【優(yōu)教通-備課參考】2020年高中物理教學(xué)設(shè)計(jì)：6.4《萬(wàn)有引力理論的成就》2(人教版必修2)

6.4萬(wàn)有引力理論的成就新課教學(xué)新課講授：一、“科學(xué)真實(shí)迷人”師設(shè)問(wèn)：?jiǎn)栴}一:如何測(cè)地球的質(zhì)量？天平能用嗎？問(wèn)題一：假如要知道地球的質(zhì)量，應(yīng)當(dāng)知道哪些條件？老師活動(dòng)：引導(dǎo)同學(xué)閱讀教材“科學(xué)真實(shí)迷人”部分的內(nèi)容，思考問(wèn)題1、推導(dǎo)出地球質(zhì)量的表達(dá)式，說(shuō)明卡文迪許為什么能把自己的試驗(yàn)說(shuō)成是“稱量地球的重量”？2、設(shè)地面四周的重力加速度g=9.8m/s2，地球半徑R=6.4×106m，引力常量G=6.67×10-11Nm2/kg同學(xué)活動(dòng)：閱讀課文，推導(dǎo)出地球質(zhì)量的表達(dá)式，在練習(xí)本上進(jìn)行定量計(jì)算。老師活動(dòng)：同學(xué)的推導(dǎo)、計(jì)算過(guò)程，一起點(diǎn)評(píng)總結(jié)求天體質(zhì)量方法一不考慮天體自轉(zhuǎn)的影響:已知:三個(gè)量g、R、G三個(gè)量就可以求練習(xí)一：一宇航員為了估測(cè)一星球的質(zhì)量，他在該星球的表面做自由落體試驗(yàn)：讓小球在離地面h高處自由下落，他測(cè)出經(jīng)時(shí)間t小球落地，又已知該星球的半徑為R，試估算該星球的質(zhì)量。二、計(jì)算天體的質(zhì)量老師活動(dòng)：引導(dǎo)同學(xué)閱讀教材“天體質(zhì)量的計(jì)算”部分的內(nèi)容，同時(shí)考慮下列問(wèn)題如何才能知道太陽(yáng)的質(zhì)量呢？上面的方法可行嗎？能不能借用行星來(lái)稱量呢？請(qǐng)同學(xué)們看書后回答同學(xué)活動(dòng)：同學(xué)閱讀課文第一部分，從課文中找出相應(yīng)的答案.我們可以測(cè)出太陽(yáng)某行星的公轉(zhuǎn)周期T、軌道半徑r，能不能由此求出太陽(yáng)的質(zhì)量M？分析：1.將行星的運(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引=Fn.只可求出中心天體的質(zhì)量，求不出環(huán)繞天體的質(zhì)量具體數(shù)據(jù)代入：把地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)看做是勻速圓周運(yùn)動(dòng)，平均半徑為1.5×1011m，已知引力常量為：G=6.67×10-11N·m2/kg2，則可估算出太陽(yáng)的質(zhì)量大約是多少千克【解析】：題干給出了軌道的半徑，雖然沒(méi)有給出地球運(yùn)轉(zhuǎn)的周期，但日常生活常識(shí)告知我們：地球繞太陽(yáng)一周為365天。故：T=365×24×3600s=3.15×107s由萬(wàn)有引力充當(dāng)向心力可得：G=m故：M=代入數(shù)據(jù)解得M=kg=2×1030老師總結(jié)：求天體質(zhì)量方法二：計(jì)算中心天體的質(zhì)量建立情景：m（環(huán)繞天體）圍著M（中心天體）轉(zhuǎn)，測(cè)出m運(yùn)動(dòng)周期T和離中心天體M的軌道半徑r就可求出中心天體M：F引=Fn同學(xué)活動(dòng)：練習(xí)二：用上面方法如何求地球質(zhì)量呢?已知地球半徑：R=6400×103m月亮周期：T=27.3天≈2.36×106s月亮軌道半徑：r≈60R，求地球的質(zhì)量M？老師設(shè)問(wèn)：假如不知道環(huán)繞天體的周期而是知道它的線速度或角速度，可以求中心天體質(zhì)量嗎？老師引導(dǎo)同學(xué)同樣用F引=Fn列式分析：m繞M做勻速圓周運(yùn)動(dòng) 有需要條件：線速度v；軌道半徑r。 有需要條件：角速度ω；軌道半徑r。有需要條件：公轉(zhuǎn)周期T；軌道半徑r。 師：上面三式中，由于線速度與角速度實(shí)際操作中不好測(cè)量，周期好測(cè)量，所以我們用得最多的公式將會(huì)是第三個(gè)?？偨Y(jié)歸納：師：從以上各式的推導(dǎo)過(guò)程可知，利用此法只能求出中心天體的質(zhì)量，而不能求環(huán)繞天體的質(zhì)量，由于環(huán)繞天體的質(zhì)量同時(shí)毀滅在方程的兩邊，已被約掉?！纠斡洝浚?、、計(jì)算的是中心天體的質(zhì)量，不能計(jì)算環(huán)繞天體的質(zhì)量。歸納總結(jié)：計(jì)算天體的質(zhì)量（1）對(duì)于有行星（或衛(wèi)星）的天體，可把行星（或衛(wèi)星）繞中心天體的運(yùn)動(dòng)近似看做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，其所需的向心力由中心天體對(duì)其的萬(wàn)有引力供應(yīng)的。若已知行星（或衛(wèi)星）繞中心天體做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的軌道半徑為和運(yùn)行的線速度為，有,解得中心天體的質(zhì)量為。若已知行星（或衛(wèi)星）繞中心天體做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的軌道半徑為和運(yùn)行的角速度ω，有,解得中心天體的質(zhì)量為。若已知行星（或衛(wèi)星）繞中心天體做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的軌道半徑為和運(yùn)行的周期，有,解得中心天體的質(zhì)量為。（2）對(duì)于沒(méi)有行星（或衛(wèi)星）的天體，或雖有行星（或衛(wèi)星），但不知道其運(yùn)行的有關(guān)物理量的狀況下，可以忽視天體自轉(zhuǎn)的影響，依據(jù)萬(wàn)有引力近似等于重力的關(guān)系列式，計(jì)算天體的質(zhì)量。若已知天體的半徑為和該天體表面的重力加速度，則有，解得天體的質(zhì)量為?！纠斡洝浚翰煌乔虮砻娴牧W(xué)規(guī)律相同，只是（重力加速度）不同，在解決其他星球表面上的力學(xué)問(wèn)題時(shí)，若要用到重力加速度應(yīng)當(dāng)是該星球的重力加速度，如：豎直上拋運(yùn)動(dòng)、平拋運(yùn)動(dòng)、豎直平面內(nèi)的圓周運(yùn)動(dòng)，都要用該星球的重力加速度。三、天體的密度 師：我們近似把中心天體看作球體,,設(shè)中心天體的半徑為,球體的體積公式,由上面方法求得中心天體的質(zhì)量為后代入密度公式即可。若環(huán)繞天體m接近中心天體M表面飛行則密度多少？r=Rr=R同學(xué)活動(dòng)：練習(xí)四：一艘宇宙飛船飛近一個(gè)不知名的行星，并進(jìn)入靠近該行星表面的圓形軌道，宇航員進(jìn)入預(yù)定的考察工作，宇航員能不能僅用一只表通過(guò)測(cè)定時(shí)間來(lái)測(cè)定該行星的密度？說(shuō)明理由及推導(dǎo)過(guò)程四、發(fā)覺(jué)未知天體 師：到了18世紀(jì)，人們已經(jīng)知道太陽(yáng)系有7顆行星，其中1781年發(fā)覺(jué)的第七顆行星——天王星的運(yùn)動(dòng)軌道有些“奇異”：依據(jù)萬(wàn)有引力定律計(jì)算出來(lái)的軌道和實(shí)際觀測(cè)的結(jié)果總有一些偏差。有人據(jù)此認(rèn)為萬(wàn)有引力定律的精確性有問(wèn)題。但另一些人則推想，在天王星軌道外面還有一顆未發(fā)覺(jué)的行星，它對(duì)天王星的吸引使其軌道產(chǎn)生了偏離。到底誰(shuí)是誰(shuí)非呢？ 師：英國(guó)劍橋高校的同學(xué)亞當(dāng)斯和法國(guó)年輕的天文學(xué)家勒維耶信任未知行星的存在。他們依據(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)算出這顆新星的軌道。1846年9月23日晚 師：用類似的方法，人們又發(fā)覺(jué)了太陽(yáng)系及太陽(yáng)系外的其他天體。1705年，英國(guó)天文學(xué)家哈雷依據(jù)萬(wàn)有引力定律計(jì)算了一顆出名彗星的軌道并正確預(yù)言了它的回歸。這就是哈雷彗星。 師：海王星的發(fā)覺(jué)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。諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者，物理學(xué)家馮·勞厄說(shuō)：“沒(méi)有任何東西像牛頓引力理論對(duì)行星軌道的計(jì)算那樣，如此有力地樹立起人們對(duì)年輕的物理學(xué)的敬重。從今以后，這門自然科學(xué)成了巨大的精神王國(guó)……”五．總結(jié)歸納布置作業(yè)課外作業(yè)：課本第40頁(yè)問(wèn)題與練習(xí)1--4板書設(shè)計(jì)：一、“科學(xué)真實(shí)迷人”稱量地球的質(zhì)量地球表面，不考慮（忽視）地球自轉(zhuǎn)的影響地球質(zhì)量二、計(jì)算中心天體質(zhì)量情景：m（環(huán)繞天體）圍著M（中心天體）轉(zhuǎn)，測(cè)出m運(yùn)動(dòng)周期T和離中心天體M的軌道半徑r就可求出中心天體M：F引=Fn或者： 有需要條件：線速度v；軌道半徑r。 有需要條件：角速度ω；軌道半徑r。三、天體的密度：天體的體積公式,密度公式r=Rr=R四．.發(fā)覺(jué)未知天體：海王星發(fā)覺(jué)冥王星哈雷彗星。隨堂練習(xí)1.已知下面的數(shù)據(jù)，可以求出地球質(zhì)量M的是（引力常數(shù)G是已知的）A.月球繞地球運(yùn)行的周期T1及月球到地球中心的距離R1B.地球“同步衛(wèi)星”離地面的高度C.地球繞太陽(yáng)運(yùn)行的周期T2及地球到太陽(yáng)中心的距離R2D.人造地球衛(wèi)星在地面四周的運(yùn)行速度v和運(yùn)行周期T32.以下說(shuō)法正確的是A.質(zhì)量為m的物體在地球上任何地方其重力均相等B.把質(zhì)量為m的物體從地面移到高空，其重力變小了C.同一物體在赤道處的重力比在兩極處大D.同一物體在任何地方其質(zhì)量都是相同的3.下列說(shuō)法正確的是A.海王星和冥王星是人們依據(jù)萬(wàn)有引力定律計(jì)算的軌道而發(fā)覺(jué)的B.天王星是人們依據(jù)萬(wàn)有引力計(jì)算的軌道而發(fā)覺(jué)的C.天王星的運(yùn)行軌道偏離依據(jù)萬(wàn)有引力計(jì)算出來(lái)的軌道，其緣由是由于天王星受到軌道外面其他行星的引力作用D.以上均不正確4.站在赤道上的人隨地球自轉(zhuǎn)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，供應(yīng)向心