2019-2020學(xué)年人教版(2019)必修27.3萬(wàn)有引力定律的成就教案

1、課題教材分析教學(xué)目標(biāo)萬(wàn)有引力理論的成就萬(wàn)有引力理論的成就單元 7 學(xué)科 物理 年級(jí)高一本節(jié)教材簡(jiǎn)要介紹了萬(wàn)有引力理論在天文學(xué)上的重要應(yīng)用，即“稱(chēng)量地球的質(zhì)量”、“計(jì)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(guò)“稱(chēng)量”地球的質(zhì)量，在不考慮地球自轉(zhuǎn)影響的情況下，認(rèn)為地面上的 物體所受重力和引力相等，進(jìn)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(jì)算出地球的質(zhì)量。這種設(shè)計(jì)思路既給出了應(yīng)用萬(wàn)有引力定律解決問(wèn)題 一種思路，也展示了萬(wàn)有引力理論的魅力一一”稱(chēng)量地球的質(zhì)量”。教材隨后作為示范，以計(jì)算太陽(yáng)質(zhì)量為例，給出了運(yùn)用萬(wàn)有引力定律計(jì)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(jiǎn)要介紹了亞當(dāng)斯和勒維耶發(fā)現(xiàn)海 王星的過(guò)程，哈雷預(yù)言彗星的回歸時(shí)間，都顯示了萬(wàn)有引力理論的巨大成就。因 此，通過(guò)這一節(jié)課的學(xué)習(xí)，一方面要使學(xué)生了解運(yùn)用萬(wàn)有引力定律解決問(wèn)題的思 路和方法，另一方面還要能體會(huì)到科學(xué)定律對(duì)人類(lèi)探索未知世界的作用，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和對(duì)科學(xué)的熱愛(ài)之情一、教學(xué)目標(biāo)1. 了解地球表面物體的萬(wàn)有引力兩個(gè)分力的大小關(guān)系，計(jì)算地球質(zhì)量；2. 行星繞恒星運(yùn)動(dòng)、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，會(huì)用萬(wàn)有引力定律計(jì)算天體的質(zhì)量；3. 了解萬(wàn)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(yùn)動(dòng)模型的物理觀念，培養(yǎng)學(xué)生的時(shí)空觀念、

3、和相互作用觀念?？茖W(xué)思維：通過(guò)學(xué)習(xí)培養(yǎng)學(xué)生善于觀察、善于思考，善于動(dòng)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(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和大膽探究的心理品質(zhì)；體 會(huì)物理學(xué)規(guī)律的簡(jiǎn)潔性和普適性，領(lǐng)略物理學(xué)的優(yōu)美。教學(xué)重點(diǎn)1 .地球質(zhì)量的計(jì)算、太陽(yáng)等中心天體質(zhì)量的計(jì)算。2 .通過(guò)數(shù)據(jù)分析、類(lèi)比思維、歸納總結(jié)建立模型來(lái)加深理解。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)過(guò)程教學(xué)環(huán)節(jié)教師活動(dòng)學(xué)生活動(dòng)設(shè)計(jì)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(lái)測(cè)量，生活中物體的質(zhì)量常用電子 秤或臺(tái)秤來(lái)稱(chēng)量。出示圖片：天平、電子秤、臺(tái)秤阿基米德曾說(shuō)過(guò)：“給人個(gè)支點(diǎn)，我就 能撬

4、起整個(gè)地球。”出示圖片：阿基米德撬起整個(gè)地球那么如果給你一個(gè)足夠長(zhǎng)的杠桿或足夠 大的天平你是否就可以稱(chēng)量地球的質(zhì)量了 呢？口以0對(duì)于地球，我們?cè)鯓印胺Q(chēng)量”它的質(zhì)量 呢？觀察圖片積 極討論思 考：對(duì)于地 球，我們?cè)?樣“稱(chēng)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(chēng)量”地球的質(zhì)量上一節(jié)我們學(xué)習(xí)了萬(wàn)有引力定律：F=Gmr普，這一節(jié)我們就來(lái)學(xué)習(xí)怎樣利用它 來(lái)算出下面地球的質(zhì)量。思考討論：計(jì)算地球的質(zhì)量時(shí)，我們應(yīng) 選擇哪個(gè)物體作為研究對(duì)象？運(yùn)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(duì)象，物體 m在緯度為8的位置，萬(wàn)有引力指向地心， 它可分

5、解為兩個(gè)分力：m隨地球自轉(zhuǎn)圍繞地 軸運(yùn)動(dòng)的向心力Fn和重力Go實(shí)際上隨地球自轉(zhuǎn)的物體向心力遠(yuǎn)小于 重力，在忽略自轉(zhuǎn)的影響下萬(wàn)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(wàn) 有引力大小近 似等于重力大 小。1、計(jì)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(dá)式,在鍛煉學(xué)生的計(jì) 算能力，規(guī)范解 題步驟練習(xí)本上進(jìn)行定量計(jì)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(cè)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(shí)驗(yàn)說(shuō)成是“稱(chēng)量地球的重 量”。出示圖片：卡文迪什二、計(jì)算天體的質(zhì)量應(yīng)用萬(wàn)有引力可算出地球的質(zhì)量，能否 算出太陽(yáng)的質(zhì)量呢？1、基本思路學(xué)生思考討論并說(shuō)出基本思路鍛煉學(xué)生的總結(jié)以及語(yǔ)言表 達(dá)能力，為下面 的計(jì)算做鋪墊(1)簡(jiǎn)化模型：將行星繞太陽(yáng)的

7、運(yùn)動(dòng)看 成是勻速圓周運(yùn)動(dòng)。(2)萬(wàn)有引力充當(dāng)向心力 F=Fn(3)依據(jù)萬(wàn)有引力定律和牛頓第二定律 列出方程，從中解出太陽(yáng)的質(zhì)量。設(shè)m太是太陽(yáng)的質(zhì)量，m是某個(gè)行星的質(zhì)量，r是行星與太陽(yáng)之間的距離。解：萬(wàn)有引力充當(dāng)向心力:mm太 2G -2 = m 3 r r行星運(yùn)動(dòng)的角速度 不能直接測(cè)出，但可測(cè)出它的周期T。把和T的關(guān)系9 =學(xué)生推導(dǎo)出太陽(yáng)質(zhì)量的鍛煉學(xué)生的計(jì) 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(jìn)自：行定量計(jì)2 34冗rm太二，；尸 Gl思考討論：m太/2 3該表達(dá)式與環(huán)行大體質(zhì)量m有沒(méi)有關(guān)系?tu天體m測(cè)出行星的公轉(zhuǎn)周期T和它與太陽(yáng)的距離r

8、,就可以算出太陽(yáng)的質(zhì)量，與環(huán)行大體質(zhì)量m無(wú)關(guān)。只能求出中心大體的質(zhì)量。思考討論：已知太陽(yáng)與地球間的平均距離約為1. 5Xl011m,你能估算太陽(yáng)的質(zhì)量嗎？換用其他行星的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行估算，結(jié)果會(huì)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(jì)算太陽(yáng)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(wú)關(guān)。鍛煉學(xué)生的計(jì) 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(jìn)行估算 結(jié)果不會(huì)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(jìn)行估算，結(jié)果會(huì)相近。雖然不同行星與太陽(yáng)間的距離r和繞太 陽(yáng)公轉(zhuǎn)的周期T各不相同，但是根據(jù)開(kāi)普勒3第三定律，所有行星的 二=卜均相同，所以無(wú)T2鞏固測(cè)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(jìn)行 計(jì)算，所得的太陽(yáng)質(zhì)量均相同。學(xué)生思考討 論：怎樣計(jì) 算木星的質(zhì) 量和月球的 質(zhì)量？思考討論：怎樣計(jì)算木星的質(zhì)量和月球 的質(zhì)量？要計(jì)算木星的質(zhì)量，對(duì)木星的衛(wèi)星進(jìn)行 測(cè)量，只要測(cè)得一顆衛(wèi)星的軌道半徑和周期, 就可計(jì)算木星的質(zhì)量。出示圖片：木星和它的衛(wèi)星要計(jì)算月球的質(zhì)量，由于人類(lèi)發(fā)射的航 天器會(huì)環(huán)繞月球運(yùn)行，只要測(cè)得航天器繞月 運(yùn)行的軌道半徑和周期，就可計(jì)算月球的質(zhì) 量。三、計(jì)算天體的密度

10、1、已知太陽(yáng)某行星的公轉(zhuǎn)周期T、軌道半徑r,太陽(yáng)的半徑R,求太陽(yáng)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(yáng) 的密度？鍛煉學(xué)生的推 導(dǎo)能力，掌握計(jì) 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(yùn)動(dòng)的周期為T(mén)i,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(cè)得在該處做勻速圓周運(yùn)動(dòng)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(jì)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(guò)萬(wàn)有引力 定律成功地預(yù) 測(cè)未知的星體， 這不僅鞏固了 萬(wàn)有引力定律 的地位，也充分 展示了科學(xué)理 論的預(yù)見(jiàn)性。1781年由英國(guó)物理

12、學(xué)家威廉。赫歇爾發(fā) 現(xiàn)了天王星，但人們觀測(cè)到的天王星的運(yùn)動(dòng) 軌道有些“古怪”：根據(jù)萬(wàn)有引力定律計(jì)算出 來(lái)的軌道與實(shí)際觀測(cè)的結(jié)果總有一些偏差。1945年英國(guó)的劍橋大學(xué)的學(xué)生亞當(dāng)斯和 法國(guó)年輕的天文愛(ài)好者勒維耶根據(jù)天王星的 觀測(cè)資料，各自獨(dú)立地利用萬(wàn)有引力定律計(jì) 算出這顆“新”行星的軌道各自獨(dú)立計(jì)算出 來(lái)。1846年9月23日晚，德國(guó)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(chēng)其為“筆尖下發(fā)現(xiàn)的行星”。后來(lái)，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(guò)程充分顯示了理論對(duì)于 實(shí)踐的巨大指導(dǎo)作用，所用的“計(jì)算、預(yù)測(cè) 和觀察”的方法指導(dǎo)人們

13、尋找新的天體。近100年來(lái)，人們?cè)谶@里發(fā)現(xiàn)了冥王星、 閱神星等幾個(gè)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(guó)天文學(xué)家哈雷依據(jù)萬(wàn)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(guò)了近日點(diǎn)，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(shí)回歸” 確立了萬(wàn)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(yáng)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(cè)地球呈赤道處略為隆起的扁平形狀。萬(wàn)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(lèi)登陸 其它星球成為可能。假設(shè)未來(lái)的某f,宇 航員登上某一星球后，測(cè)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(shí)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(jī)在圍繞地球做勻 速圓周運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，卜列關(guān)于宇航員的說(shuō)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(yùn) 動(dòng)

15、的向心力C.宇航員處于完全失重狀態(tài)D.宇航員對(duì)座椅的壓力為零答案：BCD3、我國(guó)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(yùn)動(dòng)的軌道半徑為 r, 則飛船在圓軌道上運(yùn)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(guó)發(fā)射的“嫦 娥四號(hào)”探測(cè)器成功升空，并于2019年1月 3日實(shí)現(xiàn)了人造探測(cè)器首次在月球背面軟著 陸。在探測(cè)器逐漸遠(yuǎn)離地球，飛向月球的過(guò) 程中（）A.地球?qū)μ綔y(cè)器的引力增大B.地球?qū)μ綔y(cè)器的引力減小C.月球?qū)μ綔y(cè)器的引力減小D.月球?qū)μ綔y(cè)器的引力/、變答案：B2、2019年1月3日

16、，“嫦娥四號(hào)”成功 軟著陸在月球背面，并通過(guò)“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(kāi)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(yùn)行，若要估算月球的平均密度，唯一要 測(cè)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(gè)行星質(zhì)量分別為mi和m2,繞太 陽(yáng)運(yùn)行的軌道半徑分別是ri和2,則它們與 太陽(yáng)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(wú)關(guān)，且只能求出中心天體的質(zhì)量。2、解決大體問(wèn)題的兩條思路第一種思路：重力等于物體與大體間的Mm萬(wàn)有引力mg