《万有引力》教学设计-优秀教案

教学设计思路：

万有引力与航天章节的内容抽象，物理模型建立困难，章节涉及的公式多 ，是学生学习物理过程中的一个难点。尤其利用万有引力理论解决天体问题和人造卫星问题中的比例运算问题，涉及本节教学内容旨在帮助学生复习巩固基础知识，同时也在于帮助学生提高建立物理模型，运用知识分析解题的能力。

教学目标:

1、了解万有引力定律发现的历程 2、理解万有引力定律的内容和公式 3、理解万有引力定律的适用条件 4、了解万有引力的“四性”，即：①普遍性 ②相互性 ③宏观性 ④特殊性 5、建立天体运动物理模型，解决对天体运动的分析 复习重点:

万有引力定律在天体运动问题中的应用 教学难点:

宇宙速度、人造卫星的运动

教学资源： 学科组教师集体备课 教学辅导练习《步步高》 教学方法: 复习提问、讲练结合。 教学过程:

一、本章知识脉络，构建课标树状知识体系

Mmv2G2m rrMmG2mr2 rMm2G2mr()2 rT引力常量及测定 重力的产生与竖直方向直线运动 测质量、测密度、发现未知天体 圆轨道运动 变轨 宇宙速度 牛顿万有引力定律 椭圆轨道运动 轨道定律 开普勒三定律 弟谷 望远镜的发明 面积定律 周期定律

按照万有引力定律发现的历程，逐步树状知识体系图展示出来，达到对本章知识点梳理的目的，让本章知识点尽在一图之中.

二、本章要点总结

1、开普勒行星运动定律

第一定律：所有行星绕太阳运动的轨道都是椭圆，太阳处在椭圆的一个焦点上。 第二定律：对任意一个行星来说，它与太阳的连线在相等时间内扫过相等的面积。 第三定律：所有行星的轨道的半长轴的三次方跟公转周期的二次方的比值都相等。即：

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a3k,比值k是一个与行星无关的常量。 T2补充说明：解决天体问题时一般把模型看成圆周运动。

2、万有引力定律

（1）开普勒对行星运动规律的描述（开普勒定律）为万有引力定律的发现奠定了基础。 （2）万有引力定律公式：

FGm1m21122G6.6710Nm/kg，

r2（3）万有引力定律适用于一切物体，但用公式计算时，注意有一定的适用条件。 3、万有引力定律在天文学上的应用。 （1）基本方法：

①把天体的运动看成匀速圆周运动，其所需向心力由万有引力提供：

Mmv2G2mm2r

rr②在忽略天体自转影响时，天体表面的重力加速度：

gGM，R为天体半径。 2R（2）天体质量，密度的估算。

Mm42测出环绕天体作匀速圆周运动的半径r，周期为T，由G2m2r得被环绕天体的质

rT42r3M3r3量为M，密度为，R为被环绕天体的半径。

GT2VGT2R23当环绕天体在被环绕天体的表面运行时，r＝R，则。

GT2（3）环绕天体的绕行速度，角速度、周期与半径的关系。

GMMmv2①由G2m得v rrr∴r越大，v越小

②由GGMMm2得 mrr3r2∴r越大，越小

Mm4242r3③由G2m2r得T rTGM∴r越大，T越大

（4）三种宇宙速度

①第一宇宙速度（地面附近的环绕速度）：v1=7.9km/s，人造卫星在地面附近环绕地球作匀速圆周运动的速度。

②第二宇宙速度（地面附近的逃逸速度）：v2=11.2km/s，使物体挣脱地球束缚，在地面附近的最小发射速度。

③第三宇宙速度：v3=16.7km/s，使物体挣脱太阳引力束缚，在地面附近的最小发射速度。 三、本章专题剖析

1、测天体的质量及密度：（万有引力全部提供向心力）

42r3Mm2由G2m r 得M2GTTr2第 2 页 共 5 页

3r343又MR 得 23GTR3例1、继神秘的火星之后，今年土星也成了全世界关注的焦点！经过近7年35.2亿公里在太

空中风尘仆仆的穿行后，美航空航天局和欧航空航天局合作研究的“卡西尼”号土星探测器于美国东部时间6月30日（北京时间7月1日）抵达预定轨道，开始“拜访”土星及其卫星家族。这是人类首次针对土星及其31颗已知卫星最详尽的探测！若“卡西尼”号探测器进入绕土星飞行的轨道，在半径为R的土星上空离土星表面高h的圆形轨道上绕土星飞行，环绕n周飞行时间为t。试计算土星的质量和平均密度。

解析：设“卡西尼”号的质量为m，土星的质量为M. “卡西尼”号围绕土星的中心做匀速圆周运动，其向心力由万有引力提供.

GMm22t，其中， m(Rh)()TT(Rh)2n42n2(Rh)3所以：M． 2GtM3n2(Rh)343又VR，  23VGtR32、行星表面重力加速度、轨道重力加速度问题：（重力近似等于万有引力）

MmGM mgg0022RRGMmGMmgg轨道重力加速度： hh22RhRh表面重力加速度：G例2、一卫星绕某行星做匀速圆周运动，已知行星表面的重力加速度为g0，行星的质量M与

卫星的质量m之比M/m=81，行星的半径R0与卫星的半径R之比R0/R＝3.6，行星与卫星之间的距离r与行星的半径R0之比r/R0＝60。设卫星表面的重力加速度为g，则在卫星表面有

GMmr2mg ……

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1/3600。上述结果是否正确？若正确，列式证明；若有错误，求出正确结果。

解析：题中所列关于g的表达式并不是卫星表面的重力加速度，而是卫星绕行星做匀速圆周运动的向心加速度。正确的解法是

卫星表面

GmR2＝g 行星表面

R02mgGM()=g 即= 02gRMR00即g =0.16g0。

3、人造卫星、宇宙速度：

宇宙速度：了解第一宇宙速度的物理意义

例3、将卫星发射至近地圆轨道1（如图所示），然后再次点火，将卫星送入同步轨道3。轨道1、2相切于Q点，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上的速率大于轨道1上的速率。

B．卫星在轨道3上的角速度大于在轨道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点的加速度等于它在轨道3上经过P点时的加速度。

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P

•2 1 3 •Q GMMmmv2解析：由G2得v，

rrr而vGM， 3rr轨道3的半径比1的大，故A错B对，“相切”隐含着切点弯曲程度相同，即卫星在切点时两轨道瞬时运行半径相同，又aGM，故C错D对。 r24、双星问题：

例4、两个星球组成双星，它们在相互之间的万有引力作用下，绕连线上某点做周期相同的匀速圆周运动。现测得两星中心距离为R，其运动周期为T，求两星的总质量。

解析：设两星质量分别为M1和M2，都绕连线上O点作周期为T的圆周运动，星球1和星球2到O的距离分别为l1和l2。由万有引力定律和牛顿第二定律及几何条件可得

42R2l122M1M2对M1：G＝M1（） l1 ∴M2＝

22TRR对M2：G

M1M22＝M2（

22

） l2 ∴M1＝T2GT42R2l2GT22

两式相加得M1＋M2＝

42R2GT（l1＋l2）＝

42R3GT。

5、有关航天问题的分析：

例5、无人飞船“神州二号”曾在离地高度为H＝3. 4105m的圆轨道上运行了47小时。求在这段时间内它绕行地球多少圈？（地球半径R=6.37106m，重力加速度g＝9.8m/s2）

解析：用r表示飞船圆轨道半径r=H+ R==6. 71106m 。 M表示地球质量，m表示飞船质量，表示飞船绕地球运行的角速度，G表示万有引力常数。由万有引力定律和牛顿定律得

GMmr2m2r

利用G

MR2r32rrtT＝，又n=代入数值解得绕行圈数为n=31。

RTg ＝g得

gR2＝2由于＝

2，T表示周期。解得 T

四、课时针对训练

1．利用下列哪组数据，可以计算出地球质量：（ ）

A．已知地球半径和地面重力加速度

B．已知卫星绕地球作匀速圆周运动的轨道半径和周期 C．已知月球绕地球作匀速圆周运动的周期和月球质量 D．已知同步卫星离地面高度和地球自转周期 2．“探路者”号宇宙飞船在宇宙深处飞行过程中，发现A、B两颗天体各有一颗靠近表面飞行的卫星，并测得两颗卫星的周期相等，以下判断错误的是（ ）

A．天体A、B表面的重力加速度与它们的半径成正比 B．两颗卫星的线速度一定相等 C．天体A、B的质量可能相等 D．天体A、B的密度一定相等

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3．已知某天体的第一宇宙速度为8 km/s，则高度为该天体半径的宇宙飞船的运行速度为（ ）

A．22km/s B．4 km/s

C．42 km/s D．8 km/s

4．2002年12月30日凌晨，我国的“神舟”四号飞船在酒泉载人航天发射场发射升空，按预定计划在太空飞行了6天零18个小时，环绕地球108圈后，在内蒙古中部地区准确着陆，圆满完成了空间科学和技术试验任务，为最终实现载人飞行奠定了坚实基础.若地球的质量、半径和引力常量G均已知，根据以上数据可估算出“神舟”四号飞船的（ ）

A.离地高度 B.环绕速度 C.发射速度 D.所受的向心力

5．宇航员站在某一星球表面上的某高处，沿水平方向抛出一小球。经过时间t，小球落到星球表面，测得抛出点与落地点之间的距离为L。若抛出时的初速度增大到2倍，则抛出点与落地点之间的距离为3L。已知两落地点在同一水平面上，该星球的半径为R，万有引力常数为G。求该星球的质量M。

6．在勇气号火星探测器着陆的最后阶段，着陆器降落到火星表面上，再经过多次弹跳才停下来。假设着陆器第一次落到火星表面弹起后，到达最高点时高度为h，速度方向是水平的，速度大小为v0，求它第二次落到火星表面时速度的大小，计算时不计火星大气阻力。已知火星的一个卫星的圆轨道的半径为r，周期为T。火星可视为半径为r0的均匀球体。

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