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校本课程《电影中的物理知识》
课时二：《地心引力》第二课时
一、教学目标：1. 理解万有引力并能够应用万有引力定律进行计算。
2、 小组合作探究电影中不合理的地方。
3、了解核反应
二、教学重难点:万有引力的应用
三、教学方法：
讲授法、合作探究法
教具：
多媒体
授课过程：
【一】新课引入：观看电影，思考问题
【二】新课教学
宇宙是真空的环境，为何太阳能燃烧？
我们生活在宇宙中，每天都被阳光给叫醒，然后再开始新的一天，周而复始的一直这么下去，这功劳完全是太阳的，那么太阳是怎么做到无时无刻都在燃烧的呢？而且还可以燃烧这么长的时间，至少在地球出现之前，太阳就已经存在于太阳系中了，也正是因为太阳的存在，才组成了太阳系这种环境！
从前人类的科学还比较落后的时候，西方的科学家就已经开始在探讨太阳是怎么燃烧的了，一开始，人们认为太阳是一个有着巨大能量的火球，不知道是从什么时候被点燃的，但是等到燃料用完了之后，太阳就会停止燃烧了，不过如果真的是这样的话，太阳早就已经将燃料给用完了，不可能几亿年甚至几十亿年的时间还在给太阳源源不断的提供光和热，20世纪的时候，一些伟大的科学家的出现才让人类对于地球和宇宙环境有了一个初步的了解，那就是太阳，并非是一个燃烧物，甚至可以这么说，太阳从始至终就从来没有燃烧过！一切都是假象！
因为我们的宇宙是真空的环境，那也就是说宇宙中不存在氧气，可是没有氧气的话，即使宇宙中有非常多的燃烧物，并且已经达到了燃烧的点，可是还是燃烧不了的，这种物理现象能够在地球上发生，那么这种原理同样也是适用于宇宙中的，这也就说明太阳其实从来都是发光发热，但并没有燃烧过！
物体能够产生明亮的光和热，就会给人一种错觉，是物体被燃烧了，但其实能够产生这种现象的也并非只有屋里物理现象，比如核聚变反应就可以产生剧烈的光和热，太阳的燃烧这是一种化学反应，而这种化学反应主要依靠的就是太阳的氢原子，假如有一天太阳的氢原子全部都消失了，或者已经全部被反应完了，可能到那个时候，太阳才会停止发光发热，逐渐变成一颗红矮星，也许它会吞噬地球，也有可能在那之前，地球就已经成为一颗死寂的星球了，不过人类应该在那之前就已经找到另外一个家了！
二、万有引力定律内容
万有引力定律是艾萨克·牛顿在1687年于《自然哲学的数学原理》上发表的。牛顿的普适的万有引力定律表示如下：
任意两个质点有通过连心线方向上的力相互吸引。该引力大小与它们质量的乘积成正比与它们距离的平方成反比，与两物体的化学组成和其间介质种类无关。
【1】万有引力定律是怎么样发现的
万有引力定律的发现是近代经典物理学发展的必然结果。科学史上普遍认为，这一成果应该归功于伟大的牛顿。但是，其他杰出的科学家如胡克、哈雷等在这一方面也做出了非常重要的贡献。
万有引力定律的发现是近代经典物理学发展的必然结果。科学史上普遍认为，这一成果应该归功于伟大的牛顿。但是，其他杰出的科学家如胡克、哈雷等在这一方面也做出了非常重要的贡献。但与牛顿相比，他们的观点和研究方法总是存在着这样或那样的缺陷，最终与跨时代的科学发现失之交臂。
早在1661年，罗伯特·胡克就已觉察到引力和地球上物体的重力有同样的本质。1662年和1666年，他曾在山顶上和矿井下用测定摆的周期的方法做实验，企图找出物体的重量随离地心距离而变化的关系，但没有得出结果，在1674年的一次演讲“证明地球周年运动的尝试”中，他提出要在一致的力学原则的基础上建立一个宇宙学说，为此提出了以下三个假设：
第一，据我们在地球上的观察可知，一切天体都具有倾向其中心的吸引力，它不仅吸引其本身各部分，并且还吸引其作用范围内的其他天体。因此，不仅太阳和月 亮对地球的形状和运动发生影响，而且地球对太阳和月亮同样也有影响，连水星、金星、火星和木星对地球的运动都有影响。第二，凡是正在做简单直线运动的任何 天体，在没有受到其他作用力使其沿着椭圆轨道、圆周或复杂的曲线运动之前，它将继续保持直线运动不变。第三，受到吸引力作用的物体，越靠近吸引中心，其受 到的吸引力也越大。至于此力在什么程度上依赖于距离的问题，在实验中我还未解决。一旦知道了这一关系，天文学家就很容易解决天体运动的规律了。
胡克首先使用了“万有引力”这个词。他在这里提出的这三条假设，实际上已包含了有关万有引力的一切问题，所缺乏的只是定量的表述和论证。但是，胡克本人缺乏深厚的数学基础和敏捷的逻辑思维能力。他错误地认为，目前需要的是更加准确的实验数据，而没有想到精确的测量结果已经包含在开普勒的实验记录中了。
1680年1月6日，胡克在给牛顿的一封信中，提出了引力反比于距离的平方的猜测，并问道，如果是这样，行星的轨道将是什么形状。1684年，在胡克和爱德蒙·哈雷、克里斯多夫·伦恩等人的一次聚会中，又提出了推动这一研究的问题。伦恩拿出了一笔奖金，条件是要在两个月内完成这样的证明：从平方反比关系得到椭圆轨道的结果。胡克声言他已完成了这一证明，但他要等待别人的努力都失败后才肯把自己的证明公布出来。哈雷经过反复思考，最后于1684年8月专程到剑桥大学向当时已有些名望的牛顿求教。牛顿说他早已完成了这一证明，但当时没有找到这份手稿；在1684年底牛顿把重新作出的证明寄给了哈雷。在哈雷的热情劝告和资助下，1687年，牛顿出版了他的名著《自然哲学的数学原理》，公布了他的研究成果。
从《自然哲学的数学原理》中可以看出，牛顿首先是从猜测和直觉开始他关于引力的思考的。他看到，在地面上很高的地方，重力并没有明显的减弱，那么它是否也可以到达月球呢？如果月球也受到重力的作用，就可能是这个原因使它保持着绕地球的轨道运动。
牛顿指出，月球可以由于重力或者其他力的作用，使它偏离直线运动而偏向地球，形成绕转运动，“如果没有这样一种力的作用，月球就不能保持在它的轨道上运行。”但是，迫使月球做轨道运动的向心力与地面上物体所受的重力到底是否有同一本质呢？
在《自然哲学的数学原理》中，牛顿提出了一个思想实验：
设想有一个小月球很靠近地球，以至几乎触及到地球上最高山峰的山顶，那么使它保持轨道运动的向心力当然就等于它在山顶处所受的重力。这时如果小月球突然 失去了运动，它就如同山顶处的物体一样以相同的速度下落。如果它所受的向心力并不是重力，那么它将在这两种力的作用下以更大的速度下落，这是与我们的经验 不符的。可见重物的重力和月球的向心力，必然是出于同一个原因。因此使月球保持在其轨道上的力就是我们通常称为重力的那个力。
进一步深入，牛顿根据惠更斯的向心力公式和开普勒的三个定律推导了平方反比关系。牛顿还反过来证明了，如果物体所受的力指向一点而且遵从平方反比关系，则物体的轨道是圆锥曲线——椭圆，抛物线或双曲线，这就推广了开普勒的结论。在《自然哲学的数学原理》中牛顿同磁力作用相类比，得出这些指向物体的力应与这些物体的性质和量有关，从而把质量引进了万有引力定律。牛顿把他在月球方面得到的结果推广到行星的运动上去，并进一步得出所有物体之间万有引力都在起作用的结论。这个引力与相互吸引的物体的质量成正比，与它们之间的距离的平方成反比。牛顿根据这个定律建立了天体力学的严密的数学理论，从而把天体的运动纳入到根据地面上的实验得出的力学原理之中。
【2】适用范围
经典万有引力定律反映了一定历史阶段人类对引力的认识，在十九世纪末发现，水星在近日点的移动速度比理论值大，即发现水星轨道有旋紧，轨道旋紧的快慢的实际值为每世纪42.9″。这种现象用万有引力定律无法解释，而根据广义相对论计算的结果旋紧是每世纪43.0″，在观测误差允许的范围内。此外，广义相对论还能较好地解释谱线的红移和光线在太阳引力作用下的偏转等现象。这表明广义相对论的引力理论比经典的引力理论进了一步。
在法拉第和麦克斯韦之后，人们看到物理的实在除了粒子还有电磁场。电磁场具有动量和能量且能传播电磁波。这使人们联想万有引力定律也是物理的实在，能传播引力波，也有许多人努力探测它，但尚无很好的结果。电磁波的传播可用光子解释，类似地，光子也导致引力子概念的引出。万有引力也不再是超距作用，而以引力子为媒介。但这些都是物理学家正在探索的领域。
【3】引力常量
牛顿在推出万有引力定律时，没能得出引力常量G的具体值。G的数值于1789年由卡文迪许利用他所发明的扭秤得出。卡文迪许的扭秤试验，不仅以实践证明了万有引力定律，同时也让此定律有了更广泛的使用价值。
扭秤的基本原理是在一根刚性杆的两端连结相距一定高度的两个相同质量的重物，通过秤杆的中心用一扭丝悬挂起来。秤杆可以绕扭丝自由转动，当重力场不均匀时，两个质量所受的重力不平行。这个方向上的微小差别在两个质量上引起小的水平分力，并产生一个力矩使悬挂系统绕扭丝转动，直到与扭丝的扭矩平衡为止。扭丝上的小镜将光线反射到记录相板上。当扭丝转动时，光线在相板上移动的距离标志着扭转角的大小。平衡位置与扭秤常数和重力位二次导数有关。在一个测点上至少观测3个方位，确定4个二次导数值，测量精度一般达几厄缶。
根据扭力系统的构造形状，分为z型、L型和斜臂式扭秤。z型扭秤由一个轻金属制成的z型秤臂、两个质量相等的重荷和一根细金属丝组成的。两个重荷分别固定在z型秤臂的两端。细金属丝将整个系统悬挂起来，组成一套扭力系统。由于两个重荷处于不同的位置，所以，当通过两个重荷的重力等位面Q 和Q 。互不平行或弯曲时，两个重荷将受到重力场水平分量的作用。当重力场水平分量gH 和gH 的大小和方向不同时，秆臂就要绕着扭丝转动，直到水平旋转的重力矩和扭丝的扭力矩相平衡为止。秤臂偏转的角度除和扭力系统的构造和扭丝的扭力系数有关外，还和两个重荷间的重力变化有关。因此，准确记录扭力系统的偏角，就可以求出重力位的二次导数。由于扭力系统的灵敏度很高，秤臂稳定下来的时间较长。同时还需要在3～5个方向上照相记录，所以，仪器附有自动控制系统，并安放在特制的小房里工作。仪器的操作和测量结果的计算都比较烦琐，每测—个点需要2～3小时，工件效率较低。
扭秤的测量结果用矢量图表示，用一短线表示曲率，矢量方向相应于最小曲率平面的方位，矢量长度表示等位面曲率差大小 。在短线中心以箭头画出总梯度，指向重力增加的方向。
扭秤的灵敏度很高并可测多个参数，但是也有其不足之处。由于具有极高的灵敏度，对于测试环境的要求也很高，易受外界干扰，包括温度、地面震动、大气压强波动、扭丝的滞弹性效应等。因此对于精度要求不高的重力测量工作，一般都是重力仪去完成。但是对于高精度的测量，如引力物理方面的测量，以及高精度仪器的验证以及标定，都需要利用扭秤来完成。因此即便是如今，扭秤在实验物理领域也有着相当重要的地位。
卡文迪许测出的G=6.67×10 N·m /kg ，与现在的公认值6.67×10 N·m /kg 极为接近；直到1969年G的测量精度还保持在卡文迪许的水平上。 [3]
【4】科学意义
万有引力定律的发现，是17世纪自然科学最伟大的成果之一。它把地面上物体运动的规律和天体运动的规律统一了起来，对以后物理学和天文学的发展具有深远的影响。它第一次解释了（自然界中四种相互作用之一）一种基本相互作用的规律，在人类认识自然的历史上树立了一座里程碑。
万有引力定律揭示了天体运动的规律，在天文学上和宇宙航行计算方面有着广泛的应用。它为实际的天文观测提供了一套计算方法，可以只凭少数观测资料，就能算出长周期运行的天体运动轨道，科学史上哈雷彗星、海王星、冥王星的发现，都是应用万有引力定律取得重大成就的例子。利用万有引力公式，开普勒第三定律等还可以计算太阳、地球等无法直接测量的天体的质量。牛顿还解释了月亮和太阳的万有引力引起的潮汐现象。他依据万有引力定律和其他力学定律，对地球两极呈扁平形状的原因和地轴复杂的运动，也成功的做了说明。推翻了古代人类认为的神之引力。
对文化发展有重大意义：使人们建立了有能力理解天地间的各种事物的信心，解放了人们的思想，在科学文化的发展史上起了积极的推动作用。
二、宇航员对《地心引力》的影评
学生讨论电影中印象深刻的部分，教师就其合理性给以解释。结合宇航员的影评更具说服力。“实际上，在太空中你大多数时候看到的都是一片海洋，没有陆地这部影片在捕捉太空行走的细节方面做得非常到位——远远胜过此前的任何科幻电影。作为一名有过三次太空行走经历的宇航员，我可以告诉你，电影中的表现非常靠谱。隔在你跟地球之间的只有你头盔上的玻璃，这种视觉震撼也被恰到好处地捕获到了（虽然影片里的地球要比真正能看到的地球更加清晰生动。而且，片中总可以看到一块趣味横生的陆地，而实际上，你大多数时候看到的都是一片稍显乏味的海洋）。另外，电影中太空行走时的运动和体态都呈现得非常准确。在真空环境中触发某种运动极为容易，但要停止它非常之难，这些在很多场景中都得到到了精准的体现。「地心引力」把很多细节都做对了，想想真不可思议。桑德拉·布洛克所饰演的角色在关闭通向联盟号（Soyuz）的氧气流时，她所关闭的两个阀门是完全正确的。当她想指挥轨道机动发动机CKD时，她按下的按钮也完全正确，而且按钮上的标注也是对的。联盟号和国际空间站的内部也非常贴近现实，虽然各个不同模块的位置不太对。”
大陆版被删画面：一个宇航员的脸被轨道碎片从正面击穿。但这也不现实，轨道碎片的动能极大，是一股惊人的能量，通过撞击会转换成热，当它接触宇航服内的纯氧环境后，其实会发生燃烧，宇航员会浑身冒火，宇航服里面的易燃物会很快烧光
太空碎片的危险性是切实存在的。在我进行第一次太空行走期间，我的搭档里克（Rick）需要将空间站外的一个手柄取回。结果拿到里面一看，上面有一个直径约1mm的洞，一块太空碎片穿透了这块半英寸厚的实心铝材料，看上去就像有人拿一根鸡尾酒吸管给这块金属戳了个洞。他看着我说，“如果那东西击中我们中的一个……”这个句子没有必要说完，因为这种事情应该是当场致命的。但我还是指出，鉴于他高188而我高165，所以击中他的概率要大一点。矛盾的是，正因为这部影片搞对了那么多细节，才导致少数几个毗漏显得尤其让人不自在。
只是轻轻的拉一下，他（克鲁尼）就可以飞向空间站，根本不会有持续的引力继续把他拖走片中确实存在违反物理定律的大问题，以及一些不符合宇航员一般行为操作的小问题。最大的毗漏是，在现实中，你根本无法如此轻易地从一个太空飞船或空间站跳到另一个上面。改变轨道需要耗费巨大的精力并经过精心的策划。哥伦比亚号的悲剧就是明证。就算有机载计算机、满舱的推进剂还有数百名地面人员的支持，哥伦比亚号的机组成员仍然没能安全抵达国际空间站。你环顾四周，看到一艘太空飞船，然后用带着一个软着陆喷射器和灭火器向那个大致的方向飞去就能抵达？这是不可能的。
另一个重大毗漏是——克鲁尼绝对没有理由牺牲自己！一旦被桑德拉抓住，他只会漂在那里。轻轻一拉他的系绳，就可以让他回到空间站。拿我妻子的话来说就是，如果你抓住了乔治·克鲁尼还放手，那你就是个傻瓜。插播一句，关于这个bug的设计，有《果壳网》网友给出建议，“克鲁尼牺牲那段确实是败笔…他们两个被拉住的时候，其实已经相对国际空间站静止了，完全没必要松手…不如设计成两个人经过一翻折腾之后，还是没有勾住空间站，而是在慢慢飘离。这个时候，两个人必须相对推一把，一个人把另一个人推回去。这种牺牲就更伟大了……。”——只能说，神建议。
以克鲁尼从她身边摔过的速度，桑德拉根本就不可能抓住他。他本身就重几百磅，还要加上太空服的几百磅。设想你躺在冰面上，这时有一个500磅的重物从面前飞过，然后你试图抓住这个重物上系着的一根绳子，同时还戴着一副来自中世纪铠甲上的手套——没那么容易的。
真正的宇航员会在宇航服内穿上一种液体冷却服或类似成长裤的内衣，根本不可能打扮成内衣模特另外，片中宇航员的太空服底下似乎都没穿纸尿裤或冷却服，那克鲁尼又怎能指望打破阿纳托利·索洛维约夫（Anatoly Solovyev）的太空行走记录呢？。
我还可以继续挑错：假如你把我放进一艘中国的太空飞船，我是完全无法开着它回家的。一个身穿喷气包在哈勃望远镜周围飘荡的宇航员就不用想什么回家的问题了。而在低地轨道的碎片场永远都不可能撞上位于同步轨道的通信卫星。
真实太空中哈勃太空望远镜和国际空间站处在不同特定轨道，仅靠喷气背包或着陆减速火箭一次盲目的点火，无法完成这样的轨道转移。
四、万有引力习题
1．下列有关物理学史的说法正确的是 （ ）
A．伽利略最早提出了“日心说”
B．第谷发现行星的运行轨道是椭圆
C．开普勒发现了万有引力定律
D．卡文迪许第一次测出了引力常量
2．两个质量均匀的球体相距较远的距离r，它们之间的万有引力为10﹣8N．若它们的质量、距离都增加为原来的2倍，则它们间的万有引力为（ ）
A．4×10﹣8N B．10﹣8N C．2×10﹣8N D．10﹣4N

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