【物理新教材】7.3 萬有引力理論的成就 教學(xué)設(shè)計（1）-人教版高中物理必修第二冊

第七章萬有引力與宇宙航行第3節(jié)萬有引力理論的成就本節(jié)教材簡要介紹了萬有引力理論在天文學(xué)上的重要應(yīng)用，即“計算天體的質(zhì)量”，“發(fā)現(xiàn)未知天體”。教材首先通過“科學(xué)真是迷人”，在不考慮地球自轉(zhuǎn)影響的情況下，認為地面上的物體所受重力和引力相等，進而得到只要知道了地球表面的重力加速度和引力常量，即可計算出地球的質(zhì)量。這種設(shè)計思路既給出了應(yīng)用萬有引力定律解決問題的一種思路，也展示了萬有引力理論的魅力——“稱量地球的質(zhì)量”。教材隨后作為示范，以計算太陽質(zhì)量為例，給出了運用萬有引力定律計算天體質(zhì)量的方法，思路清晰，表述規(guī)范。最后從科學(xué)史的角度，簡要介紹了亞當(dāng)斯和勒維耶發(fā)現(xiàn)海王星的過程，都顯示了萬有引力理論的巨大成就。因此，通過這一節(jié)課的學(xué)習(xí)，一方面要使學(xué)生了解運用萬有引力定律解決問題的思路和方法，另一方面還要能體會到科學(xué)定律對人類探索未知世界的作用，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和對科學(xué)的熱愛之情。物理觀念：物理觀念：通過“發(fā)現(xiàn)未知天體〃，“成功預(yù)測彗星的回歸”等內(nèi)容的學(xué)習(xí)，了解萬有引力定律在天文學(xué)上的重要應(yīng)用科學(xué)思維：運用萬有引力定律計算天體質(zhì)量，體驗運用萬有引力解決問題的基本思路和方法科學(xué)探究：通過“發(fā)現(xiàn)未知天體”、“成功預(yù)測彗星的回歸”的學(xué)習(xí)，體會科學(xué)定律在人類探索未知世界的作用科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：通過了解我國天文觀測技術(shù)的發(fā)展，激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣，養(yǎng)成熱愛科學(xué)的情感。教學(xué)重點：計算天體的質(zhì)量和密度2、教學(xué)難點：運用萬有引力定律解決問題的思路多媒體課件【新課導(dǎo)入】溫故而知新萬有引力定律的基本知識

阿基米德在研究杠桿原理后，曾經(jīng)說過一句名言：“給我一個支點，我可以撬動地球?！蔽覀兠恳粋€人都生活在地球上，你街道地球有多重嗎？怎樣才能夠稱出地球的質(zhì)量？可以用桿稱或天平來稱量物體的質(zhì)量，它們可以用來稱量地球的質(zhì)量嗎？英國科學(xué)家卡文迪許就找到了這樣的一種“測量”地球質(zhì)量的方法，成為第一個測量地球質(zhì)量的人，你知道他是如何“測出”地球的質(zhì)量的嗎？下面讓我們重溫一下卡文迪許在實驗室中“測量”地球質(zhì)量的奧秘?！拘抡n內(nèi)容】一.稱量地球的質(zhì)量：展示地球圖片，引入問題[來源:學(xué)&科&網(wǎng)Z&X&X&K]地球的質(zhì)量不可能用天平稱量.但是萬有引力定律是否能給予我們提供幫助呢?首先我們研究一下地表上的物體的重力與地球?qū)ξ矬w的萬有引力的關(guān)系。(1)重力與萬有引力的關(guān)系首先考慮地表物體m在緯度θ做什么運動？地表上的物體隨地球在所在緯度平面內(nèi)做勻速圓周運動！萬有引力指向地心，分解為兩個分力：m隨地球自轉(zhuǎn)圍繞地軸運動的向心力和重力。注意：指向地心（萬有引力）與豎直向下（重力）不是一個方向因此,重力是萬有引力的一個分力。(2)重力與緯度的關(guān)系地面上物體的重力隨緯度的升高而變大。①赤道上：重力和向心力在一條直線上，即，重力達到最小值。②地球兩極處:物體轉(zhuǎn)動半徑為零，所需向心力為零，所以，重力達到最大值。③其他位置：重力是萬有引力的一個分力，重力的大小mg<G（３）重力與萬有引力間的近似關(guān)系由于地球的自轉(zhuǎn)角速度很小，故地球自轉(zhuǎn)帶來的影響很小，如果忽略地球的自轉(zhuǎn)，則萬有引力和重力的關(guān)系為：，g為地球表面的重力加速度（４）重力隨離地高度的變化在高空中的物體所受到的萬有引力可認為等于它所受的重力。在地球表面時，所以在距地面h處的重力加速度。所以距地面越高，物體的重力加速度越小，則物體所受的重力也越小。以上結(jié)論對任何星體均成立.（5)稱量地球的質(zhì)量若不考慮地球自轉(zhuǎn)的影響，地面上物體的重力等于地球?qū)λ囊?。關(guān)系式稱為“黃金代換”式其中g(shù)、R在卡文迪許之前已經(jīng)知道，而卡文迪許測出G后，就意味著我們也測出了地球的質(zhì)量。二、分析天體問題基本思路1.將行星（或衛(wèi)星）的運動看成是勻速圓周運動.2.萬有引力充當(dāng)向心力F引=Fn.或在球體表面附近F引=G重運行天體m繞中心天體M做勻速圓周運動，Ｍ對m的萬有引力提供m所需向心力。四.應(yīng)用一－天體質(zhì)量的計算應(yīng)用天體運動的動力學(xué)方程——萬有引力充當(dāng)向心力：[來源:學(xué)_科_網(wǎng)]解得須知道待求天體（M）的某一環(huán)行天體的運行規(guī)律，且與環(huán)行天體的質(zhì)量（m）無關(guān)四.應(yīng)用一－天體密度的計算在天體質(zhì)量M求出的情況下，只需再知道天體自身半徑R，就可求出天體的體積：最后代入密度公式：四.應(yīng)用一－發(fā)現(xiàn)未知天體１.海王星的軌道由英國的劍橋大學(xué)的學(xué)生亞當(dāng)斯和法國年輕的天文愛好者勒維耶各自獨立計算出來。1846年9月23日晚，由德國的伽勒在勒維耶預(yù)言的位置附近發(fā)現(xiàn)了這顆行星,人們稱其為“筆尖下發(fā)現(xiàn)的行星”。２.海王星發(fā)現(xiàn)之后，人們發(fā)現(xiàn)它的軌道也與理論計算的不一致．于是幾位學(xué)者用亞當(dāng)斯和勒維列的方法預(yù)言另一顆新星的存在．在預(yù)言提出之后1930年3月14日，湯博發(fā)現(xiàn)了這顆新星——冥王星．３.預(yù)言哈雷彗星回歸本節(jié)課有兩條主線：一是引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生通過“稱量地球的質(zhì)量”，“計算天體的質(zhì)量”的學(xué)習(xí)，明晰應(yīng)用萬有引力理論計算中心天體質(zhì)量的思路和方法。這是學(xué)生需要掌握的最基本的知識與技能。二是通過“發(fā)現(xiàn)未知天體”、“成功預(yù)測彗星的回歸”等史實材料的