《萬(wàn)有引力定律在天文學(xué)上的應(yīng)用》教學(xué)設(shè)計(jì)

萬(wàn)有引力定律在天文學(xué)上的應(yīng)用教學(xué)設(shè)計(jì)課題名稱 萬(wàn)有引力定律在天文學(xué)上的應(yīng)用 科目 物理 年級(jí) 高一級(jí) 教學(xué)時(shí) 間 1課時(shí) 教材分析 這節(jié)課通過(guò)對(duì)一些天體運(yùn)動(dòng)的實(shí)例分析，使學(xué)生了解：通常物體之間的萬(wàn)有引力很小，常常覺(jué)察不出來(lái)，但在天體運(yùn)動(dòng)中，由于天體的質(zhì)量很大，萬(wàn)有引力將起決定性作用，對(duì)天文學(xué)的發(fā)展起了很大的推動(dòng)作用，其中一個(gè)重要的應(yīng)用就是計(jì)算天體的質(zhì)量。 在講課時(shí)，應(yīng)用萬(wàn)有引力定律有兩條思路要交待清楚。 1地面附近物體與地球間的萬(wàn)有引力約等于物體的重力，即F引mg可得出計(jì)算天體質(zhì)量的另一種方法。 2把環(huán)繞天體（或衛(wèi)星）的運(yùn)動(dòng)看成是勻速圓周運(yùn)動(dòng)，即F引F向，用于計(jì)算天體（中心體）的質(zhì)量，討論衛(wèi)星半徑等問(wèn)題。 本節(jié)內(nèi)容是這一章的重點(diǎn)，是萬(wàn)有引力定律在實(shí)際中的具體應(yīng)用利用萬(wàn)有引力定律除了可求出中心天體的質(zhì)量外還可發(fā)現(xiàn)未知天體 學(xué)情分析 本節(jié)課的學(xué)習(xí)者特征分析主要是根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況做出的： 1學(xué)生是實(shí)驗(yàn)二中高一（5）班學(xué)生； 2學(xué)生已經(jīng)基本掌握萬(wàn)有引力定律和圓周運(yùn)動(dòng)的知識(shí)； 3學(xué)生的基礎(chǔ)和學(xué)習(xí)習(xí)慣不太好。 4設(shè)計(jì)重趣味性與知識(shí)性的結(jié)合。 教學(xué)目標(biāo) 一、知識(shí)與技能 1了解行星繞恒星運(yùn)動(dòng)及衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)的共同點(diǎn)：萬(wàn)有引力作為行星、衛(wèi)星圓周運(yùn)動(dòng)的向心力； 2了解萬(wàn)有引力定律在天文學(xué)上有重要應(yīng)用； 3會(huì)用萬(wàn)有引力定律計(jì)算天體的質(zhì)量。 二、過(guò)程與方法 1由地面附近物體與地球間的萬(wàn)有引力約等于物體的重力，即F引mg來(lái)于計(jì)算天體（中心體）的質(zhì)量。 2通過(guò)把環(huán)繞天體（或衛(wèi)星）的運(yùn)動(dòng)看成是勻速圓周運(yùn)動(dòng)，然后根據(jù)F引F向，用于計(jì)算天體（中心體）的質(zhì)量。 3通過(guò)萬(wàn)有引力定律在實(shí)際中的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力 三、情感態(tài)度與價(jià)值觀 1利用設(shè)置豐富的問(wèn)題情境，鼓勵(lì)學(xué)生從多角度思考、探索、交流，激發(fā)學(xué)生的好奇心和主動(dòng)學(xué)習(xí)的欲望； 2利用萬(wàn)有引力定律可以發(fā)現(xiàn)求知天體，學(xué)生懂得理論來(lái)源于實(shí)踐，反過(guò)來(lái)又可以指導(dǎo)實(shí)踐的辯證唯物主義觀點(diǎn)。 3通過(guò)介紹亞當(dāng)斯與勒威耶的歷史奇緣，激發(fā)學(xué)生對(duì)科學(xué)家探究真理的崇拜之情。 教學(xué)重點(diǎn) 1環(huán)繞天體的運(yùn)動(dòng)：如月球繞地球的運(yùn)動(dòng)；行星繞太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)的向心力是由萬(wàn)有引力提供的。 2會(huì)用已知條件求中心天體的質(zhì)量。 教學(xué)難點(diǎn) 根據(jù)已有條件求中心天體的質(zhì)量。 教學(xué)資源 （1）給同學(xué)們準(zhǔn)備一些相關(guān)資料； （2）教師自制的多媒體課件； （3）上課環(huán)境為多媒體大屏幕環(huán)境。 萬(wàn)有引力定律在天文學(xué)上的應(yīng)用教學(xué)過(guò)程描述 教學(xué)活動(dòng) 1 （一）師生互動(dòng)，激趣導(dǎo)入 1教師展示：美國(guó)網(wǎng)站2019年8月14日?qǐng)?bào)道，世界上第一個(gè)太空旅館“銀河套房酒店”有望在2019年建成，屆時(shí)太空迷們翱翔宇宙的夢(mèng)想將成為現(xiàn)實(shí)。當(dāng)然，太空旅館房?jī)r(jià)不菲，每位房客入住3天的費(fèi)用是400萬(wàn)美元（約合人民幣3000萬(wàn)元）。2019年從俄羅斯發(fā)射升空充氣式太空酒店，預(yù)計(jì)于2019年建造完畢并投入使用。入住費(fèi)用100萬(wàn)美元。 2引入課題：萬(wàn)有引力定律的天文學(xué)上的應(yīng)用 教學(xué)活動(dòng) 2 （二）問(wèn)題啟發(fā)，合作探究 1創(chuàng)設(shè)情景：（可以與實(shí)際不符） 如姚明在旅館巧遇卡文迪許，于是他們談?wù)撈饻y(cè)地球質(zhì)量的問(wèn)題，于是引入了本節(jié)課的第一個(gè)問(wèn)題，測(cè)天體的質(zhì)量。 2新知識(shí)的探究 方法一： 老師：請(qǐng)學(xué)生回顧當(dāng)初卡文迪許測(cè)出地球質(zhì)量的方法， 學(xué)生：（分組探究） 活動(dòng)過(guò)程： 對(duì)象的選?。?站在地面上的姚明 滿足的規(guī)律： 在可忽略中心天體自轉(zhuǎn)的影響時(shí)，根據(jù)萬(wàn)有引力等于重力的關(guān)系來(lái)計(jì)算其質(zhì)量 教學(xué)活動(dòng) 2 方程的建立： 得出的結(jié)論： 在已知所求天體M的半徑R和表面重力加速度的情況下可用上式 教學(xué)活動(dòng) 3 （三）規(guī)律探究，另解方法 方法二： 老師：引導(dǎo)學(xué)生討論在太空旅館里可用上述方法測(cè)地地球質(zhì)量嗎？ 旅館里的一些情況介紹 一天內(nèi)看15次日出 感受80多分鐘環(huán)游地球的快感 像蜘蛛俠一樣在臥室內(nèi)“飛檐走壁” 學(xué)生：不能，太空中處于完全失重 老師：請(qǐng)學(xué)生思考在旅館里有沒(méi)有其它測(cè)量地球質(zhì)量的方法呢？ 活動(dòng)過(guò)程： 對(duì)象的選?。?太空酒店里的姚明 滿足的規(guī)律： 萬(wàn)有引力提供向心力 方程的建立： 得出的結(jié)論： 在已知所求天體M的行星或者衛(wèi)星m軌道半徑r和周期T的情況下可用上式 教學(xué)活動(dòng) 4 （四）例題示范，鞏固提高 例如：若把銀河套房酒店建在月球上，某同學(xué)在資料上查得月球到地球的球心距離為r =4108m,酒店工作人員記錄了他們繞地球運(yùn)行的周期為30天，求：地球的質(zhì)量。 解：月球繞地球運(yùn)行的向心力即月地間的萬(wàn)有引力 即有： 得： 教學(xué)活動(dòng) 5 （五）規(guī)律拓展，密度測(cè)量 老師講授：幾種常用的求密度的方法 一、根據(jù)環(huán)繞天體繞中心天體表面轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) 二、根據(jù)環(huán)繞天體繞中心天體在以某高度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) 三、已知中心天體的半徑和表面重力加速度時(shí) 教學(xué)活動(dòng) 6 教學(xué)活動(dòng) 7 （六）應(yīng)用之二，發(fā)現(xiàn)未知天體 溫馨提示： 只能求中心天體的質(zhì)量，不能環(huán)繞天體的質(zhì)量。 老師：環(huán)繞天體的軌道半徑可以計(jì)算嗎？ 根據(jù)，而，兩式聯(lián)立得： 在18世紀(jì)發(fā)現(xiàn)的第七個(gè)行星天王星的運(yùn)動(dòng)軌道，總是同根據(jù)萬(wàn)有引力定律計(jì)算出來(lái)的有一定偏離。當(dāng)時(shí)有人預(yù)測(cè)，肯定在其軌道外還有一顆未發(fā)現(xiàn)的新星。后來(lái)，亞當(dāng)斯和勒威耶在預(yù)言位置的附近找到了這顆新星。后來(lái)，科學(xué)家利用這一原理還發(fā)現(xiàn)了許多行星的衛(wèi)星，由此可見(jiàn)，萬(wàn)有引力定律在天文學(xué)上的應(yīng)用，有極為重要的意義。 老師：介紹亞當(dāng)斯與勒威耶的歷史奇緣（六點(diǎn)對(duì)比） 劍橋大學(xué)畢業(yè)，1843年開(kāi)始在母校任教：1巴黎工藝學(xué)院畢。1837年任母校天文教師， 早在劍橋大學(xué)學(xué)習(xí)時(shí)，亞當(dāng)斯就注意到有關(guān)天王星運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)反?，F(xiàn)象的問(wèn)題。1842年正式研究。21845年，當(dāng)時(shí)的巴黎天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)阿喇果建議他研究天王星運(yùn)動(dòng)的反常問(wèn)題。31844年以后，亞當(dāng)斯研究了這些觀測(cè)資料，計(jì)算了影響天王星運(yùn)動(dòng)的一顆未知行星的軌道要素、質(zhì)量和日心黃經(jīng)，并預(yù)言未知行星的位置。3利用有關(guān)天王星的18次測(cè)資料，運(yùn)用萬(wàn)有引力定律，通過(guò)求解33個(gè)方程，計(jì)算出對(duì)天王星起攝動(dòng)作用的未知行星的軌道和質(zhì)量，并且預(yù)測(cè)了它的位置。4向格林尼治天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)艾里共六次報(bào)告了他的計(jì)算結(jié)果，但未受重視。他將計(jì)算結(jié)果呈送給法國(guó)科學(xué)院，他的工作在法國(guó)同行中受到了冷遇。5這樣將發(fā)現(xiàn)海王星的機(jī)會(huì)就讓給了德國(guó)天文學(xué)家伽勒和勒威耶。亞當(dāng)斯是一位十分謙虛的人，在對(duì)待海王星發(fā)現(xiàn)的優(yōu)先權(quán)問(wèn)題上沒(méi)有進(jìn)行聲辯。這樣他雖然暫時(shí)失去了某些榮譽(yù)，但他始終受到同行的贊賞和尊重，5他還寫信給當(dāng)時(shí)擁有較大望遠(yuǎn)鏡的幾個(gè)天文學(xué)家，請(qǐng)求幫助觀測(cè)。伽勒收到勒威耶信的當(dāng)天晚上，就觀測(cè)搜尋，僅用一個(gè)半小時(shí)就在偏離勒威耶預(yù)言的位置52處觀測(cè)到了這顆當(dāng)時(shí)星圖上沒(méi)有的星。英國(guó)皇家學(xué)會(huì)授予他柯普利獎(jiǎng)?wù)?曾（18511853年，18741876年）