7.3 万有引力理论的成就 教案
文档属性
| 名称 | 7.3 万有引力理论的成就 教案 |  | |
| 格式 | docx | ||
| 文件大小 | 612.6KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2021-03-29 23:10:18 | ||
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文档简介
第7章
万有引力与宇宙航行
第3节
万有引力理论的成就
教学内容分析
《万有引力理论的成就》是《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》必修课程必修2模块中“曲线运动与万有引力定律”主题下的内容，内容要求为：认识发现万有引力定律的重要意义。认识科学定律对人类探索未知世界的作用。《普通高中物理课程标准(2017年版)解读》对该内容的解读为：发现未知天体说明了科学定律的预测功能。
本节通过具体案例的分析使学生认识到发现万有引力定律的重要意义，认识科学定律对人类探索未知世界的作用。通过具体问题的解决，让学生认识到万有引力定律经受了实践的检验，取得了巨大的成功。作为一节应用内容，应着重引导学生建立物理模型，明确求解思路。
学情分析
从知识层面，学生已经熟练掌握匀速圆周运动的规律，对于行星绕太阳运动，学生知道太阳对行星的吸引力提供行星圆周运动的向心力，学生能够列出方程求解计算，需要注意天文观测测量的是周期，无法得到角速度或线速度，应用周期表达向心力。学生已经知道球体体积的计算公式，可延申求解天体的密度。学生喜欢探究，依靠自己的能力解决问题，要设置问题链让学生建立模型解决问题。
教学目标
1.学生理解“称量地球质量”的基本思路，了解万有引力定律在天文学上的重要应用.
2.学生理解计算太阳质量的基本思路，能将天体问题中的对象和过程转换成相关模型后进行求解。
3.学生认识万有引力定律的科学成就，体会科学的迷人魅力，进一步认识运动与相互作用观念.
教学重难点
教学重点：称量地球质量和掌握计算太阳质量的方法
教学难点：根据万有引力作为向心力计算天体的质量和密度.
教学方法：讲授法、启发式教学、讨论法
教学过程
新课教学
问题引入：称量物体的质量，通常用天平或台秤称量.如何称量地球的质量？能用天平称量地球质量吗？
1798年6月，卡文迪许在英国皇家学会发表《测量地球密度的实验》一文，测量得到引力常量G的数值.卡文迪许测得引力常量G的数值，计算地球的质量。卡文迪许是如何测量地球质量的？如何计算地球的密度？
新课教学
1.“称量”地球的质量
问题1：物体在地球表面受到重力作用，方向竖直向下，大小为mg。重力是什么含义？
问题2：地球对物体的吸引力是物体的重力吗？
问题3：物体随地球自转，做匀速圆周运动.向心力由什么力提供？
不同纬度处，相同质量的物体受到的向心力大小相等吗？
问题4：为何可以忽略地球自转影响，认为重力等于地球对物体的吸引力？
物体跟随地球自转，地球表面所有物体做圆周运动的角速度都相同，等于地球自转角速度ω。不同纬度处，物体做圆周运动的轨道半径不同。地球对物体的引力F始终指向地心，物体受地面的支持力FN。物体做圆周运动的向心力由F与FN的合力提供。
向心力Fn=m()2Rsinθ，纬度不同，向心力大小不同。在赤道位置，向心力最大为Fnmax=m()2R。物体的重力mg=FN。在赤道位置，F=mg+Fnmax。赤道位置的向心力与重力的比值为。由于地球自转角速度很小，向心力远小于重力。故可以认为忽略地球自转后，物体受到地球的吸引力等于物体受到的重力.
→
问题5：如何计算地球的平均密度？球体的体积是多少？
地球的体积，由密度定义，地球平均密度为
2.计算天体的质量
投影太阳系模型图，介绍太阳系质量分布情况。
太阳是一颗气体恒星，靠引力使气体聚集.太阳质量占据太阳系总质量的99.86%.
问题1：能使用计算地球质量的方法计算太阳的质量吗？若能，需要测量哪些物理量？
问题2：如何计算太阳的质量？行星绕着太阳运动，行星做圆周运动的向心力由什么力提供？这个力与太阳质量有关吗？
问题3：天文观测能测量地球绕太阳运动的周期T和太阳到地球的距离r。如何计算向心力？
问题4：根据太阳对行星的吸引力提供行星做圆周运动的向心力，你能推导出太阳质量的表达式吗？式中的物理量分别代表什么？
问题5：如何求太阳的平均密度？需要测量什么物理量？与地球密度比较，你有何发现？
建立地球绕太阳匀速圆周运动模型，太阳对地球的吸引力提供向心力，
解得太阳质量为
欲求解太阳的平均密度，还需要知道太阳的半径。设太阳半径为R，太阳体积为
太阳平均密度为
式中r为太阳到地球的距离，R为太阳半径，意义不同.
思考与讨论：
计算太阳质量，需要测量地球质量吗？
不同行星轨道半径
r
和周期
T
不同，使用不同行星的数据，计算出的太阳质量相同吗？为什么？
行星大多有卫星绕其运动.能运用卫星绕行星做圆周运动，计算行星的质量吗？
练习：月球绕地球一周为T=27.3d，月地平均距离为r
=38万千米。如何求地球的质量？若地球半径R=6400km，求出地球的平均密度.
3.发现未知天体
1781年，英国天文学家威廉·赫歇尔爵士利用望远镜发现一颗新的行星——天王星.经过长期观测，发现天王星的轨道与根据万有引力定律计算出来的轨道有偏差。
问题1：观测结果与理论计算结果不符，你认为原因可能是什么？有哪些可能性？
问题2：如何验证猜想是否正确？
问题3：为何亚当斯和勒维耶相信在天王星的外面还有一颗未知行星的假设而放弃其他假设？
问题4：从海王星的发现历程，你有何感悟？一个科学假设如何才能成为一个科学理论被广泛接受？
4.预言哈雷彗星回归
学生自主阅读教材了解哈雷彗星的发现过程。
课堂小结：
计算地球的质量：物体重力近似等于受到的万有引力
计算天体的质量：万有引力提供向心力
作业：教材58页第1题、第3题、第4题
板书设计
§3
万有引力理论的成就
一、“称量”地球的质量
二、计算天体的质量
三、发现未知天体
四、预言哈雷彗星回归
教学反思
本节重点内容是学会两种方法计算天体的质量。当天体自转角速度较小时，可忽略向心力，近似认为重力与受到的万有引力相等，对于这一点要引导学生分析，通过数值计算比较向心力与万有引力的大小得到。利用天体环绕中心天体做匀速圆周运动计算中心天体质量原理不难掌握，学生容易理解，困难之处是如何想到用这种方法求解。此部分教学要设置问题，引导学生分析。计算天体的密度时，要注意区分轨道半径和天体的半径，二者物理意义不同，提醒学生不可弄混淆，这一点是学生容易犯的错误。
万有引力与宇宙航行
第3节
万有引力理论的成就
教学内容分析
《万有引力理论的成就》是《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》必修课程必修2模块中“曲线运动与万有引力定律”主题下的内容，内容要求为：认识发现万有引力定律的重要意义。认识科学定律对人类探索未知世界的作用。《普通高中物理课程标准(2017年版)解读》对该内容的解读为：发现未知天体说明了科学定律的预测功能。
本节通过具体案例的分析使学生认识到发现万有引力定律的重要意义，认识科学定律对人类探索未知世界的作用。通过具体问题的解决，让学生认识到万有引力定律经受了实践的检验，取得了巨大的成功。作为一节应用内容，应着重引导学生建立物理模型，明确求解思路。
学情分析
从知识层面，学生已经熟练掌握匀速圆周运动的规律，对于行星绕太阳运动，学生知道太阳对行星的吸引力提供行星圆周运动的向心力，学生能够列出方程求解计算，需要注意天文观测测量的是周期，无法得到角速度或线速度，应用周期表达向心力。学生已经知道球体体积的计算公式，可延申求解天体的密度。学生喜欢探究，依靠自己的能力解决问题，要设置问题链让学生建立模型解决问题。
教学目标
1.学生理解“称量地球质量”的基本思路，了解万有引力定律在天文学上的重要应用.
2.学生理解计算太阳质量的基本思路，能将天体问题中的对象和过程转换成相关模型后进行求解。
3.学生认识万有引力定律的科学成就，体会科学的迷人魅力，进一步认识运动与相互作用观念.
教学重难点
教学重点：称量地球质量和掌握计算太阳质量的方法
教学难点：根据万有引力作为向心力计算天体的质量和密度.
教学方法：讲授法、启发式教学、讨论法
教学过程
新课教学
问题引入：称量物体的质量，通常用天平或台秤称量.如何称量地球的质量？能用天平称量地球质量吗？
1798年6月，卡文迪许在英国皇家学会发表《测量地球密度的实验》一文，测量得到引力常量G的数值.卡文迪许测得引力常量G的数值，计算地球的质量。卡文迪许是如何测量地球质量的？如何计算地球的密度？
新课教学
1.“称量”地球的质量
问题1：物体在地球表面受到重力作用，方向竖直向下，大小为mg。重力是什么含义？
问题2：地球对物体的吸引力是物体的重力吗？
问题3：物体随地球自转，做匀速圆周运动.向心力由什么力提供？
不同纬度处，相同质量的物体受到的向心力大小相等吗？
问题4：为何可以忽略地球自转影响，认为重力等于地球对物体的吸引力？
物体跟随地球自转，地球表面所有物体做圆周运动的角速度都相同，等于地球自转角速度ω。不同纬度处，物体做圆周运动的轨道半径不同。地球对物体的引力F始终指向地心，物体受地面的支持力FN。物体做圆周运动的向心力由F与FN的合力提供。
向心力Fn=m()2Rsinθ，纬度不同，向心力大小不同。在赤道位置，向心力最大为Fnmax=m()2R。物体的重力mg=FN。在赤道位置，F=mg+Fnmax。赤道位置的向心力与重力的比值为。由于地球自转角速度很小，向心力远小于重力。故可以认为忽略地球自转后，物体受到地球的吸引力等于物体受到的重力.
→
问题5：如何计算地球的平均密度？球体的体积是多少？
地球的体积，由密度定义，地球平均密度为
2.计算天体的质量
投影太阳系模型图，介绍太阳系质量分布情况。
太阳是一颗气体恒星，靠引力使气体聚集.太阳质量占据太阳系总质量的99.86%.
问题1：能使用计算地球质量的方法计算太阳的质量吗？若能，需要测量哪些物理量？
问题2：如何计算太阳的质量？行星绕着太阳运动，行星做圆周运动的向心力由什么力提供？这个力与太阳质量有关吗？
问题3：天文观测能测量地球绕太阳运动的周期T和太阳到地球的距离r。如何计算向心力？
问题4：根据太阳对行星的吸引力提供行星做圆周运动的向心力，你能推导出太阳质量的表达式吗？式中的物理量分别代表什么？
问题5：如何求太阳的平均密度？需要测量什么物理量？与地球密度比较，你有何发现？
建立地球绕太阳匀速圆周运动模型，太阳对地球的吸引力提供向心力，
解得太阳质量为
欲求解太阳的平均密度，还需要知道太阳的半径。设太阳半径为R，太阳体积为
太阳平均密度为
式中r为太阳到地球的距离，R为太阳半径，意义不同.
思考与讨论：
计算太阳质量，需要测量地球质量吗？
不同行星轨道半径
r
和周期
T
不同，使用不同行星的数据，计算出的太阳质量相同吗？为什么？
行星大多有卫星绕其运动.能运用卫星绕行星做圆周运动，计算行星的质量吗？
练习：月球绕地球一周为T=27.3d，月地平均距离为r
=38万千米。如何求地球的质量？若地球半径R=6400km，求出地球的平均密度.
3.发现未知天体
1781年，英国天文学家威廉·赫歇尔爵士利用望远镜发现一颗新的行星——天王星.经过长期观测，发现天王星的轨道与根据万有引力定律计算出来的轨道有偏差。
问题1：观测结果与理论计算结果不符，你认为原因可能是什么？有哪些可能性？
问题2：如何验证猜想是否正确？
问题3：为何亚当斯和勒维耶相信在天王星的外面还有一颗未知行星的假设而放弃其他假设？
问题4：从海王星的发现历程，你有何感悟？一个科学假设如何才能成为一个科学理论被广泛接受？
4.预言哈雷彗星回归
学生自主阅读教材了解哈雷彗星的发现过程。
课堂小结：
计算地球的质量：物体重力近似等于受到的万有引力
计算天体的质量：万有引力提供向心力
作业：教材58页第1题、第3题、第4题
板书设计
§3
万有引力理论的成就
一、“称量”地球的质量
二、计算天体的质量
三、发现未知天体
四、预言哈雷彗星回归
教学反思
本节重点内容是学会两种方法计算天体的质量。当天体自转角速度较小时，可忽略向心力，近似认为重力与受到的万有引力相等，对于这一点要引导学生分析，通过数值计算比较向心力与万有引力的大小得到。利用天体环绕中心天体做匀速圆周运动计算中心天体质量原理不难掌握，学生容易理解，困难之处是如何想到用这种方法求解。此部分教学要设置问题，引导学生分析。计算天体的密度时，要注意区分轨道半径和天体的半径，二者物理意义不同，提醒学生不可弄混淆，这一点是学生容易犯的错误。