人教版 (新课标)必修24.万有引力理论的成就教案设计

这是一份人教版 (新课标)必修24.万有引力理论的成就教案设计，共6页。教案主要包含了 “科学真是迷人”，计算天体的质量，发现未知天体等内容，欢迎下载使用。

知识与技能
1．了解地球表面物体的万有引力两个分力的大小关系，计算地球质量；
2．行星绕恒星运动、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，会用万有引力定律计算天体的质量；
3．了解万有引力定律在天文学上有重要应用。
过程与方法
1．培养学生根据数据分析找到事物的主要因素和次要因素的一般过程和方法；
2．培养学生根据事件的之间相似性采取类比方法分析新问题的能力与方法；
3．培养学生归纳总结建立模型的能力与方法。
情感态度与价值观
1．培养学生认真严禁的科学态度和大胆探究的心理品质；
2．体会物理学规律的简洁性和普适性，领略物理学的优美。
教学重点
1．地球质量的计算、太阳等中心天体质量的计算。
2．通过数据分析、类比思维、归纳总结建立模型来加深理解。
教学难点
根据已有条件求中心天体的质量。
教学方法
教师启发、引导，学生自主阅读、思考，讨论、交流学习成果。
教具准备
多媒体课件
教学过程
［新课导入］
天体之间的作用力主要是万有引力，引力常量的测出使万有引力定律有了实际意义，万有引力定律对天文学的发展起了很大的推动作用，揭示了天体运动的规律。这节课我们将举例来学习万有引力定律在天文学上的应用。
［新课教学］
一、 “科学真是迷人”
地球的质量是多少？这不可能用天平称量，但是可以通过万有引力定律来“称量”。
若不考虑地球自转的影响，地面上质量为m的物体所受的重力mg等于地球对物体的引力，即
式中M是地球的质量，R是地球的半径，也就是物体到地心的距离。由此得到
GM＝R2g（黄金代换式）
地面的重力加速度g和地球半径R在卡文迪许之前就已知道，一旦测得引力常量G，就可以算出地球的质量M。卡文迪许把他自己的实验说成是“称量地球的重量”，是不无道理的。
在实验室里测量几个铅球之间的作用力，就可以称量地球，这不能不说是一个科学奇迹。难怪一位外行人、著名文学家马克·吐温满怀激情地说：“科学真是迷人。根据零星的事实，增添一点猜想，竟能赢得那么多收获！”
二、计算天体的质量
1．中心天体质量计算的公式
应用万有引力定律还可以计算太阳等中心天体的质量。思考这个问题的出发点是：行星或卫星绕中心天体做匀速圆周运动的向心力是由它们之间的万有引力提供的，由此可以列出方程，从中解出中心天体的质量。
r
M
m
F
v
设M是太阳的质量，m是某个行星的质量，r是行星与太阳之间的距离，ω是行星公转的角速度。
根据万有引力提供行星绕太阳运动的向心力，有：
F＝
行星的质量m在方程两侧被消去，所以只能求出中心天体的质量。将万有引力和右侧向心加速度的不同表达式联立，得到中心天体质量的计算公式为
测出行星的公转周期T和它与太阳的距离r等，就可以算出太阳的质量。
根据已知条件的不同，应选择不同的计算公式来计算中心天体的质量。对同一个中心天体，M是一个定值。所以
即在开普勒第三定律中，k是由中心天体质量M决定的常量。
同样的道理，如果已知卫星绕行星运动的周期和卫星与行星之间的距离，也可以算出行星的质量。目前，观测人造卫星的运动，是测量地球质量的重要方法之一。
【课堂练习】地球质量的计算
已知月球到地球的球心距离为r＝4×108m，月亮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，由月地间的万有引力提供，即有：
F＝
得：
太阳质量和地球质量的数量级希望同学们能记住，在今后判断有关问题时可使用。
2．天体平均密度的计算
利用环绕中心天体表面运行的行星或卫星，可以计算中心天体的平均密度。
r＝R
m
F
v
设中心天体的半径为R，平均密度为ρ，中心天体表面的重力加速度为g。行星或卫星的质量为m，轨道半径为r，线速度为v，角速度为ω，T为行星或卫星的周期。当行星或卫星环绕中心天体表面运行时，轨道半径r近似认为与中心天体的半径R相等。根据万有引力提供向心力有
由上式可得中心天体平均密度的计算公式为
由上式还可得到一个有用的结论：对环绕任何中心天体表面的行星或卫星，有
是一个普适常量。
3．星球表面附近的重力加速度
（1）重力及重力加速度与纬度的关系
F
F1
mg
由于地球的自转，地面上物体将随地球一起做匀速圆周运动。地球对地面物体的万有引力F的一个分力F1提供物体做圆周运动的向心力，另一个分力表现为物体的重力mg。所以除赤道和两极外，物体的重力并不严格指向地球的球心。同一物体的重力在赤道位置最小，两极处最大。导致赤道位置的重力加速度最小，随纬度位置的增加而逐渐增大，两极处最大。
①在两极位置：
②在赤道位置：
（2）重力加速度与高度的关系
设中心天体的质量为M，半径为R。距星体表面高度为h处有一质量为m的物体。物体在该处的重力等于星体对它的万有引力，该处的重力加速度为g＇，则
r＝R＋h
m
h
当h＝0，物体在星球表面时，。
由此可知：物体在地球表面处的重力加速度，一方面与纬度位置有关，另一方面还与高度有关。
三、发现未知天体
到了18世纪，人们已经知道太阳系有7颗行星，其中1781年发现的第七个行星──天王星的运动轨道有些“古怪”：根据万有引力定律计算出来的轨道与实际观测的结果总有一些偏差。有人据此认为万有引力定律的准确性有问题。但另一些人则推测，在天王星轨道外面还有一颗未发现的行星，它对天王星的吸引使其轨道产生了偏离。到底谁是谁非呢？
有人问李政道教授，在他做学生时，刚一接触物理学，什么东西给他的印象最深？他毫不迟疑地回答，是物理学法则的普适性深深地打动了他。
物理学基本规律的简洁性和普适性，使人充分领略了它的优美，激励着一代又一代科学家以无限热情献身于对科学规律的探索。
英国剑桥大学的学生亚当斯和法国年轻的天文爱好者勒维耶相信未知行星的存在。他们根据天王星的观测资料，各自独立地利用万有引力定律计算出这颗“新”行星的轨道。1846年9月23日晚，德国的伽勒在勒维耶预言的位置附近发现了这颗行星，人们称其为“笔尖下发现的行星”。后来，这颗行星命名为海王星。
用类似的方法，人们又发现了太阳系外的其它天体。1705年英国天文学家哈雷根据万有引力定律计算了一颗著名彗星的轨道并正确预言了它的回归。
海王星的发现和哈雷彗星的“按时回归”最终确立了万有引力定律的地位，也成为科学史上的美谈。诺贝尔物理学奖获得者，物理学家冯·劳厄说：“没有任何东西像牛顿引力理论对行星轨道的计算那样，如此有力地树立起人们对年轻的物理学的尊敬。从此以后，这门自然科学成了巨大的精神王国……”
海王星的轨道之外残存着太阳系形成初期遗留的物质，近100年来，人们在这里发现了冥王星、卡戎等几个较大的天体。但是，距离遥远，太阳的光芒到达那里已经太微弱了，从地球上很难看出究竟。尽管如此，黑暗寒冷的太阳系边缘依然牵动着人们的心，搜寻工作从来没有停止过。
［小结］
这节课我们主要掌握的知识点是万有引力定律在天文学中的应用，解题时通常根据万有引力提供向心力、地面（或某星球表面）物体的重力等于万有引力来建立关系式。通过本节的学习，我们一方面应用了万有引力，另一方面了解了万有引力定律在天文学中具有的重要意义。
天体运动问题有行星或卫星绕着中心天体作匀速圆周运动，分为行星绕恒星与卫星绕行星两种类型。基本思路是根据行星（或卫星）运动的情况，求出行星（或卫星）的向心加速度，而向心力是由万有引力提供的，这样，列出方程即可求得中心天体（太阳或行星）的质量。由此可知，计算中心天体质量的思路只有一条：万有引力提供向心力，结合向心力公式计算。
［布置作业］
教材第40页“问题与练习”
板书设计：
4．万有引力理论的成就
一、 “科学真是迷人”
二、计算天体的质量
1．中心天体质量计算的公式
设M是太阳的质量，m是某个行星的质量，r是行星与太阳之间的距离，ω是行星公转的角速度。
r
M
m
F
v
根据万有引力提供行星绕太阳运动的向心力，有：
F＝
2．天体平均密度的计算
r＝R
m
F
v
设中心天体的半径为R，平均密度为ρ，中心天体表面的重力加速度为g。行星或卫星的质量为m，轨道半径为r，线速度为v，角速度为ω，T为行星或卫星的周期。当行星或卫星环绕中心天体表面运行时，轨道半径r近似认为与中心天体的半径R相等。根据万有引力提供向心力有
由上式可得中心天体平均密度的计算公式为
F
F1
mg
是一个普适常量。
3．星球表面附近的重力加速度
（1）重力及重力加速度与纬度的关系
①在两极位置：
r＝R＋h
m
h
②在赤道位置：
（2）重力加速度与高度的关系
当h＝0，物体在星球表面时，。
三、发现未知天体