引力定律教學(xué)過程新課教學(xué)1、引言展示第谷、哥白尼，伽利略、開普勒和牛頓等人物理學(xué)史:討論牛頓是怎樣研究、確立萬有引力定律的呢？(2)萬有引力定

3、律是如何反映物體間相互作用規(guī)律的？2、萬有引力定律萬有引力：萬有引力定律：宇宙間的一切物體都是 的.兩個物體間的引力大小，跟他們之間 成正比，跟它們的成反比.F = G式中：G為萬有引力恒量G = 6.610fNF”/kb；廣為兩物體的中心距 離引力是相互的(遵循牛頓第三定律).應(yīng)用(例題及課堂練習(xí))學(xué)生中存在這樣的問題：既然宇宙間的一切物體都是相互吸引的，哪為什么物 體沒有被吸引到一起？(請學(xué)生帶著這個疑問解題)例題1、兩物體質(zhì)量都是1kg,兩物體相距1m，則兩物體間的萬有引力是多少？例題2.已知地球質(zhì)量大約是財=6爐10混屈，地球半徑為衣=史70km,地球 表面的重力加速度 = 9 SmA

4、2.求：地球表面一質(zhì)量為10kg物體受到的萬有引力？地球表面一質(zhì)量為10kg物體受到的重力？比較萬有引力和重力？（三）小結(jié)：1、萬有引力存在于宇宙中任何物體之間（天體間、地面物體間、微觀粒子間）.天 體間萬有引力很大，為什么？留學(xué)生去想（它是支配天體運動的原因）地面物體 間，微觀粒子間：萬有引力很小，為什么？它不足以影響物體的運動，故常常可忽 略不計.2、應(yīng)用萬有引力定律公式解題，G值選G = 6.67xlO-11N-m2/kg2，式中所 涉其它各量必須取國際單位制.例題分析（根據(jù)學(xué)生情況選用）例1已知地球表面的重力加速度為引地球半徑為衣，萬有引力恒量為&， 用以上各量表示，地球質(zhì)量為財是多少

5、？例2已知地球表面的重力加速度為自，地球半徑為成，萬有引力恒量為G， 如果不考慮地球自轉(zhuǎn)的影響，用以上各量表示，地球的平均密度是多少？例3行星的平均密度是，靠近行星表面的衛(wèi)星的周期是T，試證明兇”為 一個常數(shù). 提示：將行星看作一個球體，衛(wèi)星繞行星做勻速圓周運動的問心力 由萬有引力提供練習(xí)題1、地球質(zhì)量約為火星質(zhì)量的9倍，地球半徑約為火星半徑的2倍，那么在地 球表面重力為6000N的人到火星表面上的體重變?yōu)椤?、地球半徑為衣，在離地面攻高處和離地面冏高處重力加速度之比為3、地球表面重力加速度為自，地球半徑為衣，萬有引力恒量為G，則地球 平均密度的估算式是。4、月球表面重力加速度只有地球表面重力

6、加速度的1/6, 一根繩子在地球表面 能拉著3kg的重物產(chǎn)生最大為1。m/的豎直向上的加速度，孔=10 m/L，將重 物和繩子均帶到月球表面，用該繩子能使重物產(chǎn)生沿月球表面豎直向上的最大加速 度為：A、6峋/普 b、“m/s c、如和/尸 d、5、天文觀察到某行星線速度為u，離太陽距離廣，則可知太陽質(zhì)量為，已知地球繞太陽公轉(zhuǎn)線速度約30km/s，軌道半徑約1*1倍燦， 可知太陽質(zhì)量約為 kg（1位有效數(shù)字）6、火星的半徑是地球半徑的一半，其質(zhì)量是地球質(zhì)量1/9, 一宇航員的質(zhì)量是 72kg，則他在火星上所受的重力是多大？這個宇航員在地球上最多能舉起100kg的 物體，那么他在火星上最多能舉起質(zhì)

7、量多大的物體？第三節(jié)引力常量的測定教學(xué)目標(biāo)1、使學(xué)生掌握萬有引力定律并應(yīng)用萬有引力定律解決簡單問題.2、使學(xué)生能應(yīng)用萬有引力定律解決天體問題及衛(wèi)星問題.3、了解我國航天事業(yè)的發(fā)展情況并用所學(xué)知識解釋重點和難點萬有引力定律的應(yīng)用，引力常量的測定教學(xué)過程（一）講解例題例題1：已知地球的半徑為反，地球的自轉(zhuǎn)角速度為的，地球表面的重力加 速度為&。在赤道上空有一顆相對地球靜止的同步通訊衛(wèi)星離地面的高度是多 少？解：關(guān)于同步衛(wèi)星的知識請學(xué)生回答：1、 同步衛(wèi)星的周期是;2、 同步衛(wèi)星的角速度與地球的自轉(zhuǎn)角速度；3、同步衛(wèi)星必須在赤道上空；（追問學(xué)生為什么？）（二）學(xué)生在解決此題后，教師提出問題:1、萬有

8、引力恒量是誰首先測量的？2、萬有引力恒量是用什么方法測量的？教師可用展示扭秤實驗的圖片并詳細(xì)解釋有關(guān)物理問題。需要注意兩個地方：（1）兩個1千克的物體間的萬有引力很小，他是如何解決的？（2）力很小讀數(shù)如何解決的？3、測量的萬有引力恒量的數(shù)值和單位？4、在現(xiàn)實生活中，兩物體間的萬有引力我們無法觀察到呢？為什么？請學(xué)生 討論并舉例說明。例題分析行星恒星的運動軌道近似是圓形，周期T的平方與軌道半徑衣的三次方的比為常數(shù)，設(shè) ，則北的大小A、只跟恒星的質(zhì)量有關(guān)B、只跟行星的質(zhì)量有關(guān)C、跟行星恒星的質(zhì)量都有關(guān)D、跟行星恒星的質(zhì)量都沒關(guān)練習(xí)題1、兩個行星質(zhì)量分別為沮】和沮，繞太陽運行軌道的半徑之比為冬，&那

9、 么它們繞太陽公轉(zhuǎn)的周期之比：寫為。2、一艘宇宙飛船飛到月球的表面附近，繞月球做近表面勻速圓周運動。若宇 航員用一只機械表測得繞行一周所用時間為T，則月球的平均密度是多大？3、在某星球上若用彈簧秤稱得質(zhì)量為折的砝碼重為F，而乘宇宙飛船在靠近該星球的空中飛行時，測得其環(huán)繞周期為T。試根據(jù)提供的數(shù)據(jù)求出該星球的 質(zhì)量。第四節(jié)萬有引力在天文學(xué)上的應(yīng)用教學(xué)目標(biāo)1、使學(xué)生能應(yīng)用萬有引力定律解決天體問題：2、通過萬有引力定律計算天體的質(zhì)量、天體的密度、天體的重力加速度、天 體運行的速度等；3、通過應(yīng)用萬有引力定律使學(xué)生能在頭腦中建立一個清晰的解決天體問題的 圖景：衛(wèi)星作圓周運動的向心力是兩行星間的萬有引力

10、提供的。重點和難點教學(xué)重點：萬有引力定律的應(yīng)用教學(xué)難點：地球重力加速度問題教學(xué)過程一、地球重力加速度問題一：在地球上是赤道的重力加速度大還是兩極的加速度大？這個問題讓學(xué)生充分討論：在質(zhì)量為財、半徑為衣的地球表面上，如果忽略地球自轉(zhuǎn)的影響，質(zhì)量為歐 的物體的重力加速度 引 可以認(rèn)為是由地球?qū)λ娜f有引力產(chǎn)生的.由萬有引力 定律和牛頓第二定律有：一 Mm則該天體表面的重力加速度為：由此式可知，地球表面的重力加速度是由 和 決定的.而又因為地球是橢球的赤道的半徑大，兩極的半徑小，所以赤道上的重力加速 度，兩極的重力加速度 也可讓學(xué)生發(fā)揮得：離地球表面的距離越大， 重力加速度越問題二：有1kg的物體在

11、北京的重力大還是在上海的重力大？這個問題有學(xué)生回答問題三：1、地球在作什么運動？人造地球衛(wèi)星在作什么運動？通過展示圖片為學(xué)生建立清晰的圖景.2、作勻速圓周運動的向心力是誰提供的？回答：地球與衛(wèi)星間的萬有引力即由牛頓第二定律得：尸 廣3、由以上可求出什么？衛(wèi)星繞地球的線速度：衛(wèi)星繞地球的周期：衛(wèi)星繞地球的角速度：教師可帶領(lǐng)學(xué)生分析上面的公式得：當(dāng)軌道半徑不變時，則衛(wèi)星的周期不變、衛(wèi)星的線速度不變、衛(wèi)星的角速度也 不變.當(dāng)衛(wèi)星的角速度不變時，則衛(wèi)星的軌道半徑不變.二、天體質(zhì)量的計算例 地球的公轉(zhuǎn)周期為T,地球和太陽的距離為r,求太陽的質(zhì)量。三、發(fā)現(xiàn)未知天體閱讀課文，了解海王星的發(fā)現(xiàn)。例題分析例1兩

12、個星球組成雙星，它們在相互之間的萬有引力作用下，繞連線上某點做 周期相同的勻速圓周運動，現(xiàn)測得兩行星中心距離為衣，其周期為T。求兩行星 的總質(zhì)量。例2 1986年2月20日發(fā)射升空的“和平號”空間站，在服役15年后于2001年 3月23日墜落在太平洋.“和平號”風(fēng)風(fēng)雨雨15年鑄就了輝煌業(yè)績，已成為航天史 上的永恒篇章.“和平號”空間站總質(zhì)量137七，工作容積超過400m3 .是迄今為止人類探索太空 規(guī)模最大的航天器，有“人造天宮”之稱.在太空運行的這一“龐然大物”按照地面指 令準(zhǔn)確降落在預(yù)定海域，這在人類歷史上還是第一次.“和平號，空間站正常運行時， 距離地面的平均高度大約是350km.為保證

13、空間站最終安全墜毀，俄羅斯航天局控 制中心對空間站的運行做了精心安排和控制.在墜毀前空間站已經(jīng)順利進入指定的 低空軌道，此時“和平號”距離地面的高度大約為240km.在“和平號”沿指定的低空 軌道運行時，其軌道高度平均每晝夜降低2.7km.設(shè)“和平號”空間站正常運行時沿高度為350km圓形軌道運行，在墜落前沿高 度240km的指定圓形低空軌道運行.而且沿指定的低空軌道運行時，每運行一周 空間站高度變化很小，因此計算時對空間站的每一周的運動都可以作為勻速圓周運 動處理.（1）空間站沿正常軌道運行時的加速度與沿指定的低空軌道運行時加速度大 小的比值多大？（計算時保留2位有效數(shù)字）（2）空間站沿指定

14、的低空軌道運行時，每運行一周過程中空間站高度平均變 化多大？（計算中取地球半徑T? = 6.4xlO某星球的質(zhì)量約為地球的的9倍，半徑約為地球的一半，若從地球上高/處 平拋一物體，射程為60米，則在該星球上， 物體，射程應(yīng)為：A、10 米B、15 米C、90 米 宇航員站在某行星表面的上某高處， ，小球落到行星表面，測得拋出點與落地點之間的距離為。若拋出時的初速度 增大到2倍，則拋出點與落地點之間的距離為龍。已知兩落地點在同一水平面內(nèi)， 該行星的半徑為成，萬有引力常數(shù)為G，求該行星的質(zhì)量。krn，計算時保留1位有效數(shù)字）練習(xí)題1、假設(shè)火星和地球都是球體，火星的質(zhì)量肱火和地球質(zhì)量 財曲.之比 肱

15、異肱曲=營，火星的半徑衣火和地球半徑衣曲之比長火朋曲=0，那么離火星表面 衣火高處的重力加速度昌火和離地球表面高處的重力加速度W&火伐曲之比 等于多少？從同樣高度以同樣的初速度平拋同一D、 360米沿水平方向拋出一個小球，經(jīng)過時間2、若在相距甚遠的兩顆行星和E的表面附近，各發(fā)射一顆衛(wèi)星和 測得衛(wèi)星山繞行星H的周期為孔，衛(wèi)星&繞行星月的周期為,求這兩顆行星 密度之比是多大？5、所謂“雙星”就是在宇宙中有兩顆相對距離較近的星球，離其它星球較遠， 質(zhì)量分別為幽和邊，相距為,如果它們的保持距離不變，共同繞其連線上 某點。，各自做勻速圓周運動，求。點的位置。6、太陽距離銀河系中心約2.5X104光年，太

16、陽繞銀河系中心運動的軌道可視 為圓，運動的周期約1.7x1滬年。太陽光射到地球上需歷時約500s，由此可估算銀 河系質(zhì)量是太陽質(zhì)量的多少倍？（取兩位有效數(shù)字）7、將來人類離開地球到宇宙中去生活，有人設(shè)計了宇宙村，它是一個圓環(huán)形 的密封建筑，人們生活在圓環(huán)的邊上。為了使人們在其中生活不致于有失重感，可 以讓它繞中心軸旋轉(zhuǎn)。假設(shè)這個宇宙村的直徑為200m，當(dāng)它繞中心軸的轉(zhuǎn)速達到 多少時，人們感覺到像生活地球上一樣承受10m/s2的加速度？并請你設(shè)計一個適合 人類生活的宇宙村。第五節(jié)人造衛(wèi)星宇宙速度教學(xué)目標(biāo)1、通過對行星繞恒星的運動及衛(wèi)星繞行星的運動的研究，使學(xué)生初步掌握研 究此類問題的基本方法：萬

17、有引力作為圓周運動的向心力；2、使學(xué)生對人造衛(wèi)星的發(fā)射、運行等狀況有初步了解，使多數(shù)學(xué)生在頭腦中 建立起較正確的圖景；重點和難點教學(xué)重點：萬有引力定律的應(yīng)用教學(xué)難點：人造地球衛(wèi)星的發(fā)射教學(xué)過程一、人造衛(wèi)星的運動問題：1、地球繞太陽作什么運動？2、誰提供了向心力？3、人造衛(wèi)星繞地球作什么運動？4、誰提供了向心力？請學(xué)生思考討論下列問題：例題1、根據(jù)觀測，在土星外圍有一個模糊不清的光環(huán)，試用力學(xué)方法判定土 星的光環(huán)究竟是與土星相連的連續(xù)物，還是繞土星運轉(zhuǎn)的小衛(wèi)星群？分別請學(xué)生提出自己的方案并加以解釋：1、如果是連續(xù)物則：2、如果是衛(wèi)星則：二、人造衛(wèi)星的發(fā)射問題：1、衛(wèi)星是用什么發(fā)射升空的？2、衛(wèi)星

18、是怎樣用火箭發(fā)射升空的？學(xué)生可以討論并發(fā)表自己的觀點.下面我們來看一道題目：例題2、1999年11月21日，我國“神州”號宇宙飛船成功發(fā)射并收回，這是我 國航天史上重要的里程碑.新型“長征”運載火箭，將重達8.4t的飛船向上送至近地 軌道1,飛船與火箭分離后，在軌道1上以速度7.2km/s繞地球作勻速圓周運動.試 回答下列問題：根據(jù)課文內(nèi)容結(jié)合例題(2)(3)(4)問畫出圖示.軌道1離地的高度約為：A、8000km B、1600kmC、6400kmD、42000km飛船在軌道1上運行幾周后，在R點開啟發(fā)動機短時間向外噴射高速氣 體使飛船加速，關(guān)閉發(fā)動機后飛船沿橢圓軌道2運行，到達尹點開啟發(fā)動機

19、再次 使飛船加速，使飛船速率符合圓軌道3的要求，進入軌道3后繞地球作圓周運動， 利用同樣的方法使飛船離地球越來越遠，飛船在軌道2上從&點到/點過程中， 速率將如何變化？（4）飛船在軌道1、2、3上正常運行時：飛船在軌道1上的速率與軌道3上的速率哪個大？為什么？飛船在軌道1上經(jīng)過&點的加速度與飛船在軌道2上經(jīng)過Q點的加速度哪 個大？為什么？飛船在軌道1上經(jīng)過R點的加速度與飛船在軌道3上經(jīng)過尹點的加速度哪 個大？為什么？3 .閱讀課文，了解三種宇宙速度的數(shù)值及其意義。例題分析例1用幽表示地球通訊衛(wèi)星（同步衛(wèi)星）的質(zhì)量，攻表示它離地面的高度， 代表示地球的半徑，g表示地球表面處的重力加速度，由表示地

20、球自轉(zhuǎn)的角速度, 則通訊衛(wèi)星所受萬有引力的大小為：m亍a、等于零8、等于 e空C、等于D、以上結(jié)果都不正確練習(xí)題1、關(guān)于第一宇宙速度，下列說法哪些是正確的？（）A、它是人造衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動的最小運行速度B、這是人造衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動的最大運行速度C、它是人造衛(wèi)星繞地球飛行所需的最小水平發(fā)射速度D、它是人造衛(wèi)星繞地球運動的最大運行速度2、偵察衛(wèi)星在通過地球兩極上空的圓軌道上運行，它的運行軌道距地面高度為攻， 要使衛(wèi)星在一天的時間內(nèi)將地面上赤道各處在日照條件下的情況全都拍攝下來，衛(wèi) 星在通過赤道上空時，衛(wèi)星上的攝像機至少應(yīng)拍攝地面上赤道圓周的弧長是多少？ 設(shè)地球的半徑為衣及地面處的重

21、力加速度為,地球自轉(zhuǎn)的周期為T。3、1999年11月20日我國發(fā)射了“神舟”號載人航天試驗飛船，飛船順利升空，在 繞地球飛行一段時間后，于11月21月安全降落在內(nèi)蒙古中部地區(qū).航空航天是一個集物理、化學(xué)、生物、天文、地學(xué)、工程、氣象等多學(xué)科的綜 合性工程.請解答：地球半徑衣=6400km，地球表面重力加速度g=9.8m/s2，若使航天飛航 在無推動力作用的情祝下在離地攻=140km的圓軌道上繞地球運行？則飛行速度應(yīng) 為。載人航天飛船的發(fā)射升空和降落時，如果宇航員保持直立姿態(tài)，則他的心血 管系統(tǒng)會受到何種影響？你認(rèn)為宇航員應(yīng)采取什么姿態(tài)？在軌道上為了將燃料已燒完分開，采用引爆爆炸螺栓中的炸藥，炸斷螺栓， 同時推進火箭和載人航天飛船分別向前和向后推，在此以后()A、火箭和航天飛船仍在同一圓軌道上運行。B、火箭將進人較低軌道，而航天飛船將進入較高軌道。C、火箭將進入較高軌道，而航天飛船將進入較低軌道。D、火箭將成為自由落體而墜落，航天飛船仍在原軌道運行。飛船的軌道艙是宇航員在軌道上進行各種實驗的場所，由于空間不大，所用儀器都要經(jīng)過精選，下列哪些儀器一