资源简介 校本课程《电影中的物理知识》课时三:《地心引力》第三课时一、教学目标:1、结合万有引力理解完全失重现象2、能利用万有引力定律测量星球的质量二、教学重难点:1、完全失重的理解2、万有引力的应用三、教学方法:讲授法四、教具:多媒体五、授课过程:【一】新课引入:电影介绍【二】新课教学:观看电影,回顾上两节课学习的内容。一、思考:为什么宇航员在太空中会处于漂浮的状态?学生回答:宇航员处于完全失重状态。小组讨论:完全失重是重力消失了吗?如果不是那么为什么与重力有关的现象会消失呢?教师总结:【1】失重并不是失去重量了,物体对支持物的压力小于物体所受重力的现象. 完全失重状态并不是物体失去了重量,而是外界物体对物体的支持力为零,并且不仅在太空中,在某些特殊状况下如:加速度向下的物体中也可以。拿起一个装满水的杯子,将杯口朝下,水却不流出来;突然一松手,杯子并没有往下掉,而是稳稳的停在半空中……影片《卧虎藏龙》中大侠们“腾云驾雾,飞檐走壁”的绝技在太空飞行中可是易如反掌,你只要轻轻一点脚,人就会腾空而起,在空中自由的飞来飞去,本领之大,超过人们的想象。以上种种的现象就是人们通常所说的失重,它的机理是什么呢?原来,当一切物体在进行航天飞行时,它们的重量都不见了,这种现象称为“失重”。首先应该指出的是,“失重”是指物体失去重量,而不是失去重力。重量是物体对其周围相接触的物体或介质所表现出来的作用力;重力则是地球(或其他天体)对物体的万有引力。重量与重力(引力)有联系,又有区别。重量消失(等于零),不等于重力或引力消失(等于零)。我们可以说,失重就是零重量。【2】特征完全失重物体有什么特征呢?判断物体是否完全失重一个最重要的标志是,物体内部各部分、各质点之间没有相互作用力,即没有拉、压、剪切等任何应力。平衡力是我们最常见的物体的一种运动状态。但是,力的平衡与失重完全是两回事。例如,人站在地上,坐在椅子上,躺在床上,乘坐飞机等速飞行等,都是处于力的平衡状态,但并不失重。因为在这些情况下,人体内部各部分之间都存在相互的作用力。真正的失重模拟,应使人体各部分特别是体内器官、内脏之间互相作用力消失。在这种情况下,人的前庭器官中的耳石由于失重,不再与周围的神经细胞接触而向中枢神经传输信号,从而丧失定向功能。前庭器官与人体主管呼吸、消化、循环、排泄、发汗等功能的植物神经系统有密切关系。所以,一旦前庭器官不起作用,身体内脏之间正常的相互作用消失,就会引起航天飞行员产生头晕、恶心、呕吐等症状。【3】分析完全失重的定量分析:当a=g时,支持力为N,由牛顿第二定律知:mg-N=ma=mg所以N=0由牛顿第三定律可知,物体对支持物的压力为0完全失重是物体的视重为零。也就是说,在物体自由落体的时候,如果你去称它的重量的话是0。即是,视重为0,其原因也是物体具有向下的加速度,而且其全部重力都作用于物体向下的加速度,卫星中的物体与卫星做同样的圆周运动使重力(万有引力)变为向心力,这时,物体和卫星中就好像没有重力一样(实际上重力还在),不需要支持物提供支持力就可以相对卫星。重力物体由于地球的吸引而受到的力叫重力。重力的施力物体是地心。重力的方向总是竖直向下。物体受到的重力的大小跟物体的质量成正比,计算公式是:G=mg,g为比例系数,重力大小约为9.8N/kg,重力随着纬度大小改变而改变,表示质量为1kg的物体受到的重力为9.8N。重力作用在物体上的作用点叫重心。这个概念只适用于地面附近。研究高空乃至地球以外的太空中物体的重力,那该怎么办?重力概念需要提升、拓广和加深,这值得认真研究。要科学地研究重力,首先要明确重力的研究环境即:研究范围和参照系。为什么还用参照系?因为重力概念中隐藏着运动学的加速度!这是提升重力概念时被挖掘出来的“神秘”之处。约定研究重力要在静力学范围内,要以放置物体的支持物或物体自身为非惯性系。弹力、摩擦力、电场力等只作用在物体的局部,不能使物体获得重量。能使物体获得重量的力不只是万有引力,还有惯性。因为它们都是同时作用在物体的每一个质元上。所以重力的概念被提升为:能使物体获得重量的万有引力和惯性的共同作用叫重力。这是提升后重力概念的深邃之处。同一物体所受重力在不同情况下可以变化,大于正常值时称作超重,小于正常值时称作失重。这是重力概念提升后的明显改观。此时重力概念的适用范围远远地扩大,它适用于宇宙中的任何天体、人造天体和飞行器,当然包括地球。三、宇宙飞船失重再一个问题是解释宇宙飞船失重的观点:在地面附近圆周轨道上运行的宇宙飞船,设它的线速度为υ “它的轨道半径近似等于地球半径R,航天员受到的地球引力近似等于他在地面测得的体重mg …… 还可能受到飞船座舱对他的支持力FN。引力与支持力为他提供了绕地球做匀速圆周运动所需要的向心力”。通过分析,列方程式并解出,“当时座舱对航天员的支持力FN=0,航天员处于失重状态”。 [3] 需要思考下面的问题:①为了得出FN=0这个精确(理想化)的等式,卫星轨道半径的值却近似地取了地球半径的值R,地球引力值也近似地取了地面上体重的值mg。做纯粹的理论推导的过程是不能像做近似计算那样取许多近似值。②在这个观点中,只用在地面附近轨道上运行的宇宙飞船说问题,没有用任意轨道上的航天器说问题,也没进行拓展,所以没有广泛的意义。说明不了任意轨道上的航天器都会有失重现象发生。③在观点中,通过近似推导,得出结论 “当时座舱对航天员的支持力FN=0,航天员处于失重状态”。这里的“当”基本上是“条件”的意思。可是,只要是在地面附近的轨道上正常运行的航天器,失重现象就会无条件地发生!④当等式不成立时就有FN≠0,航天员就不会失重吗?不是,可是观点中说的很像“是”。实际上,即使此宇宙飞船的线速度发生改变,不再是,航天器也只会改变轨道,而失重现象必定存在着,除非开启发动机或掉到地面或其他星球上。四、失重环境还有一个问题是,认为存在着“完全失重的环境”的观点:“绕地球做匀速圆周运动的宇宙飞船”内“航天员处于失重状态。”“其实任何关闭了发动机,又不受阻力的飞行器的内部,都是一个完全失重的环境。例如向空中任何方向抛出的容器,其中的所有物体都处于失重状态。” [3] 在非惯性参照系下,物体完全失重的现象的本质,是物体所受万有引力和与这个万有引力产生的加速度对应的惯性力相互抵消,重力变为零,所以完全失重。物体一旦完全失重就与物体周围的空间环境没有任何关系,与“完全失重的环境”无关。举例说明:①假设宇宙飞船或抛出的容器能像贝壳一样打开了,物体已经不在原来的“完全失重的环境”,可是物体的运动规律没有任何变化,不是仍然处于完全失重状态吗?② 在轨道上,让大卫星在不接触小卫星的情况下把小卫星装进大卫星。这样小卫星处在“完全失重的环境”,按上述观点说小卫星完全失重。可是小卫星进入大卫星前后的运行姿态并没有改变,所以小卫星在单独运行时虽然没有处在“完全失重的环境”,但是已经处在完全失重状态。用上述“装入方”也能证明抛体自身一定处在完全失重的状态。③ 在半空中一只长管上端的外部,用悬绳把一物体系入管内,悬绳另一端固定。然后使长管自由落下,此时管内是个“完全失重的环境”,但物体被固定着,它虽然处在“完全失重的环境”内,却没有失重。④ 从放在地面上的长管上端,滴入一滴水使其自由下落,水滴呈球形,因为它处在完全失重状态。但是水滴经过的地方不是“完全失重的环境”。实际上宇宙飞船自身或抛出的容器自身也必然处在完全失重状态。因为它们所受的万有引力与对应的惯性力也相互抵消,重力也是零,当然失重。所以说,“完全失重的环境”没有存在的意义。失重现象同时发生在物体的每一个质元上,是物体自身的事情,与所处的空间无关。五、习题处理1.已知某星球半径为R,若宇航员随登陆舱登陆该星球后,在此星球表面某处以速度v0竖直向上抛出一个小球,小球能上升的最大高度为H(H<<R),(不考虑星球自转的影响,引力常量为G).(1)该星球的质量为多少?(2)在登陆前,宇宙飞船绕该星球做匀速圆周运动,运行轨道距离星球表面高度为h,求卫星的运行周期T. 展开更多...... 收起↑ 资源预览