《萬有引力定律在天文學上的應用》教學設計

萬有引力定律在天文學上的應用教學設計課題名稱 萬有引力定律在天文學上的應用 科目 物理 年級 高一級 教學時 間 1課時 教材分析 這節(jié)課通過對一些天體運動的實例分析，使學生了解：通常物體之間的萬有引力很小，常常覺察不出來，但在天體運動中，由于天體的質量很大，萬有引力將起決定性作用，對天文學的發(fā)展起了很大的推動作用，其中一個重要的應用就是計算天體的質量。 在講課時，應用萬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有引力約等于物體的重力，即F引mg可得出計算天體質量的另一種方法。 2把環(huán)繞天體（或衛(wèi)星）的運動看成是勻速圓周運動，即F引F向，用于計算天體（中心體）的質量，討論衛(wèi)星半徑等問題。 本節(jié)內容是這一章的重點，是萬有引力定律在實際中的具體應用利用萬有引力定律除了可求出中心天體的質量外還可發(fā)現(xiàn)未知天體 學情分析 本節(jié)課的學習者特征分析主要是根據學生的實際情況做出的： 1學生是實驗二中高一（5）班學生； 2學生已經基本掌握萬有引力定律和圓周運動的知識； 3學生的基礎和學習習慣不太好。 4設計重趣味性與知識性的結合。 教學目標 一、知識與技能 1了解行星繞恒星運動及衛(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； 2了解萬有引力定律在天文學上有重要應用； 3會用萬有引力定律計算天體的質量。 二、過程與方法 1由地面附近物體與地球間的萬有引力約等于物體的重力，即F引mg來于計算天體（中心體）的質量。 2通過把環(huán)繞天體（或衛(wèi)星）的運動看成是勻速圓周運動，然后根據F引F向，用于計算天體（中心體）的質量。 3通過萬有引力定律在實際中的應用，培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際的能力 三、情感態(tài)度與價值觀 1利用設置豐富的問題情境，鼓勵學生從多角度思考、探索、交流，激發(fā)學生的好奇心和主動學習的欲望； 2利用萬有引力定律可以發(fā)現(xiàn)求知天體，學生懂得理論來源于實踐，反過來又可以指導實踐的辯證唯物主義觀點。 3通過介紹亞當斯與勒威耶的歷史奇緣，激發(fā)學生對科學家探究真理的崇拜之情。 教學重點 1環(huán)繞天體的運動：如月球繞地球的運動；行星繞太陽的運動的向心力是由萬有引力提供的。 2會用已知條件求中心天體的質量。 教學難點 根據已有條件求中心天體的質量。 教學資源 （1）給同學們準備一些相關資料； （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。 萬有引力定律在天文學上的應用教學過程描述 教學活動 1 （一）師生互動，激趣導入 1教師展示：美國網站2019年8月14日報道，世界上第一個太空旅館“銀河套房酒店”有望在2019年建成，屆時太空迷們翱翔宇宙的夢想將成為現(xiàn)實。當然，太空旅館房價不菲，每位房客入住3天的費用是400萬美元（約合人民幣3000萬元）。2019年從俄羅斯發(fā)射升空充氣式太空酒店，預計于2019年建造完畢并投入使用。入住費用100萬美元。 2引入課題：萬有引力定律的天文學上的應用 教學活動 2 （二）問題啟發(fā)，合作探究 1創(chuàng)設情景：（可以與實際不符） 如姚明在旅館巧遇卡文迪許，于是他們談論起測地球質量的問題，于是引入了本節(jié)課的第一個問題，測天體的質量。 2新知識的探究 方法一： 老師：請學生回顧當初卡文迪許測出地球質量的方法， 學生：（分組探究） 活動過程： 對象的選?。?站在地面上的姚明 滿足的規(guī)律： 在可忽略中心天體自轉的影響時，根據萬有引力等于重力的關系來計算其質量 教學活動 2 方程的建立： 得出的結論： 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 教學活動 3 （三）規(guī)律探究，另解方法 方法二： 老師：引導學生討論在太空旅館里可用上述方法測地地球質量嗎？ 旅館里的一些情況介紹 一天內看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“飛檐走壁” 學生：不能，太空中處于完全失重 老師：請學生思考在旅館里有沒有其它測量地球質量的方法呢？ 活動過程： 對象的選?。?太空酒店里的姚明 滿足的規(guī)律： 萬有引力提供向心力 方程的建立： 得出的結論： 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 教學活動 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行的周期為30天，求：地球的質量。 解：月球繞地球運行的向心力即月地間的萬有引力 即有： 得： 教學活動 5 （五）規(guī)律拓展，密度測量 老師講授：幾種常用的求密度的方法 一、根據環(huán)繞天體繞中心天體表面轉動時 二、根據環(huán)繞天體繞中心天體在以某高度轉動時 三、已知中心天體的半徑和表面重力加速度時 教學活動 6 教學活動 7 （六）應用之二，發(fā)現(xiàn)未知天體 溫馨提示： 只能求中心天體的質量，不能環(huán)繞天體的質量。 老師：環(huán)繞天體的軌道半徑可以計算嗎？ 根據，而，兩式聯(lián)立得： 在18世紀發(fā)現(xiàn)的第七個行星天王星的運動軌道，總是同根據萬有引力定律計算出來的有一定偏離。當時有人預測，肯定在其軌道外還有一顆未發(fā)現(xiàn)的新星。后來，亞當斯和勒威耶在預言位置的附近找到了這顆新星。后來，科學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，萬有引力定律在天文學上的應用，有極為重要的意義。 老師：介紹亞當斯與勒威耶的歷史奇緣（六點對比） 劍橋大學畢業(yè)，1843年開始在母校任教：1巴黎工藝學院畢。1837年任母校天文教師， 早在劍橋大學學習時，亞當斯就注意到有關天王星運動出現(xiàn)反?，F(xiàn)象的問題。1842年正式研究。21845年，當時的巴黎天文臺臺長阿喇果建議他研究天王星運動的反常問題。31844年以后，亞當斯研究了這些觀測資料，計算了影響天王星運動的一顆未知行星的軌道要素、質量和日心黃經，并預言未知行星的位置。3利用有關天王星的18次測資料，運用萬有引力定律，通過求解33個方程，計算出對天王星起攝動作用的未知行星的軌道和質量，并且預測了它的位置。4向格林尼治天文臺臺長艾里共六次報告了他的計算結果，但未受重視。他將計算結果呈送給法國科學院，他的工作在法國同行中受到了冷遇。5這樣將發(fā)現(xiàn)海王星的機會就讓給了德國天文學家伽勒和勒威耶。亞當斯是一位十分謙虛的人，在對待海王星發(fā)現(xiàn)的優(yōu)先權問題上沒有進行聲辯。這樣他雖然暫時失去了某些榮譽，但他始終受到同行的贊賞和尊重，5他還寫信給當時擁有較大望遠鏡的幾個天文學家，請求幫助觀測。伽勒收到勒威耶信的當天晚上，就觀測搜尋，僅用一個半小時就在偏離勒威耶預言的位置52處觀測到了這顆當時星圖上沒有的星。英國皇家學會授予他柯普利獎章6曾（18511853年，18741876年）