2024-2025學(xué)年高中物理第三章萬(wàn)有引力定律及其應(yīng)用第2節(jié)萬(wàn)有引力定律的應(yīng)用教案粵教版必修2

PAGE10-萬(wàn)有引力定律的應(yīng)用一、教學(xué)內(nèi)容分析（一）課標(biāo)要求《一般中學(xué)物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2025版）》對(duì)《萬(wàn)有引力定律的應(yīng)用-宇宙航行》的教學(xué)要求是：“會(huì)計(jì)算人造衛(wèi)星的環(huán)繞速度。知道其次宇宙速度和第三宇宙速度。了解牛頓力學(xué)對(duì)航天技術(shù)發(fā)展的重大貢獻(xiàn)?！保ǘ┙滩姆治霰菊隆度f(wàn)有引力定律及其應(yīng)用》從學(xué)問(wèn)結(jié)構(gòu)上看，是應(yīng)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律對(duì)曲線運(yùn)動(dòng)的探討。牛頓運(yùn)用其運(yùn)動(dòng)定律探討天體運(yùn)動(dòng)并結(jié)合開(kāi)普勒定律建立了宏大的萬(wàn)有引力定律，牛頓運(yùn)動(dòng)定律和萬(wàn)有引力定律構(gòu)成了牛頓力學(xué)的核心內(nèi)容。人類對(duì)行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律的相識(shí)過(guò)程和牛頓建立萬(wàn)有引力定律的過(guò)程是發(fā)展學(xué)生“科學(xué)思維”“科學(xué)看法與責(zé)任”的好機(jī)會(huì)。本章教材首先具體地介紹了托勒密的地心說(shuō)、哥白尼的日心說(shuō)、第谷·布拉赫的觀測(cè)和開(kāi)普勒行星運(yùn)動(dòng)定律，形象、生動(dòng)地體現(xiàn)了堅(jiān)持真理、勇于創(chuàng)新和實(shí)事求是的科學(xué)看法、科學(xué)精神和科學(xué)思維方法。把行星運(yùn)動(dòng)軌道簡(jiǎn)化為圓周運(yùn)動(dòng)，應(yīng)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律和開(kāi)普勒行星運(yùn)動(dòng)定律導(dǎo)出太陽(yáng)與行星間的引力。闡述牛頓進(jìn)一步放眼宇宙建立了適用于自然界中任何兩個(gè)物體間的萬(wàn)有引力定律，分析說(shuō)明萬(wàn)有引力定律和引力常量的意義。教材接著講解并描述萬(wàn)有引力定律對(duì)天體運(yùn)動(dòng)的探討和在宇宙航行上的應(yīng)用。最終，概括闡述了經(jīng)典力學(xué)(牛頓力學(xué))的局限性，指出只適用于低速、宏觀、引力的狀況。本章內(nèi)容充分呈現(xiàn)萬(wàn)有引力定律發(fā)覺(jué)的科學(xué)過(guò)程，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維實(shí)力，萬(wàn)有引力定律的發(fā)覺(jué)過(guò)程如同一部壯美的科學(xué)史詩(shī)，歌頌了科學(xué)家們的科學(xué)精神，也呈現(xiàn)了科學(xué)發(fā)展過(guò)程中科學(xué)家們富有創(chuàng)建而又嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維，對(duì)于發(fā)展學(xué)生思維實(shí)力具有重要作用。《萬(wàn)有引力定律的應(yīng)用-宇宙航行》屬于航天部分的重要學(xué)問(wèn)，介紹萬(wàn)有引力的實(shí)踐性成就，要求學(xué)生知道是萬(wàn)有引力理論使人類實(shí)現(xiàn)“飛天”幻想；重點(diǎn)理解第一宇宙速度，激發(fā)學(xué)生科學(xué)獻(xiàn)身精神。本節(jié)學(xué)問(wèn)內(nèi)容的核心是牛頓運(yùn)動(dòng)定律與萬(wàn)有引力定律在圓周運(yùn)動(dòng)條件下的綜合應(yīng)用。(1)宇宙速度教科書首先對(duì)宇宙航行進(jìn)行理論上的分析，敬重歷史上牛頓的設(shè)想，從已知的平拋運(yùn)動(dòng)起先。當(dāng)平拋物體的初速度很大時(shí)，運(yùn)動(dòng)區(qū)域就不能簡(jiǎn)潔地視為平面，而是球面的一部分，如圖6.5-1所示。假如速度足夠大，物體就不再落回地面，成為一顆人造地球衛(wèi)星，以此引導(dǎo)學(xué)生計(jì)算這個(gè)速度有多大，得出第一宇宙速度的表達(dá)式。若地球質(zhì)量未知，而知道地球表面處的重力加速度，能否求得第一宇宙速度?引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用上一節(jié)學(xué)問(wèn)具體計(jì)算，得出第一宇宙速度。(2)航天成就結(jié)合前面的理論分析，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)于實(shí)例中的衛(wèi)星進(jìn)行一些定量的計(jì)算，比如“1957年10月4日，世界上第一顆人造地球衛(wèi)星在蘇聯(lián)放射勝利。衛(wèi)星重83.6kg,每96min繞地球飛行一圈。”可以計(jì)算這顆衛(wèi)星的軌道半徑是多少？衛(wèi)星距地面的高度是多少？衛(wèi)星運(yùn)行的角速度多大？這樣，既鞏固了勻速圓周運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)在人造衛(wèi)星問(wèn)題方面的實(shí)際運(yùn)用，還增加學(xué)生對(duì)于這類問(wèn)題的愛(ài)好。在“問(wèn)題與練習(xí)”中，針對(duì)2003年我國(guó)勝利放射的“神舟五號(hào)”宇宙飛船同樣有類似的計(jì)算。補(bǔ)充的2005年10月12日放射的“神舟六號(hào)”載人飛船的相關(guān)史實(shí)和運(yùn)算，可以提升的民族驕傲感，進(jìn)行愛(ài)國(guó)主義教化。本節(jié)內(nèi)容，除了介紹航天成就外，還談到了人類為此付出的代價(jià)。全文最終以“一個(gè)人最完備和最劇烈的情感來(lái)自面對(duì)不解之謎”激勵(lì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究的志趣。航天成就的教化價(jià)值在于激發(fā)學(xué)生對(duì)于科學(xué)的獻(xiàn)身精神，樹立正確的科學(xué)看法與責(zé)任。(3)學(xué)問(wèn)拓展教科書中，介紹了黑洞概念的起源、人們對(duì)它的種種推想、幾代科學(xué)家對(duì)于黑洞的理論探討以及黑洞的最新探討和觀測(cè)結(jié)果，并明確指出在黑洞問(wèn)題上經(jīng)典力學(xué)不適用。給學(xué)生打開(kāi)了一扇窗口，引導(dǎo)學(xué)生向窗外的世界望一望，開(kāi)闊眼界，啟迪思維，加深對(duì)本章學(xué)問(wèn)的理解。當(dāng)代聞名宇宙學(xué)家霍金自問(wèn)道：“為什么人們要探討黑洞呢?因?yàn)樗驮谀抢??！边@些都是科學(xué)大師對(duì)科學(xué)不懈追求的動(dòng)力的說(shuō)明，是他們樸實(shí)的科學(xué)價(jià)值觀的體現(xiàn)，對(duì)學(xué)生科學(xué)看法與責(zé)任的形成起到肯定的作用。教科書在著重給學(xué)生展示航天事業(yè)與人類生活的關(guān)系。使學(xué)生相識(shí)到航天事業(yè)雖然是一項(xiàng)高精尖的事業(yè)，但它正在變更著我們的日常生活，與我們的生活休戚相關(guān)。例如：衛(wèi)星導(dǎo)航，衛(wèi)星電話、衛(wèi)星轉(zhuǎn)播、衛(wèi)星云圖等等。本節(jié)的宇宙速度只是依據(jù)運(yùn)動(dòng)規(guī)律給出第一宇宙速度，其次宇宙速度與第三宇宙速度須要學(xué)習(xí)完功與能量之后才能進(jìn)行推導(dǎo)。另外，天體運(yùn)動(dòng)模型對(duì)于原子的核式結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)具有對(duì)比意義；有利于培育學(xué)生的學(xué)問(wèn)遷移實(shí)力。二、學(xué)習(xí)狀況分析（一）學(xué)生已有學(xué)問(wèn)儲(chǔ)備學(xué)生在前面接連學(xué)習(xí)了《直線運(yùn)動(dòng)》、《曲線運(yùn)動(dòng)》。特殊是在“圓周運(yùn)動(dòng)”中學(xué)習(xí)了描述圓周運(yùn)動(dòng)的基本概念：線速度、角速度、周期、轉(zhuǎn)速、向心加速度和向心力等基本概念。學(xué)習(xí)了用圓錐擺粗略驗(yàn)證向心力公式，分析探討學(xué)習(xí)了火車拐彎、汽車拐彎、水流星、過(guò)山車等生活中的圓周運(yùn)動(dòng)，對(duì)圓周運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程有了初步的理解和駕馭。學(xué)生在生活中體驗(yàn)過(guò)圓周運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，例如絕大部分同學(xué)都體驗(yàn)過(guò)游樂(lè)園中的“過(guò)山車”、“海盜船”、“旋轉(zhuǎn)魔盤”等，基本視察過(guò)洗衣機(jī)的脫水甩干過(guò)程，對(duì)于離心運(yùn)動(dòng)與向心運(yùn)動(dòng)依據(jù)自身體驗(yàn)簡(jiǎn)潔接受和理解。學(xué)生生活中常常聽(tīng)說(shuō)航天事務(wù)的新聞報(bào)道，消遣電影也常常涉及航天類題材，比如《星際穿越》《流浪地球》等。學(xué)生人手一部智能手機(jī)，對(duì)于衛(wèi)星導(dǎo)航、衛(wèi)星定位具有肯定的認(rèn)知和了解。（二）學(xué)生預(yù)習(xí)成果依據(jù)導(dǎo)學(xué)案的完成狀況、前測(cè)題的測(cè)試結(jié)果和部分同學(xué)的訪談?wù){(diào)查，發(fā)覺(jué)學(xué)生的前期預(yù)習(xí)獲得了如下成果： 1.知道第一宇宙速度、其次宇宙速度、第三宇宙速度的含義和大小。2.知道實(shí)際生活中人造地球衛(wèi)星的許多用途。3.能夠推導(dǎo)第一宇宙速度表達(dá)式。（三）學(xué)生預(yù)習(xí)暴露問(wèn)題1.分不清衛(wèi)星放射速度與運(yùn)行速度；2.思想上接受不了橢圓軌道，認(rèn)為都是圓軌道；3.對(duì)于同步地球衛(wèi)星認(rèn)知較弱；4.數(shù)據(jù)運(yùn)算實(shí)力較差，不具備基本估算實(shí)力，例如無(wú)法計(jì)算第一宇宙速度；學(xué)生對(duì)環(huán)繞速度與放射速度不簡(jiǎn)潔區(qū)分，教學(xué)中須要強(qiáng)調(diào)，第一宇宙速度是放射衛(wèi)星的最小速度，放射速度低于它，衛(wèi)星將不能環(huán)繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)而落回地面。在環(huán)繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的全部可能的速度中，第一宇宙速度是最大的環(huán)繞運(yùn)行速度，因?yàn)椋瑀越大，v越小，軌道半徑的最小值為地球半徑，對(duì)應(yīng)的環(huán)繞速度為最大值，即第一宇宙速度。另外，結(jié)合勻速圓周運(yùn)動(dòng)的學(xué)問(wèn)，補(bǔ)充對(duì)于人造地球衛(wèi)星運(yùn)行周期T的學(xué)問(wèn)，依據(jù)，可知，軌道半徑越大、周期越長(zhǎng)。近地衛(wèi)星的環(huán)繞周期為84.6min，是最小的運(yùn)行周期。教學(xué)中補(bǔ)充有關(guān)“地球同步衛(wèi)星”的定量計(jì)算和分析。借助模型強(qiáng)調(diào)同步地球衛(wèi)星的相關(guān)學(xué)問(wèn)，緯度、周期、軌道、高度等。三、教學(xué)目標(biāo)(1)了解人造地球衛(wèi)星的最初構(gòu)想。(2)會(huì)解決涉及人造地球衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的較簡(jiǎn)潔的問(wèn)題。(3)知道三個(gè)宇宙速度的含義和數(shù)值，會(huì)推導(dǎo)計(jì)算第一宇宙速度；(4)增加駕馭同步地球衛(wèi)星的相關(guān)學(xué)問(wèn)；(5)感受人類對(duì)客觀世界不斷探究的精神和情感。四、教學(xué)重難點(diǎn)及其突破依據(jù)前測(cè)結(jié)果分析，教學(xué)重點(diǎn)為第一宇宙速度、地球同步衛(wèi)星，教學(xué)難點(diǎn)為地球同步衛(wèi)星的定量計(jì)算和軌道限制的理解。

五、教學(xué)過(guò)程（一）教學(xué)流程圖““月地檢驗(yàn)”提出進(jìn)一步問(wèn)題：既然受力本質(zhì)一樣，為什么蘋果落地，月亮不落地？其次宇宙速度拋物線軌跡第一宇宙速度其次宇宙速度拋物線軌跡第一宇宙速度圓周軌跡第三宇宙速度雙曲線軌跡地球同步人造衛(wèi)星地球同步人造衛(wèi)星圓周軌跡人造衛(wèi)星航天宏大成就航天宏大成就（二）教學(xué)實(shí)施1.聯(lián)系實(shí)際情景，激發(fā)學(xué)習(xí)愛(ài)好絢爛的星空，浩渺的宇宙，始終讓我們心之所向，魂?duì)繅?mèng)縈……從遠(yuǎn)古神話“嫦娥奔月”到“萬(wàn)戶飛天”，從阿姆斯特朗的首次月球行走到首次月球背面軟著陸的嫦娥四號(hào)。人類在探究宇宙奇妙的道路上的腳步從未停止……讓我們從現(xiàn)在做起，努力前行！2.承上啟下，由“月地檢驗(yàn)”引出第一宇宙速度。牛頓用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬐评戆l(fā)覺(jué)了萬(wàn)有引力定律，并進(jìn)一步用“月地檢驗(yàn)”驗(yàn)證了萬(wàn)有引力定律的正確性。那么：蘋果與月亮受到同樣性質(zhì)的地球施加的萬(wàn)有引力，為什么蘋果落地了而月亮卻總是在空中掉不下來(lái)？類比過(guò)山車模型，猜想：給蘋果足夠的速度，同樣也會(huì)繞地球作圓周運(yùn)動(dòng)而不掉下來(lái)。事實(shí)上，牛頓最初也是這么想的：從高山上水平拋出一個(gè)鉛球，當(dāng)拋出的速度足夠大時(shí)，鉛球?qū)h(huán)繞地球作圓周運(yùn)動(dòng)，成為一個(gè)“小月亮”?！谝挥钪嫠俣取＜偃缃o蘋果7.9km/s的速度，蘋果就不會(huì)落地，而是圍繞地球作圓周運(yùn)動(dòng)。假如給蘋果的速度<7.9km/s，蘋果就會(huì)向心運(yùn)動(dòng)，落到地球表面。假如給蘋果的速度>7.9km/s，蘋果就會(huì)離心運(yùn)動(dòng)，但理性過(guò)程中，在引力的阻礙下，速度越來(lái)越慢，最終形成橢圓軌跡。理論表明，假如給蘋果的速度=11.2km/s，蘋果就剛好能夠離開(kāi)地球引力的限制，不再繞地球運(yùn)動(dòng)，軌跡為拋物線，此速度稱為其次宇宙速度。假如給蘋果的速度達(dá)到16.7km/s，則蘋果就能離開(kāi)太陽(yáng)系，軌跡為雙曲線，此速度稱為第三宇宙速度。3.人造地球衛(wèi)星橢圓、拋物線和雙曲線的運(yùn)動(dòng)軌跡較難，須要漸漸學(xué)習(xí)，我們首先探討最為簡(jiǎn)潔的圓周運(yùn)動(dòng)。在“月地檢驗(yàn)”中，若蘋果也繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)，則→→而月球繞地球的速度為1.02km/s，由得；；；；4.地球同步衛(wèi)星假如地球赤道上某處有一棵樹,長(zhǎng)到了跟月球一樣高（不考慮月球的影響）.蘋果熟了，脫離樹枝后，蘋果會(huì)怎樣運(yùn)動(dòng)呢？選出你認(rèn)為正確的分析A．因?yàn)樘O果剛脫離樹枝瞬間，相對(duì)地面速度為零，脫離后蘋果受到重力作用，豎直下落，所以會(huì)落到樹下的地面B．蘋果脫離樹枝前已經(jīng)相對(duì)地心做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，具有速度，脫離后仍舊做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，速率不變，即相對(duì)樹枝靜止C．蘋果脫離樹枝前已經(jīng)相對(duì)地心做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，脫離后在地球引力作用下做向心運(yùn)動(dòng)，最終落到地面，但不肯定在樹下D．蘋果脫離樹枝前已經(jīng)相對(duì)地心做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，脫離后在地球引力作用下做離心運(yùn)動(dòng)，漸漸遠(yuǎn)離地球總結(jié)地球同步衛(wèi)星的規(guī)律：周期、緯度、高度。5.我國(guó)的航天成就（聯(lián)系社會(huì)實(shí)際，立德樹人）6.課后作業(yè)（宇宙速度的后續(xù)學(xué)習(xí)關(guān)聯(lián)整合） 同步衛(wèi)星是如何