高中物理人教版 (2019)必修 第二册3 万有引力理论的成就教学设计

第七章 万有引力与宇宙航行

7.3  万有引力理论的成就

本节教学内容为万有引力定律在天文学上的应用，通过天体质量的“称量”与计算和发现未知天体，体现了万有引力定律对人类探索未知世界所起到的巨大作用，海王星和冥王星的发现，哈雷彗星的按时回归，又验证了万有引力的正确性和普遍适用性。

【物理观念】了解万有引力定律在天文学上的应用。．理解行星、卫星作圆周运动的向心力是由万有引力提供的。

【科学思维】掌握综合运用万有引力定律和圆周运动学知识分析具体问题的方法，培养学生根据事件之间相似性采取类比方法分析新问题的能力与方法。

【科学探究】通过介绍用万有引力定律发现未知天体的过程，使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

【科学态度与责任】培养学生归纳总结建立模型的能力与方法，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】

应用万有引力定律计算地球、太阳等天体的质量

【教学难点】

根据已有条件求中心天体的质量。

PPT

【新课导入】

在初中，我们已经知道物体的质量可以用天平来测量，生活中物体的质量常用电子秤或台秤来称量。对于地球，我们怎样“称量”它的质量呢？

【新课讲授】

一、“称量”地球的质量

【思考与讨论】“称量”地球的质量时，

①我们应选择哪个物体作为研究对象？

②运用哪些物理规律？

③需要忽略的次要因素是什么？

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

由此解出

地面的重力加速度 g 和地球半径 R 在卡文迪什之前就已知道，一旦测得引力常量 G，就可以算出地球的质量m 地。因此，卡文迪什把他自己的实验说成是“称量地球的重量”。

【例题1】设地面附近的重力加速度g=9.8m/s2，地球半径R =6.4×106m，引力常量G=6.67×10-11 N·m2/kg2，试估算地球的质量。

二、计算天体的质量

【思考与讨论】

①能用“称量”地球质量的方法“称量”太阳吗？

②怎样才能得到太阳的质量？

注意：行星绕太阳做匀速圆周运动，向心力是由它们之间的万有引力提供的。

【例题】.把地球绕太阳的公转看作是匀速圆周运动，轨道半径约为1.5×1011 m，已知引力常量G=6.67×10－11 N·m2/kg2，则可估算出太阳的质量约为多少千克？

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 年发现的第七颗行星 —— 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。

？是天文观测数据不准确？

？是万有引力定律的准确性有问题？

？是天王星轨道外面还有一颗未发现的行星？

英国剑桥大学的学生亚当斯和法国年轻的天文学家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，这颗行星被命名为海王星（图 7.3-2）。海王星的发现过程充分显示了理论对于实践的巨大指导作用，所用的“计算预测和观察”的方法指导人们寻找新的天体。

四 、预言哈雷彗星回归

哈雷依据万有引力定律，用一年时间计算了它们的轨道。发现 1531 年、1607 年和 1682 年出现的这三颗彗星轨道看起来如出一辙，他大胆预言，这三次出现的彗星是同一颗星（图 7.3-3），周期约为 76 年，并预言它将于 1758 年底或 1759 年初再次回归。1759 年 3 月这颗彗星如期通过了近日点，它最近一次回归是 1986 年，它的下次回归将在2061 年左右。

本节课我们通过共同的学习了地球质量测定——天体质量测定——天体轨道的演算推测,直观地了解了万有引力定律在人类认识自然界奥秘中发挥的巨大作用!理论来源于实践，反过来又可以指导实践，所以在人们后来的探索前进道路上,仍旧难忘牛顿等前辈科学家的功勋。