7.3 万有引力理论的成就 课件-2025-2026学年高一下学期物理人教版必修第二册
2026-07-01
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普通
摘要:
该高中物理课件聚焦万有引力定律,通过苹果落地、月亮绕地球等生活现象导入,衔接牛顿从地面重力到天体引力的猜想,构建从日常现象到宇宙规律的学习支架,帮助学生理解引力的普遍性。
其亮点在于通过数学建模(公式F=Gm₁m₂/r²推导)和例题(地月引力计算、太阳质量估算)培养科学思维,结合卡文迪许扭秤实验渗透科学探究,课堂小结系统梳理定律、公式及应用,助力学生形成物理观念。学生能深化对引力规律的理解,教师可借助清晰逻辑提升教学效率。
内容正文:
7.2 万有引力定律
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第七章 万有引力与宇宙航行
人教版(2019)
主讲老师:[教师姓名]
2026.07
1.7.2013
同学们好!欢迎来到今天的物理课堂。大家有没有想过,为什么我们跳起来总会落回地面?为什么月亮会一直绕着地球转?这些问题的答案,都指向一个伟大的宇宙法则。今天,就让我们一起走进第七章,探索《万有引力定律》的奥秘,揭开宇宙间物体相互吸引的神秘面纱。
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课堂导入
大家是否思考过这些生活中的现象?为什么用力向上扔的苹果最终总会掉回地面而非飞向太空?月亮为何能始终围绕地球旋转,不会像松开的溜溜球一样飞走?地球又是什么力量牵引着,让它乖乖待在太阳身边沿着轨道不停奔跑?
1.7.2013
在正式开始学习新知识之前,老师想请大家思考几个我们身边的现象。我们向上扔东西,它总会掉下来;月亮每天晚上都挂在天上,绕着我们转;地球也在自己的轨道上围绕太阳奔跑。这些看似平常的事情背后,其实都隐藏着一个共同的秘密。大家猜猜是什么力量在起作用呢?
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牛顿
三百多年前的英国,伟大的科学家艾萨克·牛顿曾坐在苹果树下思考。一个熟透的苹果突然掉落砸中他的头,这一日常现象却引发了他划时代的追问:“为什么苹果总是垂直落向地面,而非向上或斜向?”他进一步大胆猜想:“将苹果拉向地面的力,是否也延伸到了遥远的月球,维系着它绕地球的运动?”这个灵感的火花,正是万有引力定律探索的开端,连接起了地面与天空的力学规律。
一个伟大的灵感
1.7.2013
这个秘密的发现,源于一个非常著名的故事。三百多年前,伟大的科学家牛顿,被一个掉落的苹果砸中了脑袋。这个意外事件,却让他开始思考一个深刻的问题:让苹果落地的力,和让月亮围绕地球转的力,会不会是同一种力?这个伟大的猜想,就是我们今天要学习的万有引力定律的开端。
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01. 地面的启示:苹果落地的重力本质
牛顿首先聚焦身边的现象:地球对苹果存在吸引力,这种让苹果竖直下落的力,被我们定义为“重力”,这是他探索宇宙引力的起点。
02. 天空的追问与宇宙的推广
牛顿大胆猜想:地球对遥远的月亮,是否也施加着类似的吸引力,才让月亮绕地球运行而不坠落?进而他将视野拓展到整个太阳系——太阳是否吸引着地球与行星?最终他提出震撼的假设:宇宙中任何两个有质量的物体之间,都存在相互吸引的力,这便是“万有引力”。
牛顿的猜想:从苹果到月亮
1.7.2013
牛顿的思考逻辑非常清晰。他首先想到,让苹果落地的力就是地球的重力。接着他大胆猜想,这种力是不是也能到达月亮,让月亮不掉下来?最后,他把这个想法推广到整个宇宙,提出了一个惊人的假设:宇宙中任何两个有质量的物体之间,都存在相互吸引的力。这就是“万有引力”这个名字的由来。
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万有引力定律:正式登场
经过深入的研究和计算,牛顿总结出了这条伟大的定律:自然界中任何两个物体都相互吸引,引力的方向在它们的连线上,引力的大小与物体的质量的乘积成正比,与它们之间距离的平方成反比。
1.7.2013
基于这个猜想,牛顿通过严密的数学推导,最终总结出了这条伟大的定律。请大家跟我一起读一遍:自然界中任何两个物体都相互吸引,引力的方向在它们的连线上,引力的大小与物体的质量的乘积成正比,与它们之间距离的平方成反比。这句话听起来有点绕口,别担心,接下来我们会把它拆解开,一点一点弄明白。
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天体M
天体m
F
距离r
G
F = G·(m₁m₂)/r²
F为引力,G为引力常量,m₁、m₂为两物体质量,r为质心间距。这是宇宙万物相互吸引的数学语言。
数学建模
用数学语言描述宇宙法则
1.7.2013
为了让定律更简洁、更便于计算,科学家们用数学公式来表达它。这就是万有引力定律的公式:F = G乘以m1m2除以r的平方。这个公式是我们今天学习的重中之重。接下来,我们将逐一拆解公式中的每一个字母,理解它们的含义。
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核心公式:F = G * (m₁m₂) / r²,其中 F 代表两个物体间的相互吸引力
1. 物理意义:F 是万有引力的核心物理量,描述任意两个质点通过连心线方向上的相互吸引力,是自然界中最基本的力之一。
2. 单位与特性:其单位为牛顿 (N),与常规力的单位一致。F 的数值大小直接反映引力强弱:F 值越大,两个物体之间的吸引力越强;反之则越弱。
公式详解:F 是什么?
1.7.2013
首先看字母F。它代表的就是我们所说的万有引力,单位是牛顿,简称牛,符号是N。F的数值大小,直接反映了两个物体之间吸引力的强弱。F越大,吸引力就越强。
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引力公式 F = G·(m₁m₂)/r² 中质量参数的物理意义解析
1. 核心定义:m₁ 和 m₂ 分别代表相互产生引力作用的两个物体的质量,是衡量物体所含物质多少的物理量。
2. 单位规范:在国际单位制中,质量的标准单位为千克(kg),计算时需统一单位以保证结果准确。
3. 物理规律:引力大小与两物体质量的乘积成正比。质量越大,引力越强,例如地球与月球间的引力远大于篮球与乒乓球间的引力,这直观体现了质量对引力的决定性影响。
公式详解:m₁ 和 m₂ 是什么?
1.7.2013
接下来是m₁和m₂。它们分别代表两个物体的质量,单位是千克。定律告诉我们,引力大小和质量的乘积成正比。这很好理解,就是物体越重,它们之间的吸引力就越大。比如,一个大人和一个小孩之间的引力,就比两个小孩之间的引力要大。
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引力与距离的平方成反比:这意味着距离对引力的削弱作用极强。若两物体距离变为原来的2倍,引力并非减半,而是会减小到原来的 1/4;距离越远,引力衰减的速度就越快,这一特性深刻影响着天体运行的轨道规律。
F
天体A
Fˊ
r 代表两物体质心的距离:在万有引力公式 F = G·(m₁m₂)/r² 中,r 是两个物体质心之间的直线距离。对于地球、月球这类规则球体,质心就位于其几何球心处,因此可直接用球心间距来表示 r。
公式详解:r 是什么?
1.7.2013
然后是r,它代表两个物体质心之间的距离。对于像地球、月球这样的球体,我们就可以简单理解为它们球心之间的距离。定律说引力和距离的平方成反比,这个“平方”很关键。它意味着距离对引力的影响非常大。比如,距离加倍,引力会减小到原来的四分之一,而不是二分之一。
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核心公式 F = G · (m₁m₂) / r² 中,G 的物理意义是什么?
1. 物理定义:G 是固定不变的万有引力常数,是连接物体质量与引力大小的桥梁。
2. 具体数值:公认值约为 G ≈ 6.67 × 10⁻¹¹ N·m²/kg²,这是一个极其微小的数值。
3. 现实意义:正因为 G 极小,普通物体(如人与人、书本与桌面)间的万有引力微弱到可以忽略;只有在天体(地球、太阳等)这种超大质量物体间,引力效果才会显著体现。
03. 万有引力常数 G 深度解析
1.7.2013
最后是G,它是一个固定不变的常数,叫做万有引力常数。它的值大约是6.67乘以10的负十一次方。大家注意看这个数字,它非常非常小。这就解释了为什么我们和身边的同学、书本之间虽然也有引力,但我们完全感觉不到,因为这个力实在是太微弱了。只有在像地球、太阳这样质量巨大的天体之间,万有引力的效果才会显现出来。
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引力常量G的测定:卡文迪许扭秤装置
卡文迪许
01.卡文迪许与引力常量G的测定
实验核心:1798年卡文迪许利用石英丝悬挂横杆,通过大铅球对两端小铅球的万有引力引发微小扭转,巧妙放大并测量扭转角度,首次精确算出G值。
科学意义:G的测定让万有引力定律从定性走向定量,卡文迪许也因此被誉为“第一个称出地球质量的人”。
扭秤实验的精妙之处在于将微弱的引力作用转化为可见的扭转形变,解决了G值难以直接测量的难题。
1.7.2013
这么小的G值是怎么测出来的呢?这要归功于科学家卡文迪许。他设计了一个非常巧妙的扭秤实验。通过测量大铅球吸引小铅球时,悬挂小铅球的细丝发生的微小扭转,他第一次精确地测出了G的值。这个实验非常困难,因为引力实在太微弱了。卡文迪许也因此被誉为“第一个称出地球质量的人”,因为只要知道了G,就能算出地球的质量。
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万有引力的四大特点
万有引力是支配天体运动、塑造宇宙结构的核心力,它存在于一切有质量的物体之间,其作用规律呈现出四个显著且独特的物理属性。
01. 普遍性 —— 无处不在的引力场
它是自然界中普遍存在的基本相互作用力,存在于宇宙中任何两个有质量的物体之间,小到微观粒子(虽引力极微),大到星系天体,万有引力的作用无处不在。
02. 相互性 —— 力的作用彼此对等
甲物体吸引乙物体的同时,乙物体也会以大小相等、方向相反的力吸引甲物体。引力是两个物体之间的相互作用,符合牛顿第三定律,不存在单一的“施力者”或“受力者”。
03. 宏观性 —— 质量决定显著度
只有在质量巨大的天体(如恒星、行星)之间,万有引力的作用效果才会非常显著;对于地球上的普通物体,由于质量太小,引力效应通常可以忽略不计。
04. 独立性 —— 与介质毫无关联
两个物体间的引力大小仅取决于它们的质量和距离,与它们之间是否存在空气、水或其他介质无关。即便在真空环境中,万有引力依然稳定存在并发挥作用。
1.7.2013
总结一下,万有引力有四个显著的特点。第一是普遍性,宇宙万物,只要有质量,就都有引力。第二是相互性,你吸引我,我也吸引你,力的大小相等。第三是宏观性,只有像天体这样质量巨大的物体,引力效果才明显。第四是与介质无关,无论在空气里还是在真空中,引力都存在。
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题目描述:已知地球的质量约为 m₁ = 6.0 × 10²⁴ kg,月球的质量约为 m₂ = 7.3 × 10²² kg,它们之间的平均距离约为 r = 3.84 × 10⁸ m。求地球和月球之间的万有引力大约是多少?
已知条件:
万有引力常量 G ≈ 6.67 × 10⁻¹¹ N·m²/kg²;地球质量 m₁ = 6.0 × 10²⁴ kg;月球质量 m₂ = 7.3 × 10²² kg;地月平均距离 r = 3.84 × 10⁸ m。
解题思路:直接套用万有引力定律公式 F = G(m₁m₂)/r²,将已知数值代入公式进行计算即可得到结果。
?
代入计算:
最终结果:
例题讲解(一)
将数值代入公式 F = G(m₁m₂)/r²,逐步计算分子与分母的乘积和比值。
计算可得 F ≈ 1.99 × 10²⁰ N,约为 2.0 × 10²⁰ N。
1.7.2013
理论学习完了,我们来看一个实际的例子。这道题让我们计算地球和月球之间的万有引力。题目给出了地球和月球的质量,以及它们之间的距离,还有引力常数G。这是一个非常典型的直接套用公式的计算题。
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例题讲解(一)- 解题思路
问题:求地球和月球之间的万有引力 F,如何利用已知条件求解?
核心思路:这是典型的公式直接套用计算题,核心是将已知物理量代入万有引力定律公式F = G · (m₁m₂) / r²进行数值运算。
解题步骤:1. 梳理已知条件:明确地球质量m₁、月球质量m₂、地月距离r及引力常量G;2. 列出核心公式:F = G(m₁m₂)/r²;3. 代入数值:将各物理量的数值精准代入公式;4. 计算求解:按照运算规则完成计算,得出引力F的具体结果。
1.7.2013
解题思路非常清晰。我们的目标是求引力F。我们只需要把题目给的m₁, m₂, r和常数G,全部代入公式 F = G(m₁m₂)/r² 中,然后一步步计算就能得到答案。
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解:根据万有引力定律核心公式
F = G · (m₁m₂) / r²
代入地球与月球的参数数值:G=6.67×10⁻¹¹ N·m²/kg²,m₁=6.0×10²⁴ kg,m₂=7.3×10²² kg,r=3.84×10⁸ m
得到计算式:F = (6.67×10⁻¹¹)×(6.0×10²⁴)×(7.3×10²²) / (3.84×10⁸)²
分步计算
01. 分子运算:系数相乘 6.67×6.0×7.3≈293.7;指数运算 10⁻¹¹×10²⁴×10²²=10³⁵,即分子≈2.937×10³⁷
02. 分母运算:距离平方 (3.84)²≈14.75;指数平方 (10⁸)²=10¹⁶,即分母≈1.475×10¹⁷
03. 最终结果:数值相除 2.937/1.475≈1.99;指数相除 10³⁷/10¹⁷=10²⁰,故 F≈1.99×10²⁰ N
例题讲解(一)- 计算过程
1.7.2013
我们来具体计算一下。把数值代入公式后,我们先计算分子部分,再计算分母部分。分子是三个数相乘,注意科学记数法的运算规则。分母是距离的平方,同样要注意指数的运算。最后用分子除以分母,就得到了结果。
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例题讲解(一)- 结果与结论
计算结果显示,地球和月球之间的万有引力大约是1.99 × 10²⁰ 牛顿。这个数值看似抽象,却代表了天体间一种极其强大的相互作用。
核心结论:这个引力约相当于2000万亿吨物体所受的重力!正是这股“无形的绳索”,持续牵引着月球,克服了其惯性带来的离心趋势,使其无法脱离地球的束缚,始终在既定的轨道上稳定运行,成为地球唯一的天然卫星。
1.7.2013
计算结果出来了,大约是1.99乘以10的20次方牛顿。这个数字非常巨大,大约相当于2000万亿吨的重物!大家可以想象一下这个力有多大。正是这个巨大的引力,像一根无形的绳子,牢牢地拉着月球,让它在自己的轨道上围绕地球运行,不会飞走。
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我们感受到的“重力”是什么?
两极:重力≈万有引力
重力与万有引力是一回事吗?
赤道:重力略小于引力
本质解析:重力是万有引力的一个分力。地球自转需要向心力(由引力分力提供),因此赤道处重力略小;两极无自转影响,重力约等于万有引力。日常场景中,我们通常近似认为二者相等。
本质:引力分力
知识拓展
1.7.2013
学完了万有引力,我们来拓展一个知识点:我们平时感受到的“重力”和万有引力是什么关系?其实,重力就是万有引力的一个分力。因为地球在自转,需要一个力来拉着我们不让我们被甩出去,这个力就是向心力,它是由万有引力提供的。剩下的那部分力,就是我们感受到的重力。所以,在赤道上,因为需要的向心力最大,我们的体重会略轻一点。但在两极,几乎不需要向心力,重力就约等于万有引力。
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行星之所以能围绕太阳稳定运行,而不会飞走或掉下去,靠的就是万有引力。这种无形的力量牵引着行星,让它们在既定轨道上有序运转,构成了我们稳定的太阳系图景。
核心机制
太阳引力 = 行星圆周运动向心力
通俗类比:绳拉小球模型
宇宙的“无形纽带”
如同用绳子甩动小球时,绳子的拉力提供向心力;太阳与行星间的引力就是这根无形的“绳子”,让行星在轨道上永恒舞蹈而不脱离。
这一发现不仅解释了天体运行的规律,更证明了万有引力是支配宇宙天体运动的统一力量,维系着整个太阳系的稳定与秩序。
知识拓展:天体运行的奥秘
1.7.2013
万有引力最伟大的应用之一,就是解释了天体为什么能稳定运行。行星绕着太阳转,卫星绕着行星转,靠的就是万有引力。太阳对行星的引力,正好充当了行星做圆周运动所需要的向心力。这就像我们用绳子甩小球一样,绳子的拉力提供了向心力。宇宙中,这根无形的“引力之绳”,维系着整个太阳系的稳定。
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题目:地球绕太阳公转的轨道半径约为 r = 1.5 × 10¹¹ m,公转周期约为 T = 365 天。请估算太阳的质量 M。
解题关键:地球绕太阳做匀速圆周运动,太阳对地球的万有引力提供地球做圆周运动的向心力。
已知条件:
轨道半径 r ≈ 1.5 × 10¹¹ m,公转周期 T = 365 天 ≈ 3.1536 × 10⁷ s
引力常量 G ≈ 6.67 × 10⁻¹¹ N·m²/kg²
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核心思路:
万有引力提供向心力:GMm/r² = m(4π²/T²)r
推导结论:
M = 4π²r³ / GT²,代入数据即可求解。
例题讲解(二)
步骤提示:
1. 将周期 T 转换为国际单位制(秒);2. 整理公式消去地球质量 m;3. 代入数值进行计算,注意数量级的运算。最终可估算出太阳质量约为 2×10³⁰ kg 左右。
1.7.2013
我们再来看一个更高级的应用。这道题是让我们通过观测地球的公转,来计算太阳的质量。题目给出了日地距离、地球的公转周期和引力常数G。这看起来有点难,但别担心,只要我们理解了刚才讲的“引力提供向心力”的原理,就很容易解决。
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核心问题:已知地球绕日运动规律,求解太阳的质量 M。
核心推导与结论:由 G(Mm)/r² = m(4π²r)/T²,约去地球质量 m,得太阳质量公式:M = (4π²r³) / (GT²),其中 r 为日地距离,T 为地球公转周期,G 为引力常量。
解题核心逻辑
地球绕日做匀速圆周运动,其向心力完全由太阳对地球的万有引力提供,这是构建等式的关键物理模型。
例题讲解(二)- 解题思路
1.7.2013
解题的关键一步,就是建立一个等式:太阳对地球的万有引力,等于地球做圆周运动所需的向心力。也就是 G(Mm)/r² = m(4π²r)/T²。大家看,等式两边都有地球的质量m,我们可以把它约掉。这样,我们就得到了一个只包含太阳质量M的公式:M = (4π²r³)/(GT²)。现在,所有的未知量都变成了已知量,我们可以开始计算了。
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例题讲解(二)- 计算过程
【解题步骤解析】
1. 单位换算:将地球公转周期从“天”转换为国际单位“秒”,T = 365天 = 365 × 24 × 3600 s ≈ 3.15 × 10⁷ s,确保所有物理量单位统一。
2. 核心代入:将轨道半径r=1.5×10¹¹m、引力常量G=6.67×10⁻¹¹N·m²/kg²及换算后的周期T,代入太阳质量计算公式进行求解。
▍ 分步运算(分子/分母)
分子:4π²r³ ≈ 4×9.87×(3.375×10³³) ≈ 1.33×10³⁵
分母:GT² ≈ 6.67×10⁻¹¹×(9.92×10¹⁴) ≈ 6.62×10⁴
关键提示:科学记数法运算时,注意指数的加减规则,避免计算错误。
最终求解
分子 ÷ 分母
▍ 结果呈现与意义
M ≈ 2.01 × 10³⁰ kg
该结果与太阳实际质量高度吻合,验证了万有引力定律在天体质量计算中的适用性,也体现了“将天体运动近似为匀速圆周运动”这一模型的合理性。
1.7.2013
在计算前,我们首先要统一单位,把周期T的单位从“天”换算成“秒”。然后,将所有数值代入我们推导出的公式。计算过程比较繁琐,大家要仔细处理科学记数法和指数运算。最后,分子除以分母,我们就能得到太阳的质量。
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例题讲解(二)- 结果与结论
计算结果:通过万有引力定律的推导与计算,我们得出太阳的质量大约是2.01 × 10³⁰ 千克。这是一个极其庞大的数字,直观上难以想象其量级。
核心结论:观测行星运动即可推算中心天体质量,这是万有引力定律在天文学的关键应用。值得注意的是,太阳的质量占据了整个太阳系总质量的99.86%,其绝对主导地位决定了太阳系天体的运行规律。
1.7.2013
计算结果出来了,太阳的质量大约是2.01乘以10的30次方千克。这个数字大到难以想象。通过这个例子我们发现,万有引力定律非常强大,它让我们可以通过观测遥远天体的运动,来计算出它们的质量。这在天文学研究中是一个至关重要的工具。
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课堂小结
01. 核心定律:万有引力定律
揭示了宇宙间一切物体都存在相互吸引的规律,是理解天体运动、宇宙结构的基础,将地面物体运动与天体运动统一起来。
02. 核心公式与关键常数
公式:F = G·(m₁m₂)/r²(计算引力大小的核心工具);常数G≈6.67×10⁻¹¹ N·m²/kg²,是衡量引力强弱的关键物理量。
03. 两大核心应用方向
一是定量计算任意两个物体间的引力大小;二是通过观测天体的轨道运动参数(如周期、半径),反推计算天体(行星、恒星等)的质量。
04. 厘清重力的本质关系
重力并非独立的力,而是万有引力的一个分力。地球对物体的万有引力分解为提供物体随地球自转的向心力和我们感受到的重力。
1.7.2013
好了,这节课的内容就到这里。我们来回顾一下今天学到的重点。我们学习了一个伟大的定律——万有引力定律;掌握了一个核心公式;认识了一个重要的常数G;了解了两个主要应用;还理清了重力和万有引力的关系。希望大家能把这些知识点牢牢记住。
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课后练习:挑战一下自己!
01. 基础选择题 —— 对万有引力的理解
题目:关于万有引力,下列说法正确的是( )
A. 只有天体之间才存在万有引力 B. 万有引力的大小与物体间距离成反比
C. 物体的质量越大,它们之间的万有引力就一定越大 D. 万有引力是宇宙间普遍存在的力
02. 核心填空题 —— 距离对引力的影响
题目:两个物体之间的距离变为原来的3倍,忽略其他因素变化,它们之间的万有引力变为原来的______。
03. 应用计算题 —— 身边的引力计算
题目:一个质量为50kg的同学和一个质量为60kg的同学相距1米,他们之间的万有引力大约是多少?(引力常量G=6.67×10⁻¹¹ N·m²/kg²,结果保留两位有效数字)
GO
1.7.2013
为了检验大家的学习成果,这里有几道课后练习题。包括选择题、填空题和计算题。请大家认真思考,动笔算一算,看看自己是否真正掌握了今天的知识。我们稍后会公布答案。
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01. 选择题参考答案
正确答案:D。解析:选项A错误,万有引力是普遍存在的,任何物体间都存在引力;选项B错误,万有引力与两物体距离的平方成反比,而非简单反比;选项C错误,引力大小不仅与质量有关,还与物体间的距离密切相关;选项D表述符合万有引力定律的适用范围及规律,故正确。
02. 填空题参考答案
正确答案:1/9。解析:根据万有引力定律公式 F ∝ 1/r²,当两物体间的距离 r' = 3r 时,引力大小与距离平方成反比,因此新的引力 F' = F / (3)² = F/9,即引力变为原来的1/9。
03. 计算题参考答案
解题过程:代入万有引力公式 F = G(m₁m₂)/r²,其中 G=6.67×10⁻¹¹ N·m²/kg²,m₁=50kg,m₂=60kg,r=1m。计算得 F = (6.67×10⁻¹¹)×(50×60)/1² ≈ 2.0×10⁻⁷ N。
结论:两人之间的万有引力约为2.0×10⁻⁷牛顿,该数值极小,这也解释了我们日常生活中无法感知到身边物体间万有引力的原因。
练习题参考答案
解析与总结
1.7.2013
现在我们来公布答案。第一题选D,因为万有引力是普遍存在的。第二题是1/9,因为引力和距离的平方成反比。第三题的计算结果约为2.0乘以10的负7次方牛顿,这个力非常小,再次印证了我们感觉不到身边物体引力的原因。大家都做对了吗?
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THANKS
THANKS
感谢观看
1.7.2013
今天的课程到此结束。希望通过这节课,大家不仅学到了万有引力的知识,更能感受到物理学的魅力。科学的探索永无止境,希望同学们能保持好奇心,不断探索我们这个奇妙的世界。谢谢大家!
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示范课
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