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及反思

这是一份高中物理人教版 (2019)必修 第二册3 万有引力理论的成就教学设计及反思，共5页。教案主要包含了教材分析，学情分析，教学目标，教学重难点，教学重点，教学难点，新课导入，教师提出问题等内容，欢迎下载使用。

【教材分析】
（一）教材分析
卡文迪许在实验室测出了引力常量，表明了万有引力定律同样适用于地面上的任意两个物体，用实验方法进一步证明了万有引力定律的普适性.同时,引力常量的测出,使得包括计算星体质量在内的关于万有引力定律的计算成为可能,使得万有引力定律有了真正的实用价值.因此万有引力理论的成就是本章的重点.
万有引力定律在天文学上应用广泛,它与牛顿第二定律、圆周运动的知识相结合，可用来求解天体的质量和密度，分析天体的运动规律.万有引力定律与实际问题、现代科技相联系,可以用来发现新问题,开拓新领域.
把万有引力定律应用在天文学上的基本方法是:将天体的运动近似看作匀速圆周运动处理,运动天体所需要的向心力来自于天体间的万有引力.因此,处理本节问题时要注意把万有引力公式与匀速圆周运动的一系列向心力公式相结合,就可推导出适用于天体问题的公式,并且在应用这些公式时,一定要正确认识公式中各物理量的意义.具体应用时根据题目中所给的实际情况,选择适当公式进行分析和求解.
通过本节课的学习我们要掌握计算中心天体的质量的两种方法:一是利用中心天体表面物体所受的重力mg等于中心天体对物体的引力,即mg=,由此解出M=;一是利用围绕中心天体运动的天体来求解,即=mω2r=来求解.天体的质量算出后,还可以利用ρ=来求天体的密度.
【学情分析】
（一）学情分析
万有引力定律的发现有着重要的物理意义：它对物理学、天文学的发展具有深远的影响；它把地面上物体运动的规律和天体运动的规律统一起来；对科学文化发展起到了积极的推动作用，解放了人们的思想，给人们探索自然的奥秘建立了极大信心，人们有能力理解天地间的各种事物。这节课我们就共同来学习万有引力定律在天文学上的应用。
【教学目标】
（一）教学目标
一、教学目标
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。
二、核心素养
物理观念：建立天体运动模型的物理观念，培养学生的时空观念、和相互作用观念。
科学思维：通过学习培养学生善于观察、善于思考，善于动手的能力。
科学探究：探究重力与地球自转之间的关系。
科学态度与责任：培养学生认真严谨的科学态度和大胆探究的心理品质；体会物理学规律的简洁性和普适性，领略物理学的优美。
【教学重难点】
（一）教学重难点
【教学重点】
1．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。
教师启发、引导，学生自主阅读、思考，讨论、交流学习成果。
【新课导入】
（一）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？
【教师提出问题】有了万有引力定律，我们就能“称量”地球的质量！
“称量”地球的质量时，我们应选择哪个物体作为研究对象？运用哪些物理规律？需要忽略的次要因素是什么？
【新课讲解】
（一）“称量”地球的质量
“称量” 地球的质量
【教师引导】我们脚下的大地是个硕大的球体，用普通的秤称出地球的质量，那是不可能的。第一，世界上没有这样一杆能称得起地球的巨秤。其次，谁也无法拿得起这杆秤。就算有一个力大无穷的大力士能提得起地球，也无法称出地球的质量，因为那个能够提得起地球的人，站在什么地方去称地球的质量呢?总不能站在地球上称地球吧!那么地球的质量怎么测量呢?
【教师补充】若不考虑地球自转的影响，地面上质量为 QUOTE 的物体所受的重力 QUOTE 等于地球对物体的引力，假设 QUOTE 是地球的质量； QUOTE 是地球的半径，也就是物体到地心的距离。
【思考与讨论】计算地球质量的原理
【学生小组交流】
【教师总结】 QUOTE ，式中 QUOTE 是地球的质量； QUOTE 是地球的半径，也就是物体到地心的距离。由此解出
地面的重力加速度 QUOTE 和地球半径 QUOTE 在卡文迪什之前就已知道，一旦测得引力常量 QUOTE ，就可以算出地球的质量 QUOTE 。因此，卡文迪什把他自己的实验说成是“称量地球的重量”。
（一）计算天体的质量
计算天体的质量
教师活动：引导学生阅读教材“天体质量的计算”部分的内容，同时考虑下列问题：
1.行星绕太阳做什么运动？中学阶段怎样处理？
2.行星的向心力是由什么力提供的？
3.已知行星的质量m、公转的轨道半径r和公转的角速度ω，写出太阳质量的表达式。
4.根据向心加速度的不同表达形式，太阳质量还能有哪些表达形式？
学生活动：分组讨论，得出答案。学生代表发言。
1.天体实际运动是沿椭圆轨道运动的，而我们通常情况下可以把它的运动近似处理为圆形轨道，即认为天体在做匀速圆周运动。
2.天体所做的圆周运动，万有引力充当向心力。
3. G=m M=4π2r3/GT2。
4.向心加速度的其它两种常用表达形式：（1）a向= （2）a向=ω2·r
天体质量的常用其它两种表达形式：（1）M=v2r/G （2）M=ω2r3/G
教师活动：请同学们思考下面三个问题：
1.土星和木星是太阳的两颗行星，已知它们的质量分别为m1和m2，公转半径分别为r1和r2，公转周期分别为T1和T2，试分别写出利用土星和利用木星计算太阳质量的表达式。
2.结合上题思考：
①土星和木星绕太阳运动的周期和半径是不同的，根据它们两个分别算出的太阳质量一定相同吗？为什么？
②计算太阳质量一定需要知道行星的质量吗？
3.利用月亮绕地球转、地球绕太阳转分别求出的是哪个天体的质量？同学们能总结一下其中的规律和特点吗？
学生分析计算，小组讨论，小组代表发言。
教师总结：
= 1 \* GB3 ①在应用万有引力定律求解天体质量时，只能求解中心天体的质量，而不能求解环绕天体的质量。
= 2 \* GB3 ②根据万有引力提供向心力求解中心天体质量时，环绕中心天体运动的天体的质量被消去，所以不需要知道环绕天体的质量，当然也不能求环绕天体的质量。
（一）发现未知天体
预见并发现未知行星,是万有引力理论威力和价值的最生动例证.
背景：
1781年由英国物理学家威廉．赫歇尔发现了天王星，但人们观测到的天王星的运行轨迹与万有引力定律推测的结果有一些误差……
图片：及故事 英国的亚当斯和法国的勒维耶 （讲述为主）
笔尖上发现的行星——1846年9月23日晚,由德国的伽勒在柏林天文台用望远镜在勒维耶预言的位置附近发现了这颗行星——海王星
深化
冥王星的发现：海王星发现之后，人们发现它的轨道也与理论计算的不一致。于是几位学者用亚当斯和勒维耶的方法预言另一颗新行星的存在．
在预言提出之后，1930年，汤博发现了太阳系的后来曾被称为第九大行星的冥王星。
海王星的发现和1705年英国天文学家哈雷根据万有引力定律正确预言了哈雷彗星的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…… ”
（增强故事的曲折性，体现万有引力定律历史地位形成的曲折）
【板书】
（一）板书
7.3 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
1、天体质量的计算
2、天体密度的计算
三、发现未知天体
四、预言哈雷彗星回归