教學基本信息
課題
萬有引力與宇宙航行復習
學科
物理
學段: 高一第三學段
年級
高一
教材
書名: 普通高中教科書《物理》必修第二冊
出版社:人民教育出版社 出版日期: 2019年 7 月
教學目標及教學重點、難點
【教學目標】
整體回顧萬有引力定律形成過程
落實自轉情境中的重力、公轉情境中的向心力
落實牛頓第二定律在本章的綜合應用
【難點】1.重力的概念及相關拓展
2.雙星問題
3.衛(wèi)星變軌問題
【重點】自轉情境、公轉情境的基本規(guī)律
教學過程(表格描述)
教學環(huán)節(jié)
主要教學活動
設置意圖
環(huán)節(jié)一 回顧科學歷程
環(huán)節(jié)二:兩個情境
環(huán)節(jié)三:拓展學習
環(huán)節(jié)四:總結
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同學們,大家好,我是北京市第十四中學的李老師。本節(jié)課,我們來復習必修二第七章,萬有引力與宇宙航行。
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伴隨著生產力的發(fā)展,人類對自然的探索,從腳下的地球,轉向神秘的天空。回顧引力定律的形成歷史,可謂群星璀璨:
托勒密的地心說,哥白尼的日心說,第谷的天才觀測,開普勒為天空立法,笛卡爾的數(shù)學演繹,伽利略的運動基本概念,惠更斯的向心力公式,胡克的引力與距離平方成反比,在不斷發(fā)展的理論呼喚下,牛頓,發(fā)出時代最強音,用萬有引力定律揭秘宇宙、統(tǒng)一天地萬物。哈雷彗星的按時回歸,卡文迪什測出引力常數(shù),都為萬有引力定律提供了直接證據(jù)。
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首先,我們對這段科學歷程進行整體回顧。
1665年倫敦發(fā)生鼠疫,學校停課,23歲的大學生牛頓有了更多的思考,發(fā)展了前人對行星運動的研究成果,結合牛頓運動定律,通過演繹推理,得出太陽和行星之間的引力公式。通過月地檢驗,逐步將引力公式推廣為萬有引力定律。
卡文迪什測定引力常數(shù),給定律提供了最直接的證據(jù),也賦予定律實用價值。
定律在天文學上的成就:稱量地球質量、計算中心天體質量、牛頓的小迷弟哈雷,利用定律準確預測了彗星的回歸周期、先計算后觀察發(fā)現(xiàn)了海王星,它因此被稱為筆尖下發(fā)現(xiàn)的行星。在定律的指引下,科學家提出宇宙速度的概念,人類開始探秘宇宙,發(fā)射人造衛(wèi)星、在人航天器。下面我們來回顧幾個重要環(huán)節(jié):
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1.繼承、發(fā)展
牛頓曾說過,如果說我所看的比笛卡爾更遠一點,那是因為站在巨人肩上的緣故
牛頓的成就可以說是集前人之大成,他在伽利略、開普勒、惠更斯、胡克等人的工作基礎上,將表面看來“互不聯(lián)系”的力學知識,用數(shù)學演繹把它們統(tǒng)一起來,揭示了天地萬物之間的引力定律,最終建立了牛頓力學。
下面我們回顧一下開普勒三定律!
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望遠鏡問世之前最優(yōu)秀的觀測家第谷,他畢生追求實測數(shù)據(jù)的精密性,堅持肉眼觀測行星運動20年。第谷去世后,在他的觀測資料基礎上,開普勒用自己的數(shù)學天賦,又研究了20年,提煉出描述行星運動的三定律
第一定律:行星軌道不是完美的圓而是橢圓,太陽在橢圓的一個焦點上。軌道橢圓非常接近圓,中學階段一般按行星繞太陽做勻速圓周運動處理。第二定律:行星與太陽的連線,在相等時間內掃過的面積相等。即行星離太陽越遠,速度越小。第三定律:所有行星的軌道半長軸的三次方跟它公轉周期的二次方的比都相等,即a的3次方比T的平方等于k。
開普勒回答了行星怎樣運動,被稱為天空立法者,牛頓,則回答了行星為什么這樣運動。
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2.推理論證:牛頓演繹推理太陽和行星間的引力
太陽對行星的引力提供行星的向心力,F(xiàn)等于mr乘括號2π比T的平方開普勒第三定律r的三次方比T的的平方等于k,聯(lián)立方程約去T得到F等于4π的平方k乘m比r的平方,即F與行星的質量成正比,與行星到太陽距離的平方成反比
太陽和行星互相吸引,地位相當,所以行星對太陽的引力與太陽的質量成正比,與行星到太陽的距離的平方成反比
根據(jù)牛頓第三定律,F(xiàn)=F′,綜合可得,太陽和行星間的引力與太陽和行星的質量乘積成正比,與行星到太陽的距離的平方成反比。寫成等式就是F等于G大Mm比r的平方。
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2.推理論證:深入思考后,牛頓還進行了著名的月地檢驗!
假設地球對月球的引力等于月球的向心力;則a月等于GM地比r的平方假設地球對蘋果的引力等于蘋果的重力,則g等于GM地比R的平方;4式比2式得g比a月等于r的平方比大R的平方!這樣化簡后,只要驗證5式成立,則假設的1式、3式成立!牛頓的時代已經(jīng)比較精確的測定重力加速度、地球半徑、月地距離、月球公轉的周期,帶入后計算結果符合預期。同學們,課后 大家一定要拿起筆和計算器,親自體驗這一偉大的驗證!
月地檢驗的成功,表明建立在行星運動基礎上的引力公式,適用于月球和地球、地球和樹上的蘋果!牛頓進一步提出:自然界中任何兩個物體都相互吸引,引力的方向在它們的連線上,引力的大小與物體的質量的乘積成正比、與它們之間距離的平方成反比,即F等于Gm1m2比r的平方。
牛頓沒能測得引力常數(shù),不能算出引力大小,一百多年后,卡文迪什用扭秤裝置測出引力常數(shù)G等于六點六七乘十的負十一次方牛頓米的平方每千克的平方,G是如此之小,注定萬有引力具有宏觀性,通常情況下,萬有引力非常小,只有在巨大的天體間,或天體與物體間,它的存在才有實際意義。
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二、兩個基本情境
無論是牛頓的月地檢驗,還是后續(xù)探秘宇宙,都涉及到兩個基本情境:1物體隨地球自轉;2物體繞中心天體公轉,包括行星繞恒星,衛(wèi)星或航天器繞行星;下面來具體分析
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(一)自轉 1.地面參考系-重力
如圖,物體靜止在光滑水平地面,此時物體受重力和水平地面對物體的支持力。根據(jù)二力平衡,在地表測得的重力G等于N
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2.地心參考系-向心力
在地面參考系靜止的物體,以地心為參考系,物體隨地球自轉做勻速圓周運動。這時物體受到支持力和引力(注意不是重力是引力)
根據(jù)牛頓第二定律,引力和支持力的合力等于向心力,指向地軸。軌道半徑等于物體到地軸的距離,越靠近兩極,軌道半徑越小,向心力也越小。在兩極r等于0,向心力等于0;在赤道,r等于大R,向心力最大,等于mω的平方乘R。
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3.兩極處的重力:
在地心參考系,物體做勻速圓周運動,支持力和引力的合力等于向心力,兩極自轉半徑等于0,支持力等于引力。
在地面參考系,物體靜止,測出的重力G等于N,綜上可得,兩極處的重力等于引力,方向指向地心。
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4.赤道處的重力
在地心參考系物體受力如圖,引力減支持力等于向心力。赤道處自轉半徑最大,則N等于引力減最大向心力。
在地面參考系,重力等于支持力,赤道處重力等于引力減最大向心力。接下來,我們算算最大向心力有多大
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以1千克的物體為例:將地球半徑和自轉周期帶入,物體隨地球自轉的向心力,最大約為0.034牛,帶入引力常數(shù)、地球質量、地球半徑,物體受到的引力約為9.8牛。赤道處,向心力最大約占引力的千分之三點四。
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向心力相對于引力可忽略,赤道處,重力非常接近引力,方向指向地心。
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5.一般位置的重力
在地心參考系,引力與支持力合成向心力,如圖做出平行四邊形,引力指向地心,向心力指向地軸,支持力與引力不在一條直線上。
在地面參考系,重力與支持力等大反向,做出重力如圖。一般位置隨地球自轉的向心力小于引力的千分之三點四。向心力可忽略,重力非常接近于引力。
重力方向叫豎直向下,一般并不指向地心。我們在地面測出來的重力,是地球對物體的引力在地表引發(fā)的可感知、可測量的效果力!
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6.地表的重力加速度,根據(jù)重力的大小,可得重力加速度的大小。
地球是個鴨蛋形,赤道半徑比兩極半徑略大,同一物體在赤道上受到的引力最小,但需要的向心力最大,可見,赤道處的重力加速度g最小,兩極g最大,越靠近兩極g越大。山頂離地心的距離比山腳略遠,所以山頂?shù)闹亓铀俣纫脖壬侥_略小。
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從實測數(shù)據(jù)看,重力加速度,在赤道最小,等于9點七八零,在北極最大,等于九點八三二,g隨緯度升高而增大,但差別非常小。
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7.重力的應用,如圖,重力方向豎直向下,一般略微偏離地心,但最多不超過0.1°,水平面與豎直面垂直,一般也略微偏離地球的切面,這就是說,建筑物的地基必須定位在水平面上,如果定位在地球的切面上,實際上是建在斜坡上,影響安全。
物體實際受到的引力,引發(fā)了效果力-重力,地球自轉太慢,可以忽略自轉影響,重力等于地球對物體的引力。在月地檢驗中,地表的重力加速度g等于GM比R的平方稱量地球的質量M等于gR的平方比大G,都是由此得來的。
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8.假如地球轉動變快:
如果地球的轉動變快,根據(jù)方程1,兩極重力不受影響,根據(jù)方程2,赤道處向心力增加,重力減小,除兩極外,其它地區(qū)的重力也會不同程度的變小。
如果地球的轉動很快,赤道處的物體受到的支持力等于0:物體對赤道表面壓力為零,物體處于完全失重狀態(tài),引力等于向心力,物體的受力和運動情況都與近地衛(wèi)星相同。此時順著自轉方向輕輕一推,物體就會一去不回,所以地球已經(jīng)達到了因自轉而瓦解的臨界狀態(tài)
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(二)公轉
以人造地球衛(wèi)星為例:衛(wèi)星受地球引力;衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動,根據(jù)牛頓第二定律,引力等于向心力。
將向心力展開等于ma、mv的平方比r、mω的平方乘r、mr乘括號2π比T的平方,可以推出一般衛(wèi)星的加速度、線速度、角速度、周期。
天文學上用比較容易測量的周期,來求中心天體的質量,和4式的推導方法相同。
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1.一般衛(wèi)星:引力提供向心力,軌道平面過地心,越遠的衛(wèi)星加速度越小,越遠的衛(wèi)星線速度越小,越遠的衛(wèi)星,角速度越小,越遠越慢。
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2.近地衛(wèi)星 第一宇宙速度
近地衛(wèi)星是指軌道在地表附近的衛(wèi)星,計算時軌道半徑可近似取地球半徑。
根據(jù)引力等于向心力,地表附近的引力又等于重力,展開方程可以推出近地衛(wèi)星線速度的兩個表達式v等于根號下GM比R,或v等于根號下gR。
近地衛(wèi)星的線速度是發(fā)射人造衛(wèi)星成功的最小速度,也叫第一宇宙速度或環(huán)繞速度。根據(jù)衛(wèi)星“越遠越慢”的特點,第一宇宙速度也是衛(wèi)星在圓軌道上運行的 最大速度。
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3.同步衛(wèi)星
同步衛(wèi)星又稱地球靜止軌道衛(wèi)星,是指保持與地面相對靜止的衛(wèi)星。
旗桿上的旗子,與地面保持相對靜止,隨地球自轉的軌道圓周平行于赤道平面,旗子的軌道也可能如圖2或圖3所示,所有與地球同步旋轉的物體運動軌道與赤道平面平行
衛(wèi)星的軌道圓心在地心。所以,同步衛(wèi)星的軌道只能在赤道平面內。
同步衛(wèi)星的周期確定,所以它的高度和軌道半徑也是確定的。綜上所述,同步衛(wèi)星具有在赤道平面內的唯一軌道。列出方程,利用周期,可以推出同步衛(wèi)星的半徑等于三次根號下GMT的平方比4π的平方。
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小結:自轉情境,地球自轉可忽略,重力等于引力;
公轉情境,引力等于向心力;
物體實際受到的力是地球對物體的引力;重力和向心力都是效果力;
以上情境對應規(guī)律要熟練掌握,但不需要背誦二級結論,具體問題中,我們還是從研究對象的受力和運動兩個角度出發(fā),通過牛頓第二定律建立力和運動的聯(lián)系
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2020年5月,北斗三號最后一顆組網(wǎng)衛(wèi)星,將在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射,該衛(wèi)星屬地球靜止軌道衛(wèi)星。北斗衛(wèi)星全球導航系統(tǒng)組網(wǎng)將全面建成,并提供全球服務。
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練習1月球繞地球的運動可視為勻速圓周運動,月球軌道半徑約為地球半徑R的60倍,周期約為27天。根據(jù)以上信息,用R表示出同步衛(wèi)星的軌道半徑。
月球和同步衛(wèi)星都是地球的衛(wèi)星,根據(jù)引力等于向心力可推出r和T的關系式
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這個式子告訴我們,繞同一中心天體的行星群或衛(wèi)星群,都有類似的“開普勒第三定律” :r的三次方比T的平方都是常數(shù),中心天體的質量會影響常數(shù)的大小。
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r月的3次方比T月的平方等于r同的3次方比T同的平方,將月球半徑和周期帶入可推出r同約等于六點七R,這個結果,與實際相符:同步衛(wèi)星的軌道半徑約為四萬兩千三百千米,地球平均半徑為六千三百七十八千米。
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練習2將地球視為半徑為R的球體,物體1放在赤道上隨地球自轉,物體2是一顆近地衛(wèi)星,物體3是軌道半徑為r的同步衛(wèi)星,求它們運動的向心加速度之比。
求比值類問題,我們一般先找比較對象的相同點,再找不同點。
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用綠色的圓表示同步衛(wèi)星的軌跡,黃色虛線表示自轉物體的軌跡;它們的運動周期都與地球自轉周期相等,只是半徑不同根據(jù)a等于ω的平方乘r,a1比a3等于大R比小r
右圖中綠色的圓表示同步衛(wèi)星的軌跡,黃色實線表示近地衛(wèi)星的軌跡;它們都是衛(wèi)星,只是軌道半徑不同。引力等于向心力,a等于GM比r的平方,a2比a3等于小r的平方比大R的平方。
有了加速度的比,我們還可以比較線速度和角速度,課下,大家試試吧!
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2016年9月15日,天宮二號空間實驗室在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射成功。在實驗室中一切物體都處在完全失重狀態(tài):物體將飄在空中,液滴呈絕對球形,宇航員站著睡覺和躺著睡覺感覺一樣,走路務必小心,食物要做成牙膏似的糊狀……
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練習3.若實驗室繞地球做勻速圓周運動,請你證明:人相對于實驗室靜止時,處于完全失重狀態(tài)。
以實驗室和人為研究對象,二者都繞地球做勻速圓周運動,合力等于向心力實驗室受到地球的引力等于向心力,得1式,
人,引力和支持力的合力等于向心力,帶入1式得N=0,即人處于完全失重狀態(tài)。
同理,各個器官,如大腦、心臟都處于完全失重狀態(tài)!在空間站中,宇航員長期處于失重狀態(tài),會帶來不適。
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練習4科學家設想 建造一種環(huán)形空間站,圓環(huán)繞中心勻速旋轉,宇航員在旋轉倉內可以感受到與他在地面時相同大小的支持力。已知:地表重力加速度為g,圓環(huán)半徑為r,求旋轉倉轉動的角速度大小。
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由題意研究對象為宇航員。就像月球,一邊繞地球運動,一邊與地球一起繞太陽運動,宇航員也同時參與了兩個圓周運動:
左圖中,宇航員繞地球圓周運動的向心力,由地球引力提供。
右圖中,宇航員隨旋轉倉轉動的向心力,由支持力N提供,N等于地表重力:可得ω等于根號下g比r
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三、拓展學習 本部分內容供基礎較好的同學選擇性學習。
1.雙星問題。(1)兩顆靠得很近的天體,離其他天體非常遙遠,靠相互引力一起以連線上某一點為圓心分別作圓周運動,從而保持兩者之間的距離不變,這樣的天體稱為“雙星”。若觀測到某雙星的周期為T ,間距為L。求它們的總質量。
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首先來分析雙星的受力和運動:如圖,彼此的引力提供對方的向心力。若m2繞圓心運動一段圓弧,設半徑為r2,沿著半徑方向由m1提供向心力,所以m1必然運動到圓心對面,如圖,兩顆星體的連線始終過公共圓心,任意時間內轉過的圓心角相等,所以兩顆星體的角速度相等,周期相等。二者軌跡是同心圓。
對兩個星體,引力等于向心力,注意引力公式中的引力距離是二者的間距L。根據(jù)圖景,r1+r2等于L。約去1式中的m1、2式中的m2,得方程4、5,4式5式相加,提取公因式,將3式帶入6式消除未知數(shù)r1、r2即可求解雙星的總質量!
小結:雙星的特點:引力提供彼此運動的向心力,二者繞公共圓心轉動的周期相等,二者之間的間距等于半徑之和,通過牛頓第二定律建立力和運動的聯(lián)系
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(2)若忽略其它星球的影響,將月球和地球看成雙星,求地球繞公共圓心運動的軌道半徑。已知地球和月球的質量,二者間距。
二者的向心力相等,得方程二,根據(jù)r1+r2等于L,得到r1表達式,帶入數(shù)據(jù)計算可得,r1等于514km,不到地球半徑的十二分之一,公共圓心很接近地心,一般近似認為月球繞地心做圓周運動。
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2.衛(wèi)星變軌問題
(1)如圖所示,一顆人造衛(wèi)星原來在近地圓軌道1繞地球運行,在P點變軌后進入橢圓軌道2運動。比較衛(wèi)星在軌道1和軌道2的P點的速度大小、加速度大小。
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引力提供的是實際向心力,故在軌道1和軌道2上的P點,加速度a1等于a2。
mv的平方比r是運動需要的向心力,在軌道2的P點衛(wèi)星開始遠離地心,實際提供的向心力小于運動需要的mv的平方比r時,物體將做離心運動。
在軌道2的P點,引力小于mv2的平方比r;在軌道1做勻速圓周運動,引力等于mv1的平方比r。對比二式得,v1小于v2
衛(wèi)星在圓周軌道通過加速,軌道將變?yōu)闄E圓軌道,衛(wèi)星可以飛的離地球更遠。
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(2)若衛(wèi)星在近地點P與地球中心的距離為r1 ,在遠地點Q與地球中心的距離為r2 。求衛(wèi)星在近地點和遠地點的線速度大小之比、加速度大小之比。
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題目涉及橢圓軌道的運動快慢,根據(jù)開普勒第二定律,衛(wèi)星在PQ兩點,經(jīng)過相等的一小段時間?t,衛(wèi)星與地心連線掃過的面積相等,因時間?t較小,掃過的形狀近似為以r1、r2為半徑的扇形,根據(jù)扇形面積公式,約去二分之一,得v1乘?t乘r1等于v2乘?t乘r2,故v1比v2等于r2比r1
近地點和遠地點的引力提供加速度,得a等于GM比r的平方,故a1比a2等于r2的平方比r1的平方。
小結:為了節(jié)省燃料,發(fā)射衛(wèi)星,一般先進入低軌道1,再通過加速,進入橢圓軌道2,在橢圓軌道2的遠地點,再次加速,進入高軌道3。雖然兩次加速,但在2軌道遠離地球過程中損失的動能更大,在3軌道運行的速度比1軌道小,符合衛(wèi)星越遠越慢的特點
幻燈片 42
四課堂小結:1.萬有引力定律是如何形成的?
2.萬有引力定律有哪些應用?
3.本單元有哪些典型情境?
如果你能準確回答上述問題,恭喜你形成了自己的知識庫!
同學們,我們花費了大量的時間學習新知識,通過復習我們能減少遺忘,通過總結,我們能用少量時間提升整體認識,大家一定要重視復習和總結!
幻燈片 43
今天的內容,就到這里。希望對大家有幫助!同學們,再見!
通過按時間軸回顧先關科學家及在行星運動中主要貢獻,引入課題
一、科學歷程
1.繼承、發(fā)展
開普勒三定律
2.推理論證:牛頓演繹推理太陽和行星間的引力
月地檢驗
二、兩個基本情境
一.自轉
1.地面參考系-重力
2.地心參考系-向心力
3.兩極處的重力:
4.赤道處的重力
最大向心力
4.赤道處的重力
5.一般位置的重力
6.地表的重力加速度
不同位置g的值
7.重力的應用
8.假如地球轉動變快
二.公轉
1.一般衛(wèi)星
2.近地衛(wèi)星
第一宇宙速度
3.同步衛(wèi)星
小結
北斗衛(wèi)星
全球導航系統(tǒng)
練習1
練習2
天宮二號空間實驗室與完全失重
練習3.
練習4
三、拓展學習
1.雙星問題
地月系統(tǒng)
2.衛(wèi)星變軌問題
四課堂小結
結束語

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