2019學(xué)年高一物理新課標(biāo)優(yōu)秀教案(人教版必修2)：6.2太陽與行星間的引力

1、2 太陽與行星間的引力整體設(shè)計(jì)本節(jié)課我們將追尋牛頓的足跡，根據(jù)開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律和勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力公式（牛頓第二定律在圓周運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)用）推導(dǎo)出太陽對(duì)行星的引力與行星的質(zhì)量、行星與太陽間的距離的比例關(guān)系，再根據(jù)牛頓第三定律推出行星對(duì)太陽的引力與太陽的質(zhì)量、太陽與行星間 的距離的比例關(guān)系，從而進(jìn)一步得到太陽與行星間的引力所遵循的規(guī)律，為重新發(fā)現(xiàn)”萬有引力定律打下基礎(chǔ).行星圍繞太陽運(yùn)行軌道是橢圓，實(shí)際上，多數(shù)大行星的軌道與圓十分接近，也就是行星圍繞太陽做圓周運(yùn)動(dòng)，那么一定就得有力來提供向心力，這個(gè)力應(yīng)該是太陽對(duì)行星的引力.根據(jù)向心定律知 F實(shí)鳥廠,所以太陽與行星間的引力 F% 罌，寫成等式 F=

2、GM.rrr本節(jié)主要內(nèi)容就是介紹科學(xué)家對(duì)行星運(yùn)動(dòng)原因的各種猜想，及使用舊知識(shí)推導(dǎo)太陽與行星間的引力.在介紹是什么原因使行星繞太陽運(yùn)動(dòng)時(shí)，教師可補(bǔ)充一些材料，使學(xué)生領(lǐng)略前輩科學(xué)家對(duì)自然奧秘不屈撓的探索精神和對(duì)待科學(xué)研究一絲不茍的態(tài)度.在推導(dǎo)太陽與行星間的引力時(shí)，教師可先引導(dǎo)學(xué)生理清推導(dǎo)思路，然后放手讓學(xué)生自主推導(dǎo)，充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主體地位，培養(yǎng)學(xué)生用已有知識(shí)實(shí)行創(chuàng)新，發(fā)現(xiàn)新規(guī)律的水平.教學(xué)重點(diǎn)對(duì)太陽與行星間引力的理解 .教學(xué)難點(diǎn)使用所學(xué)知識(shí)對(duì)太陽與行星間引力的推導(dǎo).課時(shí)安排1 課時(shí)三維目標(biāo)知識(shí)與技能1. 知道行星繞太陽運(yùn)動(dòng)的原因是受到太陽引力的作用2. 理解并會(huì)推導(dǎo)太陽與行星間的引力大小.3.

3、記住物體間的引力公式F=GMm.r過程與方法1. 了解行星與太陽間的引力公式的建立和發(fā)展過程2. 體會(huì)推導(dǎo)過程中的數(shù)量關(guān)系.情感態(tài)度與價(jià)值觀了解太陽與行星間的引力關(guān)系，從而體會(huì)到大自然中的奧秘 .教學(xué)過程導(dǎo)入新課情景導(dǎo)入當(dāng)前已知太陽系中有 8 顆大行星（如下圖所示）.它們通常被分為兩組：內(nèi)層行星（水星、金 星、地球、火星）和外層行星（木星、土星、天王星、海王星 ），內(nèi)層行星體積較小，主要由巖石和 鐵組成；外層行星體積要大得多，主要由氫、氦、冰物質(zhì)組成 .哥白尼說：太陽坐在它的皇位上，管理著圍繞著它的一切星球.”力公式:2l mvF=-42二m2r，又由開普勒第三定律知2丁叫丁叫. .也推導(dǎo)出F

4、-誥誥, ,再由牛頓第三那么是什么原因使行星繞太陽運(yùn)動(dòng)呢？伽利略、開普勒以及法國數(shù)學(xué)家笛卡兒都提出過自己的解釋. .不過，只有牛頓才給出了準(zhǔn)確的解釋復(fù)習(xí)導(dǎo)入復(fù)習(xí)舊知:古代天體運(yùn)動(dòng)學(xué)說行星的運(yùn)動(dòng)地心說丿內(nèi)容代表人物內(nèi)容代表人物橢圓軌道定律開普勒行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律面積定律3周期定律：;2二k（k由中心天體的質(zhì)量決定）根據(jù)開普勒三大定律我們已經(jīng)知道了八大行星的運(yùn)動(dòng)規(guī)律. .八大行星之所以繞太陽做圓周運(yùn)動(dòng)，是什么原因造成的呢 ？我們這節(jié)課就一起來探究這個(gè)問題推動(dòng)新課開普勒描述了行星的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，那么它們?yōu)槭裁催@樣運(yùn)動(dòng)呢？很多科學(xué)家都對(duì)運(yùn)動(dòng)的原因提出了各種猜想行甩的運(yùn)動(dòng)是的緣故.磁力與距離戒反比一， 如圖所示

5、（課件展示） . .開普勒子宙由不停族轉(zhuǎn)著的徵粒所組成,融粒的運(yùn)動(dòng)形成 遊渦.足陽和訂堆往齊 1的澈 渦中卜行用漩渦帶動(dòng)衛(wèi)星運(yùn)釦 耒陽的漩偶帶功行星和 衛(wèi)星一返運(yùn)動(dòng).行杲的菖動(dòng)馬地廊榭休的運(yùn)動(dòng)遵從不同的規(guī)焦.彳訥:運(yùn)動(dòng)是“慣性自行維持的.伽利伽利略略胡克,M-KJL/我和雷恩、 盼思都認(rèn)為行蟲 的運(yùn)吐I懇龍陽引力的緣故、井 力的大小耳列衣陽距離的平方戰(zhàn) 反比.我還認(rèn)為重力是地球引力 產(chǎn)生的一科學(xué)家對(duì)行星運(yùn)動(dòng)原因的各種猜想牛頓在前人對(duì)慣性研究的基礎(chǔ)上，認(rèn)為：以任何方式改變速度（包括方向）都需要力所以，使行星沿圓或橢圓運(yùn)動(dòng) 需要指向圓心或橢圓焦點(diǎn)的力，這個(gè)力應(yīng)該是太陽對(duì)它的引力，所以,牛頓利用他的

6、運(yùn)動(dòng)定律把行星的向心加速度與太陽對(duì)它的引力聯(lián)系起來了一、太陽對(duì)行星的引力1猜想與模型簡化師生互動(dòng)：教師提出問題，引導(dǎo)學(xué)生共同解決，為推導(dǎo)太陽對(duì)行星的引力作好準(zhǔn)備由力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系知：已知力的作用規(guī)律可推測物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；若已知物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,也能夠推測力的作用規(guī)律問題 1.今天探究太陽與行星間的引力屬于哪種情況？問題 2行星繞太陽運(yùn)動(dòng)的規(guī)律是怎樣的？問題 3前面我們學(xué)習(xí)了兩種曲線運(yùn)動(dòng)，是哪兩種如何處理？問題 4.若要解決橢圓軌道的運(yùn)動(dòng)，根據(jù)現(xiàn)在的知識(shí)水平，可作如何簡化？學(xué)生交流討論后回答： 明確：1屬于已知運(yùn)動(dòng)求力的情況2由開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律，行星繞太陽運(yùn)動(dòng)軌道是橢圓，相等的時(shí)間內(nèi)半徑掃過的面積

7、相等，且3滿足a_=k.T23平拋運(yùn)動(dòng)、圓周運(yùn)動(dòng)平拋運(yùn)動(dòng)可分解為兩個(gè)方向上的直線運(yùn)動(dòng)，圓周運(yùn)動(dòng)可分解為沿半徑方向和沿切線方向上的運(yùn)動(dòng).4簡化成圓周運(yùn)動(dòng).2.太陽對(duì)行星的引力.問題探究問題 1.根據(jù)開普勒行星運(yùn)動(dòng)第一、第二定律，在行星軌道為圓的簡化模型下，行星做何種運(yùn)動(dòng)？問題 2.做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體必定得有力提供向心力，行星的運(yùn)動(dòng)是由什么力提供的向心力？力？問題 4.不同行星的公轉(zhuǎn)周期 T 是不同的，F(xiàn) 跟 r 關(guān)系式中不應(yīng)出現(xiàn)周期T，我們可使用什么知識(shí)把 T 消去？師生交流討論或大膽猜測.明確：1.既然把橢圓軌道簡化為圓形軌道，由第二定律：行星與太陽的連線在相等的時(shí)間內(nèi)掃過相等的面積，可知：

8、行星做勻速圓周運(yùn)動(dòng) .2. 猜想：太陽對(duì)行星的引力，并且此引力等于行星做圓周運(yùn)動(dòng)所需要的向心力4兀23.選擇m斤r，因?yàn)樵谌粘Ｉ钪?，行星繞太陽運(yùn)動(dòng)的線速度v、角速度o不易觀測，但周期 T比較容易觀測出來.R34. 由開普勒第三定律可知，2=k，并且 k 是由中心天體的質(zhì)量決定的.所以可對(duì)此式變形為2問題 3.向心力公式有多個(gè)，如、r，我們選擇哪個(gè)公式推導(dǎo)出太陽對(duì)行星的T2T2=R3合作交流根據(jù)對(duì)上述問題的探究，讓學(xué)生分組交流合作，推導(dǎo)出太陽對(duì)行星的吸引力的表達(dá)式設(shè)行星的質(zhì)量為 m,行星到太陽的距離為 r,公轉(zhuǎn)周期為 T,根據(jù)牛頓第二定律可得太陽對(duì)行星的4兀2引力為：F= mrT233由開普勒

9、第三定律2=k 可得 T2=rTk4242rk , m由得：F=m3r=m34：k2rrrk即F=4二2就r式表明：太陽對(duì)不同行星的引力，與行星的質(zhì)量成正比，與行星和太陽間距離的二次方成反比點(diǎn)評(píng)：通過對(duì)上述問題探究，使學(xué)生了解物理問題的一般處理方法：抓住主要矛盾，忽略次要因素，大膽實(shí)行科學(xué)猜想，體會(huì)科學(xué)研究方法對(duì)人們理解自然的重要作用二、 行星對(duì)太陽的引力問題探究1牛頓第三定律的內(nèi)容是什么？2根據(jù)牛頓第三定律，行星對(duì)太陽的引力滿足什么樣的關(guān)系？學(xué)生思考、歸納、代表發(fā)言 明確：1.兩個(gè)物體間的作用力和反作用力總是大小相等、方向相反，作用在同一條直線上2.根據(jù)牛頓第三定律和太陽對(duì)行星的引力滿足的關(guān)

10、系可知：行星對(duì)太陽的引力 F大小應(yīng)該與太陽質(zhì)量 M 成正比，與行星、太陽距離的二次方成反比，也就是Fx.r三、 太陽與行星間的引力合作探究內(nèi)容：1利用太陽對(duì)行星的作用力和行星對(duì)太陽的作用力的關(guān)系，猜想太陽與行星間作用力與M、m、r 的關(guān)系.2寫出太陽與行星間引力的表達(dá)式.探究：1.通過此兩個(gè)問題鍛煉學(xué)生的邏輯思維水平mF乂2rMF兀2r2.引入比例常數(shù) G，可得：F=GM：rF =F：-Mm2r對(duì)公式的說明：(1)公式表明，太陽與行星間的引力大小，與太陽的質(zhì)量、行星的質(zhì)量成正比，與兩者距離的二次方成反比（2）式中 G 是比例系數(shù)，與太陽、行星都沒相關(guān)系（3）太陽與行星間引力的方向沿著二者的連線

11、方向我們沿著牛頓的足跡，一直是在已有的觀測結(jié)果（開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律）和理論引導(dǎo)（牛頓運(yùn)動(dòng) 定律）下實(shí)行推測和分析，觀測結(jié)果僅對(duì) 行星繞太陽運(yùn)動(dòng)”成立這還不是萬有引力定律.例 1 已知太陽光從太陽射到地球需要500,地球繞太陽的公轉(zhuǎn)周期約為 3.2 107s,地球的質(zhì)量約為 6X1024kg.求太陽對(duì)地球的引力為多大？（答案只需保留一位有效數(shù)字）解析：地球繞太陽做橢圓運(yùn)動(dòng)，因?yàn)闄E圓非常接近圓軌道，所以可將地球繞太陽的運(yùn)動(dòng)看成4兀2勻速圓周運(yùn)動(dòng)，需要的向心力由太陽對(duì)地球的引力提供，即F=mRb2=mR2T2因?yàn)樘柟鈴奶柹涞降厍蛴玫臅r(shí)間為500 s,所以太陽與地球間的距離R=ct（c 為光速）答

12、案：4022N例 2 最近，科學(xué)家在望遠(yuǎn)鏡中看到太陽系外某一恒星有一行星，并測得它圍繞該恒星運(yùn)動(dòng)一周所用的時(shí)間為 1 200 年，它與該恒星的距離為地球到太陽距離的100 倍假定該行星繞恒星運(yùn)行的軌道和地球繞太陽運(yùn)行的軌道都是圓周，僅利用以上兩個(gè)數(shù)據(jù)能夠求出的量有（）A.恒星質(zhì)量與太陽質(zhì)量之比B.恒星密度與太陽密度之比C 行星質(zhì)量與地球質(zhì)量之比D 行星運(yùn)行速度與地球公轉(zhuǎn)速度之比4 -2rh亍，由各自的運(yùn)行時(shí)間比和距離比可求出恒星質(zhì)量和太陽質(zhì)量之比，再由 v=2 r可求出各自的運(yùn)行速度之比，所以A、D 選項(xiàng)準(zhǔn)確.T答案：AD規(guī)律總結(jié)： 在有的物理問題中，所求量不能直接用公式實(shí)行求解，必須利用等效

13、的方法間接求解，這就要求在等效替換中建立一個(gè)恰當(dāng)?shù)奈锢砟Ｐ?，利用相?duì)應(yīng)的規(guī)律，尋找解題的途徑課堂訓(xùn)練1一顆小行星繞太陽做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑是地球半徑的4 倍，則這顆小行星運(yùn)轉(zhuǎn)的周期是A.4 年B.6 年C.8 年2設(shè)土星繞太陽的運(yùn)動(dòng)為勻速圓周運(yùn)動(dòng)，若測得土星到太陽的距離為 期為 T萬有引力常量為 G,則根據(jù)以上數(shù)據(jù)可解得的物理量有（A. 土星線速度的大小B.土星加速度的大小C 土星的質(zhì)量D 太陽的質(zhì)量13火星半徑是地球半徑的一半，火星質(zhì)量約為地球質(zhì)量的，那么地球表面質(zhì)量為50 kg 的人9受到地球的吸引力約為火星表面同質(zhì)量的物體受到火星引力的_倍所以 F=4;mct，代入數(shù)據(jù)得F 4 1N解析

14、：由GM2=m(2)2r,MrTD.9 年R，土星繞太陽運(yùn)動(dòng)的周）參考答案：1.C 2.ABD3.解析：設(shè)火星質(zhì)量為 mi,地球質(zhì)量為 m2，火星半徑為 ri，地球半徑為 2,則由 F=得r9答案：94點(diǎn)評(píng)：太陽與行星間的引力規(guī)律 F=GMJmr意的是，此時(shí)式中的 r 為行星的半徑.課堂小結(jié)通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，我們了解知道了：1.太陽對(duì)行星的引力大小與行星的質(zhì)量成正比，與行星和太陽間距離的二次方成反比.2.行星對(duì)太陽的引力大小與太陽的質(zhì)量M 成正比，與太陽到行星的距離的二次方成反比 .3.太陽與行星間的引力與太陽的質(zhì)量、行星的質(zhì)量成正比，與兩者距離的平方成反比：FXMm.r寫成等式：F=鄴.r布

15、置作業(yè)1. 教材問題與練習(xí)”12.2. 分組討論課本 說一說”欄目中的問題.板書設(shè)計(jì)2 太陽與行星間的引力太陽對(duì)行星的引力：F 比號(hào)rM：F*2m2miJ；=9 (i)2r22同樣也適用于行星和行星表面的物體之間，需要注太陽與行星間的引力 行星對(duì)太陽的引力火星m2Fimi2rir太陽與行星間的引力 :F 乂 罌或F=9 啤.rr活動(dòng)與探究課題：如下圖所示為一名宇航員漂浮”在地球外層空間的照片，根據(jù)照片體現(xiàn)的情景提出幾個(gè)與物理知識(shí)相關(guān)的問題.*目的：提升學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題的水平提出一個(gè)問題往往比解決一個(gè)問題更重要，提出新問題需要有創(chuàng)造性的想象力，而且會(huì)推動(dòng)科學(xué)的進(jìn)步提示：所提的問題能夠涉及力學(xué)、電磁學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、原子物理學(xué)等各個(gè)部分舉例：例如宇宙員是否受地球引力作用，此宇航員受力是否平衡宇航員背后的天空為什么是黑 暗的等等習(xí)題詳解1解答：這節(jié)的討論屬于根據(jù)物體的運(yùn)動(dòng)探究它受的力平拋運(yùn)動(dòng)的研究屬于根據(jù)物體的受力探究它的運(yùn)動(dòng)，而圓周運(yùn)動(dòng)的研究屬于根據(jù)物體的運(yùn)動(dòng)探究它受的力r32解答：這個(gè)無法在實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證的規(guī)律就是開普勒第三定律=k，是開普勒根