高中物理必修教案三篇.doc

高中物理必修教案三篇导语物理学是研究物质运动最一般规律和物质基本结构的学科作为自然科学的带头学科物理学研究大至宇宙小至基本粒子等一切物质最基本的运动形式和规律因此成为其他各自然科学学科的研究基础万有引力定律教学目标知识目标了解万有引力定律得出的思路和过程理解万有引力定律的含义并会推导万有引力定律知道任何物体间都存在着万有引力且遵守相同的规律能力目标培养学生研究问题时抓住主要矛盾简化问题建立理想模型的处理问题的能力训练学生透过现象行星的运动看本质受万有引力的作用的判断推理能力德育目标通过牛顿在前人的基础上发现万有引力定律的思考过程说明科学研究的长期性连续性及艰巨性渗透科学发现的方教育培养学生的猜想归纳联想直觉思维能力教学重难点教学重点月地检验的推倒过程教学难点任何两个物体间都存在万有引力教学过程一引入太阳对行星的引力是行星做圆周运动的向心力这个力使行星不能飞离太阳地面上的物体被抛出后总要落到地面上是什么使得物体离不开地球呢是否是由于地球对物体的引力造成的呢若真是这样物体离地面越远其受到地球的引力就应该越小可是地面上的物体距地面很远时受到地球的引力似乎没有明显减小如果物体延伸到月球那里物体也会像月球那样围绕地球运动地球对月球的引力地球对地面上的物体的引力太阳对行星的引力是同一种力你是这样认为的吗二新课教学一牛顿发现万有引力定律的过程引导学生阅读教材找出发现万有引力定律的思路假想理论推导实验检验牛顿对引力的思考牛顿看到了苹果落地发现了万有引力这只是一种传说但是他对天体和地球的引力确实作过深入的思考牛顿经过长期观察研究产生如下的假想太阳行星以及离我们很远的恒星不管彼此相距多远都是互相吸引着其引力随距离的增大而减小地球和其他行星绕太阳转就是靠劂的引力维持同样地球不仅吸引地面上和表面附近的物体而且也可以吸引很远的物体如月亮其引力也是随距离的增大而减弱牛顿进一步猜想宇宙间任何物体间都存在吸引力这些力具有相同的本质遵循同样的力学规律其大小都与两者间距离的平方成反比牛顿对定律的推导首先要证明太阳的引力与距离平方成反比牛顿凭着他对于数学和物理学证明的惊人创造才能大胆地将自己从地面上物体运动中总结出来的运动定律应用到天体的运动上结合开普勒行星运动定律从理论上推导出太阳对行星的引力与距离的平方成反比还证明引力跟太阳质量和行星质量的乘积成正比牛顿再研究了卫星的运动结论是它们间的引力也是与行星和卫星质量的乘积成正比与两者距离的平方成反比牛顿对定律的检验以上结论是否正确还需经过实验检验牛顿根据观测结果凭借理想实验巧妙地解决了这一难题牛顿设想某物体在地球表面时其重力加速度为若将它放到月球轨道上让它绕地球运动时其向心加速度为如果物体在地球上受到的重力和在月球轨道上运行时受到的作用力都是来自地球的吸引力其大小与距离的平方成反比那么和之间应有如下关系已知月心和地心的距离月地是地球半径地的倍得从动力学角度得出的这一结果与前面用运动学公式算出的数据完全一致牛顿证实了关于地球和物体间各天体之间的引力都属于同一种性质力都遵循同样的力学规律的假想是正确的牛顿把这种引力规律做了合理的推广在年发表了万有引力定律可以用下表来表达牛顿推证万有引力定律的思路引导学生根据问题看书教师引导总结什么是万有引力并举出实例万有引力定律怎样反映物体之间相互作用的规律其数学表达式如何万有引力定律的适用条件是什么二万有引力定律内容自然界中任何两个物体都是互相吸引的引力的大小跟这两个物体的质量乘积成正比跟它们的距离的二次方成反比引力的方向沿着二者的连线公式各物理量的含义及单位为两个物体间的引力单位分别表示两个物体的质量单位为它们间的距离单位为万有引力常量单位万有引力定律的理解万有引力是因为相互作用的物体有质量而产生的引力与初中学习的电荷间的引力磁极间的引力不同强调说明万有引力的普遍性万有引力不仅存在于星球间任何客观存在的有质量的物体间都存在这种相互吸引的力万有引力的相互性两个物体相互作用的引力是一对相互作用的作用力与反作用力它们大小相等方向相反分别作用在两个物体上万有引力的宏观性在通常情况下万有引力非常小只有在质量巨大的星球间或天体与天体附近的物体间它的存在才有实际的物理意义万有引力的独立性两物体间的万有引力只与它们本身的质量有关而与所在空间的性质无关也与周围有无其他物体无关为两个物体间距离若物体可以视为质点是两个质点间的距离若是规则形状的均匀物体相距较近则应把理解为它们的几何中心的距离若物体不能视为质点则可把每一个物体视为若干个质点的集合然后按万有引力定律求出各质点间的引力再按矢量法求它们的合力为万有引力常量在数值上等于质量都是的两物体相距时的相互作用的引力随堂练习探究叫两名学生上讲台做两个游戏一个是两人靠拢后离开三次以上二个是叫两人设法跳起来停在空中看是否能做到然后设问既然自然界中任何两个物体间都有万有引力那么在日常生活中我们各自之间或人与物体之间为什么都对这种作用没有任何感觉呢具体计算地面上两个的质点相距远时它们间的万有引力多大已知地球的质量约为地球半径为则这个物体和地球之间的万有引力又是多大学生计算后回答本题点评由此可见通常物体间的万有引力极小一般不易感觉到而物体与天体间的万有引力如人与地球就不能忽略了要使两物体间万有引力减小到原来的可采用的方法是使两物体的质量各减少一半距离保持不变使两物体间距离增至原来的倍质量不变使其中一个物体质量减为原来的距离不变使两物体质量及它们之间的距离都减为原来的答案设地球表面重力加速度为物体在距离地心是地球的半径处由于地球的作用而产生的加速度为则为提示两处的加速度各由何力而产生满足何规律答案三引力恒量的测定牛顿发现了万有引力定律却没有给出引力恒量的数值由于一般物体间的引力非常小用实验测定极其困难直到一百多年之后才由英国的卡文迪许用精巧的扭秤测出用扭秤测定引力恒量的方法卡文迪许解决问题的思路是将不易观察的微小变化量转化为容易观察的显著变化量再根据显著变化量与微小量的关系算出微小变化量问卡文迪许扭秤实验中如何实现这一转化测引力极小转化为测引力矩再转化为测石英丝扭转角度最后转化为光点在刻度尺上移动的距离较大根据预先求出的石英丝扭转力矩跟扭转角度的关系可以证明出扭转力矩进而求得引力确定引力恒量的值卡文迪许在测定引力恒量的同时也证明了万有引力定律的正确性四小结本节课重点学习了万有引力定律的内容表达式理解以及简单的应用重点理解定律的普遍性普适性对万有引力的性质有深层的认识对万有引力定律的理解应注意以下几点万有引力的普遍性它存在于宇宙中任何有质量的物体之间不管它们之间是否还有其他作用力万有引力恒量的普适性它是一个仅和单位选择有关而与物体性质无关的恒量两物体间的引力是一对作用力和反作用力万有力定律只适用于质点和质量分布均匀球体间的相互作用课后习题课本页板书万有引力定律万有引力定律的推导万有引力定律内容自然界中任何两个物体都是相互吸引的引力的大小跟这两个物体的质量的乘积成正比跟它们的距离的二次方成反比公式是引力常量为它们间的距离各物理量的含义及单位万有引力定律发现的重要意义引力恒量的测定万有引力定律的理解万有引力是因为相互作用的物体有质量而产生的引力与初中学习的电荷间的引力磁极间的引力不同强调说明万有引力的普遍性万有引力不仅存在于星球间任何客观存在的有质量的物体间都存在这种相互吸引的力万有引力的相互性两个物体相互作用的引力是一对相互作用的作用力与反作用力它们大小相等方向相反分别作用在两个物体上万有引力的宏观性在通常情况下万有引力非常小只有在质量巨大的星球间或天体与天体附近的物体间它的存在才有实际的物理意义万有引力的独立性两物体间的万有引力只与它们本身的质量有关而与所在空间的性质无关也与周围有无其他物体无关为两个物体间距离若物体可以视为质点是两个质点间的距离若是规则形状的均匀物体相距较近则应把理解为它们的几何中心的距离若物体不能视为质点则可把每一个物体视为若干个质点的集合然后按万有引力定律求出各质点间的引力再按矢量法求它们的合力为万有引力常量在数值上等于质量都是的两物体相距时的相互作用的引力万有引力理论的成就教学目标知识与技能了解地球表面物体的万有引力两个分力的大小关系计算地球质量行星绕恒星运动卫星的运动的共同点万有引力作为行星卫星圆周运动的向心力会用万有引力定律计算天体的质量了解万有引力定律在天文学上有重要应用过程与方法培养学生根据数据分析找到事物的主要因素和次要因素的一般过程和方法培养学生根据事件的之间相似性采取类比方法分析新问题的能力与方法培养学生归纳总结建立模型的能力与方法情感态度与价值观培养学生认真严禁的科学态度和大胆探究的心理品质体会物理学规律的简洁性和普适性领略物理学的优美教学重难点教学重点地球质量的计算太阳等中心天体质量的计算教学难点根据已有条件求中心天体的质量教学工具多媒体板书教学过程一计算天体的质量基本知识地球质量的计算依据地球表面的物体若不考虑地球自转物体的重力等于地球对物体的万有引力即结论只要知道的值就可计算出地球的质量太阳质量的计算依据质量为的行星绕太阳做匀速圆周运动时行星与太阳间的万有引力充当向心力即结论只要知道卫星绕行星运动的周期和半径就可以计算出行星的质量思考判断地球表面的物体重力就是物体所受的万有引力绕行星匀速转动的卫星万有引力提供向心力利用地球绕太阳转动可求地球的质量探究交流若已知月球绕地球转动的周期和半径由此可以求出地球的质量吗能否求出月球的质量呢提示能求出地球的质量利用为中心天体的质量做圆周运动的月球的质量在等式中已消掉所以根据月球的周期公转半径无法计算月球的质量二发现未知天体基本知识海王星的发现英国剑桥大学的学生亚当斯和法国年轻的天文学家勒维耶根据天王星的观测资料利用万有引力定律计算出天王星外新行星的轨道年月日德国的加勒在勒维耶预言的位置附近发现了这颗行星海王星其他天体的发现近年来人们在海王星的轨道之外又发现了冥王星阋神星等几个较大的天体思考判断海王星冥王星的发现表明了万有引力理论在太阳系内的正确性科学家在观测双星系统时同样可以用万有引力定律来分析探究交流航天员翟志刚走出神舟七号飞船进行舱外活动时要分析其运动状态牛顿定律还适用吗提示适用牛顿将牛顿定律与万有引力定律综合成功分析了天体运动问题牛顿定律对物体在地面上的运动以及天体的运动都是适用的三天体质量和密度的计算问题导思求天体质量的思路是什么有了天体的质量求密度还需什么物理量求天体质量常有哪些方法求天体质量的思路绕中心天体运动的其他天体或卫星做匀速圆周运动做圆周运动的天体或卫星的向心力等于它与中心天体的万有引力利用此关系建立方程求中心天体的质量计算天体的质量下面以地球质量的计算为例介绍几种计算天体质量的方法若已知月球绕地球做匀速圆周运动的周期为半径为根据万有引力等于向心力即若已知月球绕地球做匀速圆周运动的半径和月球运行的线速度由于地球对月球的引力等于月球做匀速圆周运动的向心力根据牛顿第二定律得若已知月球运行的线速度和运行周期由于地球对月球的引力等于月球做匀速圆周运动的向心力根据牛顿第二定律得若已知地球的半径和地球表面的重力加速度根据物体的重力近似等于地球对物体的引力得解得地球质量为计算天体的密度若天体的半径为则天体的密度误区警示计算天体质量的方法不仅适用于地球也适用于其他任何星体注意方法的拓展应用明确计算出的是中心天体的质量要注意的区分指中心天体的半径指行星或卫星的轨道半径以地球为例若绕近地轨道运行则有例要计算地球的质量除已知的一些常数外还需知道某些数据现给出下列各组数据可以计算出地球质量的有哪些已知地球半径已知卫星绕地球做匀速圆周运动的轨道半径和线速度已知卫星绕地球做匀速圆周运动的线速度和周期已知地球公转的周期及运转半径答案归纳总结求解天体质量的技巧天体的质量计算是依据物体绕中心天体做匀速圆周运动万有引力充当向心力列出有关方程求解的因此解题时首先应明确其轨道半径再根据其他已知条件列出相应的方程四分析天体运动问题的思路问题导思常用来描述天体运动的物理量有哪些分析天体运动的主要思路是什么描述天体的运动问题有哪些主要的公式解决天体运动问题的基本思路一般行星或卫星的运动可看做匀速圆周运动所需要的向心力都由中心天体对它的万有引力提供所以研究天体时可建立基本关系式四个重要结论设质量为的天体绕另一质量为的中心天体做半径为的匀速圆周运动以上结论可总结为越远越慢越远越小误区警示由以上分析可知卫星的与行星或卫星的质量无关仅由被环绕的天体的质量和轨道半径决定应用万有引力定律求解时还要注意挖掘题目中的隐含条件如地球的公转周期是天自转一周是小时其表面的重力加速度约为例据报道天文学家近日发现了一颗距地球光年的超级地球名为该行星绕母星中心天体运行的周期约为地球绕太阳运行周期的母星的体积约为太阳的倍假设母星与太阳密度相同与地球均做匀速圆周运动则与地球的答案归纳总结解决天体运动的关键点解决该类问题要紧扣两点一是紧扣一个物理模型就是将天体或卫星的运动看成是匀速圆周运动二是紧扣一个物体做圆周运动的动力学特征即天体或卫星的向心力由万有引力提供还要记住一个结论在向心加速度线速度角速度和周期四个物理量中只有周期的值随着轨道半径的变大而增大其余的三个都随轨道半径的变大而减小五双星问题的分析方法例天文学家将相距较近仅在彼此的引力作用下运行的两颗恒星称为双星双星系统在银河系中很普遍利用双星系统中两颗恒星的运动特征可推算出它们的总质量已知某双星系统中两颗恒星围绕它们连线上的某一固定点分别做匀速圆周运动周期均为两颗恒星之间的距离为试推算这个双星系统的总质量引力常量为归纳总结双星系统的特点双星绕它们共同的圆心做匀速圆周运动它们之间的距离保持不变两星之间的万有引力提供各自需要的向心力双星系统中每颗星的角速度相等两星的轨道半径之和等于两星间的距离宇宙航行教学目标知识与技能了解人造卫星的有关知识正确理解人造卫星做圆周运动时各物理量之间的关系知道三个宇宙速度的含义会推导第一宇宙速度过程与方法通过用万有引力定律来推导第一宇宙速度培养学生运用知识解决问题的能力情感态度与价值观通过介绍我国在卫星发射方面的情况激发学生的爱国热情感知人类探索宇宙的梦想促使学生树立献身科学的人生价值观教学重难点教学重点第一宇宙速度的意义和求法人造卫星的线速度角速度周期与轨道半径的关系教学难点近地卫星同步卫星的区别卫星的变轨问题教学工具多媒体板书教学过程一宇宙航行基本知识牛顿的卫星设想如图所示当物体的初速度足够大时它将会围绕地球旋转而不再落回地面成为一颗绕地球转动的人造卫星原理一般情况下可认为人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动向心力由地球对它的万有引力提供宇宙速度梦想成真年月苏联成功发射了第一颗人造卫星年月美国阿波罗号登上月球年月日我国航天员杨利伟踏入太空思考判断绕地球做圆周运动的人造卫星的速度可以是在地面上发射人造卫星的最小速度是要发射一颗月球人造卫星在地面的发射速度应大于探究交流我国于年月发射的火星探测器萤火一号试问这个探测器应大约以多大的速度从地球上发射提示火星探测器绕火星运动脱离了地球的束缚但没有挣脱太阳的束缚因此它的发射速度应在第二宇宙速度与第三宇宙速度之间即二第一宇宙速度的理解与计算问题导思第一宇宙速度有哪些意义如何计算第一宇宙速度第一宇宙速度与环绕速度发射速度有什么联系第一宇宙速度的定义又叫环绕速度是人造卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动所具有的速度是人造地球卫星的最小发射速度第一宇宙速度的计算设地球的质量为卫星的质量为卫星到地心的距离为卫星做匀速圆周运动的线速度为第一宇宙速度的推广由第一宇宙速度的两种表达式可以看出第一宇宙速度之值由中心星体决定可以说任何一颗行星都有自己的第一宇宙速度都应以式中为万有引力常量为中心星球的质量为中心星球表面的重力加速度为中心星球的半径误区警示第一宇宙速度是最小的发射速度卫星离地面越高卫星的发射速度越大贴近地球表面的卫星近地卫星的发射速度最小其运行速度即第一宇宙速度例某人在一星球上以速率竖直上抛一物体经时间物体以速率落回手中已知该星球的半径为求这个星球上的第一宇宙速度方法总结天体环绕速度的计算方法对于任何天体计算其环绕速度时都是根据万有引力提供向心力的思路卫星的轨道半径等于天体的半径由牛顿第二定律列式计算如果知道天体的质量和半径可直接列式计算如果不知道天体的质量和半径的具体大小但知道该天体与地球的质量半径关系可分别列出天体与地球环绕速度的表达式用比例法进行计算三卫星的线速度角速度周期与轨道半径的关系问题导思卫星绕地球的运动通常认为是什么运动如何求与的关系卫星的线速度与卫星的发射速度相同吗为了研究问题的方便通常认为卫星绕地球做匀速圆周运动向心力由万有引力提供卫星的线速度角速度周期与轨道半径的关系与推导如下由上表可以看出卫星离地面高度越高其线速度越小角速度越小周期越大向心加速度越小误区警示在处理卫星的与半径的关系问题时常用公式来替换出地球的质量会使问题解决起来更方便人造地球卫星发射得越高需要的发射速度越大但卫星最后稳定在绕地球运动的圆形轨道上时的速度越小例如图所示为在同一轨道平面上的几颗人造地球卫星下列说法正确的是根据可知三颗卫星的线速度根据万有引力定律可知三颗卫星受到的万有引力三颗卫星的向心加速度三颗卫星运行的角速度答案四卫星轨道与同步卫星问题导思人造地球卫星的轨道有什么特点人造地球卫星的轨道圆心一定是地心吗地球同步卫星有哪些特点人造地球卫星的轨道人造卫星的轨道可以是椭圆轨道也可以是圆轨道椭圆轨道地心位于椭圆的一个焦点上圆轨道卫星绕地球做匀速圆周运动卫星所需的向心力由万有引力提供由于万有引力指向地心所以卫星的轨道圆心必然是地心即卫星在以地心为圆心的轨道平面内绕地球做匀速圆周运动总之地球卫星的轨道平面可以与赤道平面成任意角度但轨道平面一定过地心当轨道平面与赤道平面重合时称为赤道轨道当轨道平面与赤道平面垂直时即通过极点称为极地轨道如图所示地球同步卫星定义相对于地面静止的卫星又叫静止卫星六个一定同步卫星的运行方向与地球自转方向一致同步卫星的运转周期与地球自转周期相同同步卫星的运行角速度等于地球自转的角速度同步卫星的轨道平面均在赤道平面上即所有的同步卫星都在赤道的正上方同步卫星的高度固定不变特别提醒由于卫星在轨道上运动时它受到的万有引力全部提供给了向心力产生了向心加速度因此卫星及卫星上的任何物体都处于完全失重状态例已知某行星的半径为以第一宇宙速度运行的卫星绕行星运动的周期为该行星上发射的同步卫星的运行速度为求同步卫星距行星表面高度为多少规律总结同步卫星近地卫星和赤道上随地球自转物体的比较近地卫星是轨道半径近似等于地球半径的卫星卫星做匀速圆周运动的向心力由万有引力提供同步卫星是在赤道平面内定点在某一特定高度的卫星其做匀速圆周运动的向心力由万有引力提供在赤道上随地球自转做匀速圆周运动的物体是地球的一部分它不是地球的卫星充当向心力的是物体所受的万有引力与重力之差近地卫星与同步卫星的共同点是卫星做匀速圆周运动的向心力由万有引力提供同步卫星与赤道上随地球自转的物体的共同点是具有相同的角速度当比较近地卫星和赤道上物体的运动规律时往往借助同步卫星这一纽带这样会使问题迎刃而解五卫星飞船的变轨问题例如图所示某次发射同步卫星的过程如下先将卫星发射至近地圆轨道然后再次点火进入椭圆形的过渡轨道最后将卫星送入同步轨道轨道相切于点相切于点则当卫星分别在轨道上正常运行时以下说法正确的是卫星在轨道上的速率大于在轨道上的速率卫星在轨道上的角速度大于在轨道上的角速度卫星在轨道上经过点时的加速度大于它在轨道上经过点时的加速度卫星在轨道上经过点时的加速度等于它在轨道上经过点时的加速度答案规律总结卫星变轨问题的处理技巧当卫星绕天体做匀速圆周运动时万有引力提供向心力由由此可见轨道半径越大线速度越小当由于某原因速度突然改变时若速度突然减小卫星将做近心运动轨迹为椭圆若速度突然增大则卫星将做离心运动轨迹变为椭圆此时可用开普勒第三定律分析其运动卫星到达椭圆轨道与圆轨道的切点时卫星受到的万有引力相同所以加速度也相同