2019-2020學(xué)年人教版(2019)必修27.3萬有引力定律的成就教案

1、課題教材分析教學(xué)目標(biāo)萬有引力理論的成就萬有引力理論的成就單元 7 學(xué)科 物理 年級高一本節(jié)教材簡要介紹了萬有引力理論在天文學(xué)上的重要應(yīng)用，即“稱量地球的質(zhì)量”、“計算天體的質(zhì)量”、“發(fā)現(xiàn)未知天體”、“預(yù)言哈雷彗星回歸”。教材 首先通過“稱量”地球的質(zhì)量，在不考慮地球自轉(zhuǎn)影響的情況下，認為地面上的 物體所受重力和引力相等，進而得到只要知道了地球表面的重力加速度和引力常 量，即可計算出地球的質(zhì)量。這種設(shè)計思路既給出了應(yīng)用萬有引力定律解決問題 一種思路，也展示了萬有引力理論的魅力一一”稱量地球的質(zhì)量”。教材隨后作為示范，以計算太陽質(zhì)量為例，給出了運用萬有引力定律計算天體質(zhì)量的方法， 思路清晰，表述規(guī)

2、范。最后從科學(xué)史的角度，簡要介紹了亞當(dāng)斯和勒維耶發(fā)現(xiàn)海 王星的過程，哈雷預(yù)言彗星的回歸時間，都顯示了萬有引力理論的巨大成就。因 此，通過這一節(jié)課的學(xué)習(xí)，一方面要使學(xué)生了解運用萬有引力定律解決問題的思 路和方法，另一方面還要能體會到科學(xué)定律對人類探索未知世界的作用，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和對科學(xué)的熱愛之情一、教學(xué)目標(biāo)1. 了解地球表面物體的萬有引力兩個分力的大小關(guān)系，計算地球質(zhì)量；2. 行星繞恒星運動、衛(wèi)星的運動的共同點：萬有引力作為行星、衛(wèi)星圓周運動的向心力，會用萬有引力定律計算天體的質(zhì)量；3. 了解萬有引力定律在天文學(xué)上有重要應(yīng)用。二、核心素養(yǎng)物理觀念：建立天體運動模型的物理觀念，培養(yǎng)學(xué)生的時空觀念、

3、和相互作用觀念?？茖W(xué)思維：通過學(xué)習(xí)培養(yǎng)學(xué)生善于觀察、善于思考，善于動手的能力。科學(xué)探究：探究重力與地球自轉(zhuǎn)之間的關(guān)系?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任：培養(yǎng)學(xué)生認真嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度和大膽探究的心理品質(zhì)；體 會物理學(xué)規(guī)律的簡潔性和普適性，領(lǐng)略物理學(xué)的優(yōu)美。教學(xué)重點1 .地球質(zhì)量的計算、太陽等中心天體質(zhì)量的計算。2 .通過數(shù)據(jù)分析、類比思維、歸納總結(jié)建立模型來加深理解。教 學(xué) 難 點根據(jù)已有條件求中心天體的質(zhì)量。教學(xué)過程教學(xué)環(huán)節(jié)教師活動學(xué)生活動設(shè)計意圖導(dǎo)入新課在初中，我們已經(jīng)知道物體的質(zhì)量可以 用天平來測量，生活中物體的質(zhì)量常用電子 秤或臺秤來稱量。出示圖片：天平、電子秤、臺秤阿基米德曾說過：“給人個支點，我就 能撬

4、起整個地球?！背鍪緢D片：阿基米德撬起整個地球那么如果給你一個足夠長的杠桿或足夠 大的天平你是否就可以稱量地球的質(zhì)量了 呢？口以0對于地球，我們怎樣“稱量”它的質(zhì)量 呢？觀察圖片積 極討論思 考：對于地 球，我們怎 樣“稱量” 它的質(zhì)量 呢？創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā) 學(xué)習(xí)興趣。15講授新課一、“稱量”地球的質(zhì)量上一節(jié)我們學(xué)習(xí)了萬有引力定律：F=Gmr普，這一節(jié)我們就來學(xué)習(xí)怎樣利用它 來算出下面地球的質(zhì)量。思考討論：計算地球的質(zhì)量時，我們應(yīng) 選擇哪個物體作為研究對象？運用哪些物理 規(guī)律？需要忽略的次要因素是什么？出示圖片：地球如圖以地球表面物體為研究對象，物體 m在緯度為8的位置，萬有引力指向地心， 它可分

5、解為兩個分力：m隨地球自轉(zhuǎn)圍繞地 軸運動的向心力Fn和重力Go實際上隨地球自轉(zhuǎn)的物體向心力遠小于 重力，在忽略自轉(zhuǎn)的影響下萬有引力大小近 似等于重力大小。學(xué)生閱讀課 文并思考討 論明確在忽略自 轉(zhuǎn)的影響下萬 有引力大小近 似等于重力大 小。1、計算地球質(zhì)量不考慮地球自轉(zhuǎn)的影響，地面上質(zhì)量為 m的物體所受的重力mg等于地球?qū)ξ矬w的 引力，即：mm地mg= G R2m地是地球的質(zhì)量；R是地球的半徑， 也就是物體到地心的距離。由此解出：學(xué)生推導(dǎo)出地球質(zhì)量的表達式,在鍛煉學(xué)生的計 算能力，規(guī)范解 題步驟練習(xí)本上進行定量計gR2m 地=G已知重力加速度g=9. 8m/s2,地球半徑R=6. 4X106m

6、,引力常量G=6. 67X0-11Nm2/kg2,試估算地球的質(zhì)量。解：gR2 9.8 X(6.4X106) 224m"=-11 kg = 6 M0 kg地 G6.67X1011*答：地球的質(zhì)量約為6X1024kg地面的重力加速度g和地球半徑R在卡 文迪什之前就已知道，一旦測得引力常量G, 就可以算出地球的質(zhì)量 m地。因此，卡文迪 什把他自己的實驗說成是“稱量地球的重 量”。出示圖片：卡文迪什二、計算天體的質(zhì)量應(yīng)用萬有引力可算出地球的質(zhì)量，能否 算出太陽的質(zhì)量呢？1、基本思路學(xué)生思考討論并說出基本思路鍛煉學(xué)生的總結(jié)以及語言表 達能力，為下面 的計算做鋪墊(1)簡化模型：將行星繞太陽的

7、運動看 成是勻速圓周運動。(2)萬有引力充當(dāng)向心力 F=Fn(3)依據(jù)萬有引力定律和牛頓第二定律 列出方程，從中解出太陽的質(zhì)量。設(shè)m太是太陽的質(zhì)量，m是某個行星的質(zhì)量，r是行星與太陽之間的距離。解：萬有引力充當(dāng)向心力:mm太 2G -2 = m 3 r r行星運動的角速度 不能直接測出，但可測出它的周期T。把和T的關(guān)系9 =學(xué)生推導(dǎo)出太陽質(zhì)量的鍛煉學(xué)生的計 算能力，規(guī)范解 題步驟代入上式得到:cmm 太22G 2= m( T ) rr T練習(xí)本上進自：行定量計2 34冗rm太二，；尸 Gl思考討論：m太/2 3該表達式與環(huán)行大體質(zhì)量m有沒有關(guān)系?tu天體m測出行星的公轉(zhuǎn)周期T和它與太陽的距離r

8、,就可以算出太陽的質(zhì)量，與環(huán)行大體質(zhì)量m無關(guān)。只能求出中心大體的質(zhì)量。思考討論：已知太陽與地球間的平均距離約為1. 5Xl011m,你能估算太陽的質(zhì)量嗎？換用其他行星的相關(guān)數(shù)據(jù)進行估算，結(jié)果會相近嗎？為什么?右刀 _mm太 ，2%2斛：G 丁二心r2 34-r m 太=GT2學(xué)生思考討學(xué)生思考討論并計算太陽的質(zhì)量明確中心大體 的質(zhì)量與環(huán)行 天體質(zhì)量m無關(guān)。鍛煉學(xué)生的計 算能力并讓學(xué) 生明白換用其 他行星的相關(guān) 數(shù)據(jù)進行估算 結(jié)果不會改變_4X3.142 X(1.5M013 3=6.67 X10-11 X(365 X24 X60 X6Q 2 kg一一一 30= 2.0X10 kg換用其他行星的相

9、關(guān)數(shù)據(jù)進行估算，結(jié)果會相近。雖然不同行星與太陽間的距離r和繞太 陽公轉(zhuǎn)的周期T各不相同，但是根據(jù)開普勒3第三定律，所有行星的 二=卜均相同，所以無T2鞏固測量中心大體的方法。論選擇哪顆行星的軌道半徑和公轉(zhuǎn)周期進行 計算，所得的太陽質(zhì)量均相同。學(xué)生思考討 論：怎樣計 算木星的質(zhì) 量和月球的 質(zhì)量？思考討論：怎樣計算木星的質(zhì)量和月球 的質(zhì)量？要計算木星的質(zhì)量，對木星的衛(wèi)星進行 測量，只要測得一顆衛(wèi)星的軌道半徑和周期, 就可計算木星的質(zhì)量。出示圖片：木星和它的衛(wèi)星要計算月球的質(zhì)量，由于人類發(fā)射的航 天器會環(huán)繞月球運行，只要測得航天器繞月 運行的軌道半徑和周期，就可計算月球的質(zhì) 量。三、計算天體的密度

10、1、已知太陽某行星的公轉(zhuǎn)周期T、軌道半徑r,太陽的半徑R,求太陽的密度?解:r mm太 2 支。/口由G十=m(f)2r得在教師的引 導(dǎo)下求太陽 的密度？鍛煉學(xué)生的推 導(dǎo)能力，掌握計 算天體密度的 方法4-V 二 近33m太人我二一t口3 r3把代入得：產(chǎn)P GT2R32、已知地球的一顆近地衛(wèi)星做勻速圓周 運動的周期為Ti,已知引力常數(shù)為G,則該 天體的密度為多少？若這顆衛(wèi)星距軌道半徑 r,測得在該處做勻速圓周運動的周期為 T2, 則地球的密度怎樣表示呢？,24mm處 4 7r斛(1) mg = G 2 =2 RRTi42c 34nR則：m地=2VGI 1 4。地球的體積：V=- tR33/

11、2- 3一_ m 地 _4 R _ 3 -P= V =2 43 = GTi2Gl 1 冗 R 3,2,23/c、上 mm地 4n /日4nr(2)由 G 2= _2行：m地=2rT2GT243V = - tR33 2 3- 3m地4兀r3仃P(guān)= V =-243=GT22 兀 R3GT 2 九R3四、發(fā)現(xiàn)未知天體1、海土星的發(fā)現(xiàn)學(xué)生思考討 論并計算地 球的密度明確近地衛(wèi)星 和距地面有一 定高度的衛(wèi)星， 地球的密度的 不1司表遼式。學(xué)生閱讀課 文并發(fā)表自 己的看法。通過萬有引力 定律成功地預(yù) 測未知的星體， 這不僅鞏固了 萬有引力定律 的地位，也充分 展示了科學(xué)理 論的預(yù)見性。1781年由英國物理

12、學(xué)家威廉。赫歇爾發(fā) 現(xiàn)了天王星，但人們觀測到的天王星的運動 軌道有些“古怪”：根據(jù)萬有引力定律計算出 來的軌道與實際觀測的結(jié)果總有一些偏差。1945年英國的劍橋大學(xué)的學(xué)生亞當(dāng)斯和 法國年輕的天文愛好者勒維耶根據(jù)天王星的 觀測資料，各自獨立地利用萬有引力定律計 算出這顆“新”行星的軌道各自獨立計算出 來。1846年9月23日晚，德國的伽勒在勒 維耶預(yù)言的位置附近發(fā)現(xiàn)了這顆行星，人們 稱其為“筆尖下發(fā)現(xiàn)的行星”。后來，這顆行 星被命名為海王星。出示圖片：筆尖下發(fā)現(xiàn)的行星 一海王星2、海王星的發(fā)現(xiàn)的意義海王星的發(fā)現(xiàn)過程充分顯示了理論對于 實踐的巨大指導(dǎo)作用，所用的“計算、預(yù)測 和觀察”的方法指導(dǎo)人們

13、尋找新的天體。近100年來，人們在這里發(fā)現(xiàn)了冥王星、 閱神星等幾個較大的天體。出示圖片：冥王星、閱神星五、預(yù)言哈雷彗星回歸在牛頓之前，彗星被看作是一種神秘的現(xiàn)象。出示圖片：哈雷彗星英國天文學(xué)家哈雷依據(jù)萬有弓1力定律， 他大膽預(yù)言，彗星周期約為76年，并預(yù)言它學(xué)生閱讀課文鍛煉學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力將于1758年底或1759年初冉次回歸。1759 年3月這顆彗星如期通過了近日點，它最近 一次回歸是1986年，它的下次回歸將在 2061 年左右0海王星的發(fā)現(xiàn)和哈雷彗星的“按時回歸” 確立了萬有引力定律的地位，也成為科學(xué)史 上的美談。牛頓還用月球和太陽的力后引力解釋了 潮汐現(xiàn)象，用力啟引力定律和其他力學(xué)定

14、律， 推測地球呈赤道處略為隆起的扁平形狀。萬預(yù)百哈需彗星回歸。切引力止律口以用于分析地球表回重力加速 度微小差異的原因，以及指導(dǎo)重力探礦。課堂練習(xí)1.隨著太空技術(shù)的飛速發(fā)展，人類登陸 其它星球成為可能。假設(shè)未來的某f,宇 航員登上某一星球后，測得該星球質(zhì)量是地 球質(zhì)量的8倍，而該星球的平均密度與地球 的相等，則該星球表面的重力加速度是地球鞏固本節(jié)的知識表回重力加速度的（）A. 0.5倍 B. 2倍 C. 4 倍 D. 8 倍答案：B2、（多選題）航天飛機在圍繞地球做勻 速圓周運動過程中，卜列關(guān)于宇航員的說法 中止確（）A.宇航員/、再受重力作用學(xué)生練習(xí)B .宇航員受的重力提供其做勻速圓周運 動

15、的向心力C.宇航員處于完全失重狀態(tài)D.宇航員對座椅的壓力為零答案：BCD3、我國航天事業(yè)取得的巨大成就。已知 地球的質(zhì)量為M,引力常量為G,設(shè)“神舟” 飛船繞地球做勻速圓周運動的軌道半徑為 r, 則飛船在圓軌道上運行的速率為（）A. rB. 1GM C.、Mr 回D 、Gr答案：A拓展提高1、2018年12月8日，我國發(fā)射的“嫦 娥四號”探測器成功升空，并于2019年1月 3日實現(xiàn)了人造探測器首次在月球背面軟著 陸。在探測器逐漸遠離地球，飛向月球的過 程中（）A.地球?qū)μ綔y器的引力增大B.地球?qū)μ綔y器的引力減小C.月球?qū)μ綔y器的引力減小D.月球?qū)μ綔y器的引力/、變答案：B2、2019年1月3日

16、，“嫦娥四號”成功 軟著陸在月球背面，并通過“鵲橋”中繼星 傳回了世界第一張近距離拍攝的月背影像 圖，揭開了古老月背的神秘面紗。飛船在月 球表面軟著陸之前，在靠近月球表面的軌道上運行，若要估算月球的平均密度，唯一要 測量的物理量是（）A.飛船的軌道半徑B.月球的半徑C.飛船的飛行周期D.飛船的線速度 答案：C3、若地球半徑減小1%,而其質(zhì)量/、艾， 則地球表回重力加速度g的變化情況是 （填“增大”、“減小”、7、變”）, 增減的百分比為。（取一位肩效數(shù)字）。答案：增大；2.4.兩個行星質(zhì)量分別為mi和m2,繞太 陽運行的軌道半徑分別是ri和2,則它們與 太陽間的力啟引力之比為 ，它們的公轉(zhuǎn) 周期之比。2 .rr答案：1 22，J-13m2i12課堂小結(jié)課堂總結(jié)1、中心天體的質(zhì)量與環(huán)行天體質(zhì)量 m 無關(guān)，且只能求出中心天體的質(zhì)量。2、解決大體問題的兩條思路第一種思路：重力等于物體與大體間的Mm萬有引力mg