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萬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 萬有引力定律在天文學(xué)上的應(yīng)用 科目 物理 年級 高一級 教學(xué)時(shí) 間 1課時(shí) 教材分析 這節(jié)課通過對一些天體運(yùn)動(dòng)的實(shí)例分析,使學(xué)生了解:通常物體之間的萬有引力很小,常常覺察不出來,但在天體運(yùn)動(dòng)中,由于天體的質(zhì)量很大,萬有引力將起決定性作用,對天文學(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(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)星半徑等問題。 本節(jié)內(nèi)容是這一章的重點(diǎn),是萬有引力定律在實(shí)際中的具體應(yīng)用利用萬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)基本掌握萬有引力定律和圓周運(yùn)動(dòng)的知識; 3學(xué)生的基礎(chǔ)和學(xué)習(xí)習(xí)慣不太好。 4設(shè)計(jì)重趣味性與知識性的結(jié)合。 教學(xué)目標(biāo) 一、知識與技能 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):萬有引力作為行星、衛(wèi)星圓周運(yùn)動(dòng)的向心力; 2了解萬有引力定律在天文學(xué)上有重要應(yīng)用; 3會(huì)用萬有引力定律計(jì)算天體的質(zhì)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(jì)算天體(中心體)的質(zhì)量。 2通過把環(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通過萬有引力定律在實(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利用萬有引力定律可以發(fā)現(xiàn)求知天體,學(xué)生懂得理論來源于實(shí)踐,反過來又可以指導(dǎo)實(shí)踐的辯證唯物主義觀點(diǎn)。 3通過介紹亞當(dāng)斯與勒威耶的歷史奇緣,激發(fā)學(xué)生對科學(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);行星繞太陽的運(yùn)動(dòng)的向心力是由萬有引力提供的。 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。 萬有引力定律在天文學(xué)上的應(yīng)用教學(xué)過程描述 教學(xué)活動(dòng) 1 (一)師生互動(dòng),激趣導(dǎo)入 1教師展示:美國網(wǎng)站2019年8月14日報(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想將成為現(xiàn)實(shí)。當(dāng)然,太空旅館房價(jià)不菲,每位房客入住3天的費(fèi)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(yù)計(jì)于2019年建造完畢并投入使用。入住費(fèi)用100萬美元。 2引入課題:萬有引力定律的天文學(xué)上的應(yīng)用 教學(xué)活動(dòng) 2 (二)問題啟發(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地球質(zhì)量的問題,于是引入了本節(jié)課的第一個(gè)問題,測天體的質(zhì)量。 2新知識的探究 方法一: 老師:請學(xué)生回顧當(dāng)初卡文迪許測出地球質(zhì)量的方法, 學(xué)生:(分組探究) 活動(dòng)過程: 對象的選取: 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)萬有引力等于重力的關(guān)系來計(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:請學(xué)生思考在旅館里有沒有其它測量地球質(zhì)量的方法呢? 活動(dòng)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(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有引力 即有: 得: 教學(xué)活動(dòng) 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(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)萬有引力定律計(jì)算出來的有一定偏離。當(dāng)時(shí)有人預(yù)測,肯定在其軌道外還有一顆未發(fā)現(xiàn)的新星。后來,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,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,萬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)對比) 劍橋大學(xué)畢業(yè),1843年開始在母校任教: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)象的問題。1842年正式研究。21845年,當(dāng)時(shí)的巴黎天文臺臺長阿喇果建議他研究天王星運(yùn)動(dòng)的反常問題。31844年以后,亞當(dāng)斯研究了這些觀測資料,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次測資料,運(yùn)用萬有引力定律,通過求解33個(gè)方程,計(jì)算出對天王星起攝動(dòng)作用的未知行星的軌道和質(zhì)量,并且預(yù)測了它的位置。4向格林尼治天文臺臺長艾里共六次報(bào)告了他的計(jì)算結(jié)果,但未受重視。他將計(jì)算結(jié)果呈送給法國科學(xué)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(jī)會(huì)就讓給了德國天文學(xué)家伽勒和勒威耶。亞當(dāng)斯是一位十分謙虛的人,在對待海王星發(fā)現(xiàn)的優(yōu)先權(quán)問題上沒有進(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,請求幫助觀測。伽勒收到勒威耶信的當(dāng)天晚上,就觀測搜尋,僅用一個(gè)半小時(shí)就在偏離勒威耶預(yù)言的位置52處觀測到了這顆當(dāng)時(shí)星圖上沒有的星。英國皇家學(xué)會(huì)授予他柯普利獎(jiǎng)?wù)?曾(18511853年,18741876年)
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