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《万有引力定律在天文学上的应用》教学设计

查字典物理网 2020-11-19

课题名称

万有引力定律在天文学上的应用

科目

物理

年级

高一级

教学时 间

1课时

教材分析

这节课通过对一些天体运动的实例分析,使学生了解:通常物体之间的万有引力很小,常常觉察不出来,但在天体运动中,由于天体的质量很大,万有引力将起决定性作用,对天文学的发展起了很大的推动作用,其中一个重要的应用就是计算天体的质量。


在讲课时,应用万有引力定律有两条思路要交待清楚。


1.地面附近物体与地球间的万有引力约等于物体的重力,即F引=mg.可得出计算天体质量的另一种方法。


2.把环绕天体(或卫星)的运动看成是匀速圆周运动,即F引=F向,用于计算天体(中心体)的质量,讨论卫星半径等问题。


本节内容是这一章的重点,是万有引力定律在实际中的具体应用.利用万有引力定律除了可求出中心天体的质量外还可发现未知天体.





学情分析

本节课的学习者特征分析主要是根据学生的实际情况做出的:


1.学生是实验二中高一(5)班学生;


2.学生已经基本掌握万有引力定律和圆周运动的知识;


3.学生的基础和学习习惯不太好。


4.设计重趣味性与知识性的结合。













教学目标

一、知识与技能


1.了解行星绕恒星运动及卫星的运动的共同点:万有引力作为行星、卫星圆周运动的向心力;


2.了解万有引力定律在天文学上有重要应用;


3.会用万有引力定律计算天体的质量。

二、过程与方法


1.由地面附近物体与地球间的万有引力约等于物体的重力,即F引=mg.来于计算天体(中心体)的质量。


2.通过把环绕天体(或卫星)的运动看成是匀速圆周运动,然后根据F引=F向,用于计算天体(中心体)的质量。


3.通过万有引力定律在实际中的应用,培养学生理论联系实际的能力

三、情感态度与价值观


1.利用设置丰富的问题情境,鼓励学生从多角度思考、探索、交流,激发学生的好奇心和主动学习的欲望;


2.利用万有引力定律可以发现求知天体,学生懂得理论来源于实践,反过来又可以指导实践的辩证唯物主义观点。


3.通过介绍亚当斯与勒威耶的历史奇缘,激发学生对科学家探究真理的崇拜之情。

教学重点

1.环绕天体的运动:如月球绕地球的运动;行星绕太阳的运动的向心力是由万有引力提供的。


2.会用已知条件求中心天体的质量。

教学难点

根据已有条件求中心天体的质量。

教学资源

(1)给同学们准备一些相关资料;


(2)教师自制的多媒体课件;


(3)上课环境为多媒体大屏幕环境。


万有引力定律在天文学上的应用》教学过程描述





教学活动

1



(一)师生互动,激趣导入


1.教师展示:美国网站2007年8月14日报道,世界上第一个太空旅馆“银河套房酒店”有望在2012年建成,届时太空迷们翱翔宇宙的梦想将成为现实。当然,太空旅馆房价不菲,每位房客入住3天的费用是400万美元(约合人民币3000万元)。2007年从俄罗斯发射升空充气式太空酒店,预计于2015年建造完毕并投入使用。入住费用100万美元。


2.引入课题:万有引力定律的天文学上的应用







教学活动


2




(二)问题启发,合作探究


1.创设情景:(可以与实际不符)


如姚明在旅馆巧遇卡文迪许,于是他们谈论起测地球质量的问题,于是引入了本节课的第一个问题,测天体的质量。


2.新知识的探究


方法一:


老师:请学生回顾当初卡文迪许测出地球质量的方法,


学生:(分组探究)


活动过程:


对象的选取:


站在地面上的姚明


满足的规律:


在可忽略中心天体自转的影响时,根据万有引力等于重力的关系来计算其质量

教学活动


2



方程的建立:



得出的结论:


在已知所求天体M的半径R和表面重力加速度的情况下可用上式











教学活动


3











(三)规律探究,另解方法


方法二:


老师:引导学生讨论在太空旅馆里可用上述方法测地地球质量吗?


旅馆里的一些情况介绍


●一天内看15次日出


●感受80多分钟环游地球的快感


●像蜘蛛侠一样在卧室内“飞檐走壁”


学生:不能,太空中处于完全失重


老师:请学生思考在旅馆里有没有其它测量地球质量的方法呢?


活动过程:


对象的选取:


太空酒店里的姚明


满足的规律:


万有引力提供向心力


方程的建立:


得出的结论:


在已知所求天体M的行星或者卫星m轨道半径r和周期T的情况下可用上式




教学活动


4


(四)例题示范,巩固提高


例如:若把银河套房酒店建在月球上,某同学在资料上查得月球到地球的球心距离为r =4×108m,酒店工作人员记录了他们绕地球运行的周期为30天,求:地球的质量。


解:月球绕地球运行的向心力即月地间的万有引力 即有:


得:



教学活动


5


(五)规律拓展,密度测量


老师讲授:几种常用的求密度的方法


一、根据环绕天体绕中心天体表面转动时



二、根据环绕天体绕中心天体在以某高度转动时



三、已知中心天体的半径和表面重力加速度时







教学活动


6
































教学活动

7


(六)应用之二,发现未知天体


温馨提示:


只能求中心天体的质量,不能环绕天体的质量。


老师:环绕天体的轨道半径可以计算吗?


根据,而,两式联立得:


在18世纪发现的第七个行星──天王星的运动轨道,总是同根据万有引力定律计算出来的有一定偏离。当时有人预测,肯定在其轨道外还有一颗未发现的新星。后来,亚当斯和勒威耶在预言位置的附近找到了这颗新星。后来,科学家利用这一原理还发现了许多行星的卫星,由此可见,万有引力定律在天文学上的应用,有极为重要的意义。


老师:介绍亚当斯与勒威耶的历史奇缘(六点对比)


剑桥大学毕业,1843年开始在母校任教:1.巴黎工艺学院毕。1837年任母校天文教师, 早在剑桥大学学习时,亚当斯就注意到有关天王星运动出现反常现象的问题。1842年正式研究。2.1845年,当时的巴黎天文台台长阿喇果建议他研究天王星运动的反常问题。3.1844年以后,亚当斯研究了这些观测资料,计算了影响天王星运动的一颗未知行星的轨道要素、质量和日心黄经,并预言未知行星的位置。3.利用有关天王星的18次测资料,运用万有引力定律,通过求解33个方程,计算出对天王星起摄动作用的未知行星的轨道和质量,并且预测了它的位置。4.向格林尼治天文台台长艾里共六次报告了他的计算结果,但未受重视。他将计算结果呈送给法国科学院,他的工作在法国同行中受到了冷遇。5.这样将发现海王星的机会就让给了德国天文学家伽勒和勒威耶。亚当斯是一位十分谦虚的人,在对待海王星发现的优先权问题上没有进行声辩。这样他虽然暂时失去了某些荣誉,但他始终受到同行的赞赏和尊重,5他还写信给当时拥有较大望远镜的几个天文学家,请求帮助观测。伽勒收到勒威耶信的当天晚上,就观测搜寻,仅用一个半小时就在偏离勒威耶预言的位置52'处观测到了这颗当时星图上没有的星。英国皇家学会授予他柯普利奖章6曾(1851~1853年,1874~1876年)两次被选为英国皇家天文学会会长,勒威耶于1854~1870及1873~1877年两度出任巴黎天文台台长


(七)课堂小节,形成体系


主要内容1.天体质量计算;2.天体密度计算;3.发现未知天体。


主要方法


用万有引力定律和圆周运动知识处理天体问题


主要结论


两个质量表达式



三个密度表达式


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