高中物理“万有引力与航天”教学研究

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1、专题讲座高中物理“万有引力与航天”教学研究李春鹰（北京市第八一中学，高级教师）第一部分本主题的学科知识的深层次理解一、知识结构二、地位与作用在学习万有引力之前，学生对力、质量、速度、加速度、向心力、向心加速度等概念有较好的理解，并且掌握自由落体、抛体和匀速圆周运动的运动学规律，能熟练运用牛顿运动定律解决动力学问题。可以说，万有引力定律的学习对于运动和力这部分知识起到进一步深化和综合运用的作用。本专题渗透解决问题的主要方法：理想模型、利用数学工具解决物理问题（推理、估算）、曲线运动处理问题的方法、将不易测量的物理量转化为易测量的物理量、利用牛顿第二定律解决天体问

2、题。通过万有引力定律的发现过程及其定律的应用的教学，激发学生的好奇心和学习兴趣，体会科学研究方法对人们认识自然的重要作用，体会科学定律对人类探索未知世界的作用。培养学生良好思维习惯的形成。第二部分本主题的教学策略一、万有引力定律的建立过程的教学设计建议在教学中，通过启发式的设问，激发学生的兴趣与想像力，体会科学家们实事求是的态度、勇于探索的科学精神推动了认识发展。（一）人类对行星运动认识的发展过程（二）追寻牛顿的足迹——万有引力发现的过程重视演绎推理，培养学生的良好的思维习惯。（三）月——地检验这个大胆的想法如何由事实检验？用数据说明上述设想的正确性，牛顿的大

3、胆设想经受了事实的检验。至此，平方反比律已经扩展到太阳与行星间、地球与月球间、地球与地面物体间。总结万有引力的发现过程，你从中受到什么启示？使学生体会：物理学的许多重大理论的发现，不是简单的实验结果的总结，它需要直觉和想像力、大胆的猜想和假设，再引入合理的模型，深刻的洞察力、严谨的数学处理和逻辑思维，常常是一个充满曲折和艰辛的过程。二、万有引力定律的理解及应用（一）理解万有引力（画出草图，具体说明）1.力是相互的M与m的受到的万有引力力大小相等、反向相反。2.对质点的理解体现在：r>>R，R>>m的半径，r=R+h3.G是引力常量，适用于任何两个物体；它在数值

4、上等于两个质量都是1kg的物体相距1m时的相互作用力。根据学生情况介绍引力常量的测定—卡文迪许扭秤实验。引力常数的普适性成为万有引力定律正确性的见证引力；常量的测定使万有引力定律有了实际的意义。4.为什么我们感觉不到旁边同学的引力呢？下面我们粗略地来计算一下两个质量为50kg，相距0.5m的人之间的引力？（为什么说是粗略？）F=GMm/R2=6.67×10-7N那么太阳与地球之间的万有引力又是多大？已知：太阳的质量为M=2.0×1030kg，地球质量为m=5.9×1024kg，日地之间的距离为R=1.5×1011m则F=GMm/R2=3.5×1023N通过学生

5、计算得出：引力在天体与天体间，天体与物体间比较显著，但通常物体间的引力可忽略不计。（二）万有引力与重力学生们在初中学习重力的定义是：由于地球的吸引而使物体受到的力，学完万有引力后要使学生明确万有引力与重力的关系。通过计算得出，由于随地球自转的向心加速度很小，在地球表面的物体，F万≈FN，则F万≈G。结论：1.重力是万有引力的一个分力，重力与万有引力无论大小还是方向都相差不多，不考虑地球自转，万有引力等于重力。2.随着纬度而升高，重力加速度逐渐增大。（三）万有引力定律的应用设置几个问题，在具体情境下引导学生思维，要求学生画出草图，确定研究对象，建立模型，规范解题

6、。问题1：现有下列器材：测力计、天平。请设计称量地球质量的实验方案。（地球半径已知）问题2：在高山上的重力加速度和地球表面一样吗？距离地面高为h的地方重力加速度g'是多少呢？问题3：在不同星体表面，重力加速度是否相等？问题4：地球的质量你能测出来，那么太阳的质量你能用同样的方法测出来吗？问题5：用问题4的方法能否测出地球的质量？问题6：知道环绕体的线速度v、轨道半径r，能不能求出中心天体的质量？问题7：如何求出月球及其它行星的质量？求中心天体质量的解题思路万有引力提供向心力：r与T是一一对应的关系。用测定环绕天体（如卫星）的轨道和周期方法测量天体的质量，不能测

7、定环绕天体的质量，只能求中心天体的质量。重力近似等于万有引力：r与g是一一对应的关系。（2）G=F，随着高度的增加，重力加速度逐渐减小。三、宇宙速度（一）引入宇宙速度的概念站在高山上，水平抛出一个物体，当速度逐渐增大，结合动画，模拟物体运动的轨迹，并用学过的知识解释：物体抛出时，加速度一样大，速度越大飞的越远。由此得出三个宇宙速度。物体抛出时的速度v运动情况v﹤7.9km/s 物体落回地面v=7.9km/s 物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动7.9km/s﹤v﹤11.2km/s 物体绕地球运转，运动轨迹是椭圆。11.2km/s≦v﹤16.7km/s 物体绕太阳

8、运动16.7km/s≦v 物体飞出太阳