第六章 万有引力与航天

本章设计

本章主要在讲述了万有引力定律的发现及其在天体运动中的应用.万有引力定律是在哥白尼、伽利略、开普勒等人的天文学研究成果基础上，由牛顿运用力学原理发现的重要定律.万有引力定律阐明了宇宙万物之间普遍存在的相互作用力的规律,为人们认识天体的运动奠定了基础.

本章教材内容可分为三个单元:

第一单元(第1节—第3节):介绍万有引力定律的建立过程.从观察行星运动、描述行星运动规律开始，人类对行星运动规律的认识经历了从“地心说”到“日心说”，直到开普勒的行星运动规律.牛顿根据这些已知的运动规律，探究运动规律的原因，先提出猜想，再经月—地检验，再将其合理推广到一切物体之间，得到万有引力定律. 第二单元（第4节—第5节）：列举万有引力定律的成就.一是理论成就“称量地球的质量”“发现未知天体”等；二是其实践成就，航天事业的发展及其巨大成果.

第三单元(第6节):经典力学的局限性.从低速到高速、从微观到宏观、从弱引力到强引力三个方面提出问题，留给学生思考的空间.

本章的重点内容是:万有引力定律在天体运动中的应用、人造卫星的发射和运行及航天活动，难点是万有引力定律的发现过程及天体运动的综合性分析与计算.

通过本章的学习,我们要了解人们对天体运动认识的发展过程和牛顿发现万有引力定律的认识过程以及思考和研究问题的方法,掌握解决天体的运动、人造地球卫星、宇宙速度等实际问题的解题方法,进一步加深对力和运动关系的理解,提高分析和解决实际问题的能力.学习万有引力定律在宇宙航行中的应用时,要引导学生进行科学跟生活、跟社会联系的思考,让学生体会到物理学就在我们的身边,增进科学与生活、社会的联系.

万有引力、人造卫星是近年来高考的热点内容,由于航空航天技术、卫星技术属于现代科技发展的重要领域,所以近些年的高考对万有引力、人造卫星的考查每年都有.高考强调理论联系实际,其中与现代科技的联系是一个重要方面,同时体现高考试卷的现代性.随我国宇宙事业的迅速发展(如我国神舟飞船发射及准备发射月球卫星),今后仍将是高考的热点之一，教学时要给予高度重视.

在理解和把握本章内容时,要和前一章的匀速圆周运动结合起来,找出物体做圆周运动的半径,以及做圆周运动的向心力由哪些力来提供,从而求出题目所要求的结果,切不可不加分析死记硬背.

本章共6节,建议用8课时,备课时安排如下： 1 行星的运动 2 太阳与行星间的引力 3 万有引力定律 4 万有引力理论的成就 5 宇宙航行 6 经典力学的局限性 1 行星的运动 文本式教学设计 整体设计

本节内容包括“地心说”“日心说”的内容及争论的焦点、开普勒三大定律的内容等知识点.学习这一节的主要目的是为了下一节推导万有引力定律作铺垫,因此教材中没有过重地讲述开普勒的三大定律,而是将三大定律的内容综合在一起加以说明,节后也没有安排练习.

1课时 1课时 2课时 2课时 1课时 1课时

本节内容对学生来说是抽象的、陌生的，甚至无法去感知.对天体的运动充满好奇,又觉得非常神秘而不易理解.所以我们必须去引导学生了解人们对星体运动认识的发展过程,从“日心说”和“地心说” 的内容到其两者这间的争论，从第谷的精心观测到开普勒的数学运算，在学生整体感知的过程中引导学生体会这些大师们的思路、方法及他们的一丝不苟的科学精神，并激发他们热爱科学、探索真理的求知热情.

“日心说”“地心说”及两者之间的争论有许多内容可向学生介绍，教材为了简单明了地简述开普勒关于行星运动的规律，没有过多地叙述这些内容.教学中可根据学生的实际情况加以补充.具体授课中教师可以用故事的形式讲述,也可以通过放资料片和图片的形式讲述,也可大胆地让学生进行发言.在讲授“日心说”和“地心说”时，先不要否定“地心说”，让学生了解托勒密巧妙的解释，同时让学生明白哥白尼的理论推翻了统治人类长达一千余年的地球是宇宙中心的“地心说”理论，为宣传和捍卫这一学说，意大利的思想家布鲁诺惨遭酷刑，伽利略也为此受到残酷迫害,借此对学生进行情感教育. 教学重点

对开普勒三大定律的理解. 教学难点

1.开普勒三大定律的适用范围. 2.对开普勒第三定律中k的理解. 课时安排 1课时 三维目标 知识与技能

1.了解地心说和日心说的基本内容.

2.明确开普勒三大定律,能应用三定律分析问题. 3.知道人类对行星运动的认识过程. 过程与方法

1.了解观察在发现行星运动规律中的作用.认识物理实验在物理学发展过程中的重要作用. 2.了解科学研究方法对人类认识自然的重要作用. 情感态度与价值观

1.通过开普勒行星运动定律的建立过程,渗透科学发现的方法论教育,建立科学的宇宙观

2.通过人类对行星运动规律认识过程的曲折与艰辛,学习科学家们实事求是、尊重客观事实、敢于坚持真理、勇于创新和不怕牺牲的科学态度与科学精神.

教学过程

导入新课 故事导入

《天问》是战国时期楚国伟大诗人屈原的佳作,屈原对茫茫宇宙提出了一系列问题：

“遂古之初，谁传道之？” 上下未形，何由考之？ ……

夜光何德，死则又育？ 厥利维何，而顾菟在腹？”

这些都反映了人类对星空的向往，体现了人类了解自然奥秘的渴望.

面对浩瀚的星空,哪里才是宇宙的中心?“地心说”“日心说”孰是孰非？ 情景导入

太阳每天东升西落；月亮由东向西运行，有时弯如镰，有时圆如盘，每月变化一次；天上的星星有的看起来不动，有的如闪电划过夜空，日月星辰的这些运动，人们从遥远的古代就注意了.但是,日月交替,斗转星移,天体的运动遵循什么规律?浩瀚星空,哪里才是宇宙的中心?从这一节开始,我们将学习这些规律.

复习导入 复习旧知：

??s2?r?v?????tT?????????2??只适用于匀速圆周运动???tT?????T?2?r?2????v?????圆周运动的基本公式?

????v??t??2,v?即适用于匀速圆周运动?a???2r??v?r动??也适用于非匀速圆周运??mv22?F??m?r?m?v??r?? 匀速圆周运动的特点:速率、角速度不变，速度、加速度、合外力大小不变，方向时刻变

化.合外力就是向心力,它只改变速度方向.

非匀速圆周运动:合外力一般不是向心力,它不仅要改变物体速度大小(切向分力),还要改变速度方向(向心力).

?火车转弯??汽车过拱形桥 生活中的圆周运动?

?航天器中的失重现象?离心现象? 很多天体的运动就是圆周运动,在学习中我们将应用圆周运动的知识解决天体运动的问题.本节课我们先学习第一节:行星的运动. 推进新课

一、“地心说”和“日心说”的发展过程 课件展示：

在浩瀚的宇宙中，存在着无数大小不一、形态各异的星球，而这些天体是如何运动的呢？在古代，人类最初通过直接的感性认识，建立了“地心说”的观点，认为地球是静止不动的，而太阳和月亮绕地球转动.因为“地心说”比较符合人们的日常经验，太阳总是从东边升起，从西边落下，好像太阳绕地球转动.正好，“地心说”的观点也符合宗教神学关于地球是宇宙中心的说法，所以“地心说”统治了人们很长时间.但是随着人们对天体运动的不断研究，发现“地心说”所描述的运动不仅复杂而且问题很多.如果把地球从天体运动的中心位置移到一个普通的、绕太阳运动的行星的位置，换一个角度来考虑天体的运动，许多问题都可以解决，行星运动的描述也变得简单了.

随着世界航海事业的发展,人们希望借助星星的位置为船队导航,因而对行星的运动观测越来越精确.再加上第谷等科学家经过长期观测及记录的大量观测数据,用托勒密的“地心说”模型很难得出完美的解答.当时,哥伦布和麦哲伦的探险航行已经使不少人相信地球并不是一个平台,而是一个球体,哥白尼就开始推测地球是不是每天围绕自己的轴线旋转一周呢?他假设地球并不是宇宙的中心,它与其他行星都是围绕着太阳做匀速圆周运动.这就是“日心说”的模型.用“日心说”能较好地和观测的数据相符合,但它的思想几乎在一个世纪中被忽略,很晚才被人们接受.原因有:(1)“日心说”只是一个假设.利用这个“假设”，行星运动的计算比“地心说”容易得多.但著作中有很不精确的数据.根据这些数据得出的结果不能很好地跟行星位置的观测结果相符合.(2)当时的欧洲的统治者还是教会,把哥白尼的学说称为“异端学说”，因为它不符合教会的利益,致使这个正确的观点被推迟一个世纪才被人们所接受.

德国的物理学家开普勒继承和总结了他的导师第谷的全部观测资料及观测数据,也是以行星绕太阳做匀速圆周运动的模型来思考和计算的,但结果总是与第谷的观测数据有8′的角度误差.当时公认的第谷的观测误差不超过2′.开普勒想,很可能不是匀速圆周运动.在这个大胆思路下,开普勒又经过四年多的刻苦计算,先后否定了19种设想,最后终于计算出行星是绕太阳运动的,并且运动轨迹为椭圆,证明了哥白尼的“日心说”是正确的,并总结为行星运动三定律.

设计意图：通过观看上述材料,让学生了解前人对问题的一丝不苟、孜孜以求的精神,引导学生对待学习更应该是脚踏实地、认认真真,不放过一点疑问,要有热爱科学、探索真理的热情及坚强的品质，来实现自己的人生价值. 问题探究

通过观看上述材料及课本内容，要求学生解决以下问题： 1.在古代，人们对天体的运动的认识有哪几种学说？ 2.各个学说的内容是怎样的？代表人物是谁？