《万有引力理论的成就》教案

《万有引力理论的成就》教案教学目标及教学重点、难点教学目标：（1）理解“称量地球质量”的基本思路，了解万有引力定律在天文学上的重要应用。（2）理解计算太阳质量的基本思路，能将天体问题中的对象和过程转换成相关模型后求解。（3）能说出万有引力定律在发现未知天体等领域贡献，认识科学定律对人类探索未知世界的作用。教学重点：应用万有引力定律称量地球的质量、计算天体质量。教学难点：模型建构，将天体问题中的对象和过程转换成相关模型。教学过程(表格描述)教学环节主要教学活动设置意图一、引入二、测定天体的质量1.“称量”地球的质量2.计算天体的质量（太阳、月球）三、发现未知天体四、预言哈雷彗星的回归五、万有引力定律的其他应用六、总结故事引入：由天王星到海王星的发现。提出：万有引力定律给天文学的研究开辟了新的道路，我们一起探索。以问题串的形式，引导学生建构模型，从什么角度思考这一问题？选择哪个物体作为研究对象？运动情况如何，受力情况又如何？我们需要做怎样的简化？推出地球质量的表达式，式中的量是否可观测？通过问题引导，启发学生自主探究太阳的质量，再一次深化模型的建构。引导学生分析：选择不同的行星计算结果会不同吗（与开普勒第三定律相结合）设计有梯度的4个问题。求的是中心天体还是环绕天体的质量？如何更准确计算地球的质量？如何测量月球质量（没有天然的卫星）？如何测量未知天体的密度？小探究：是否通过未知天体的近地卫星环绕一周的时间，得到天体的密度？引导学生思考探究：万有引力计算的天王星轨道与实际观测结果有偏差的原因。讲解海王星发现的有关知识，思考海王星为什么被称为“笔尖下发现的行星”？（重点放在讲解海王星发现的历史故事，从中感受到牛顿引力理论的应用价值，和人们探索未知世界的科学精神。）体会海王星发现过程中所体现的科学研究方法：发现问题，大胆猜想，理论推导，实践检验。拓展知识：冥王星的发现，双星和球状星团可用万有引力定律分析。科学史的讲解：英国天文学家哈雷成功预言哈雷彗星的回归。（学生对哈雷彗星更熟悉，容易引起共鸣）引导学生估算哈雷彗星的周期，体验用万有引力定律解决问题。拓展知识：（1）潮汐现象（2）地球形状的争论——“橘子”与“柠檬”之争（3）重力勘探这些拓展的知识有些可以用万有引力定律解释，有些是对万有引力定律最有效的实验验证之一。对本节课分析问题的方法总结，引发学生思考。激发学生探究的兴趣真实问题情境：称量地球。分解具体的小问题，培养学生模型建构，思考如何运用所学的知识来解决问题。真实问题情境：称量太阳和月球。引导学生能将不同的天体问题中的对象和过程转换成相关模型求解。聚焦如何思考。设计问题注意梯度，保证不同层次学生都有收获。小探究供基础好的同学拓展学习。使学生体会科学研究的过程，感受科学理论对实践的巨大指导作用。通过哈雷彗星的“按时回归”这个科学史上的美谈，体会万有引力定律的成就。利用这些素材，激发学生学习物理的兴趣。归纳总结课后篇巩固提升合格考达标练1.地球半径是R,地球表面的重力加速度是g,引力常量是G。忽略地球自转的影响。如认为地球的质量分布是均匀的,则地球的密度ρ的表达式为()A.ρ=gR2G B.C.ρ=4g3πGR D答案D解析地球表面重力与万有引力相等有Gm地mR2=mg,可得地球质量为m地=gR2G,而地球的体积为V=43πR3,2.(2021山东潍坊模拟)2021年5月24日,国际天文联合会公布在嫦娥五号落月点附近添加8个月球地貌的中国地名,至此,月球上的中国地名已增至35个。假若已知地球和月球的半径之比为4∶1,其表面重力加速度之比为6∶1。则地球和月球的密度之比为()A.2∶3 B.3∶2 C.4∶1 D.6∶1答案B解析在星球表面的物体,重力和万有引力相等,即Gm星mR2=mg,解得星球的质量为m星=gR2G。因为星球的体积为V=43πR3,则星球的密度为ρ3.若一星球密度与地球密度相同,它表面的重力加速度是地球表面重力加速度的3倍,则该星球质量是地球质量的()A.27倍 B.3倍 C.4倍 D.9倍答案A解析物体在地球表面的重力近似等于地球与物体间的万有引力,即Gm地mR2=mg,解得g=Gm地R2,质量m地=ρ·43πR3,联立解得g=43πGρR,星球的密度跟地球密度相同,星球表面的重力加速度是地球表面重力加速度的3倍,所以星球的半径是地球半径的4.(2021天津静海一中月考)火星探测任务天问一号的标识如图所示。若火星和地球绕太阳的运动均可视为匀速圆周运动,火星公转轨道半径与地球公转轨道半径之比为3∶2,则火星与地球绕太阳运动的()A.轨道周长之比为2∶3B.线速度大小之比为3C.角速度大小之比为22∶33D.向心加速度大小之比为9∶4答案C解析轨道周长l=2πr,l1l2=r1r2=32,A错误;由GMmr2=mv2r得v=GMr,所以v1v2=r2r1=23=235.在轨卫星碰撞产生的大量碎片会影响太空环境。假定有甲、乙两块碎片绕地球运动的轨道都是圆,甲的运行速率比乙的大,则下列说法中正确的是()A.甲的运行周期一定比乙的长B.甲距地面的高度一定比乙的高C.甲的向心力一定比乙的小D.甲的向心加速度一定比乙的大答案D解析由Gm地mr2=mv2r,得v=Gm地r,甲的运行速率大,甲碎片的轨道半径小,选项B错误;由Gm地mr2=mr4π2T2,得T=4π2r3Gm地,可知甲的周期短,选项A错误6.一卫星绕某一行星表面附近做匀速圆周运动,其线速度大小为v。假设宇航员在该行星表面上用弹簧测力计测量一质量为m的物体重力,物体静止时,弹簧测力计的示数为F。已知引力常量为G,则这颗行星的质量为()A.mv2GF B.mv4GF C答案B解析设卫星的质量为m'由万有引力提供向心力,得Gm行mm'g=m由已知条件m的重力为F得F=mg联立得m行=mv4GF,故A、C、D7.宇航员在某星球表面,将一小球从离地面为h高处以初速度v0水平抛出,测出小球落地点与抛出点间的水平位移为s,若该星球的半径为R,引力常量为G,则该星球的质量多大?答案2解析设该星球表面重力加速度为g,物体水平抛出后经时间t落地,则h=12gt2,s=v0t,又由于g=联立得m星=2ℎ等级考提升练8.若地球绕太阳公转周期及其公转轨道半径分别为T和R,月球绕地球公转周期和公转半径分别为t和r,则太阳质量与地球质量之比m日m地A.R3t2r3T2 B.R3答案A解析无论地球绕太阳公转还是月球绕地球公转,统一表示为Gm0mr12=m4π2T12r1,即9.(多选)一些星球由于某种原因而发生收缩,假设某星球的直径缩小到原来的四分之一。若收缩时质量不变,不考虑星球自转的影响,则与收缩前相比()A.同一物体在星球表面受到的重力增大到原来的4倍B.同一物体在星球表面受到的重力增大到原来的16倍C.该星球的平均密度增大到原来的16倍D.该星球的平均密度增大到原来的64倍答案BD解析根据万有引力公式可知,当星球的直径缩小到原来的四分之一时,在星球表面的物体受到的重力F'=Gm星m(r4)

2=16Gm星mr2,故选项A错误,B正确;星球的平均密度ρ=m10.如果把水星和金星绕太阳的运动视为匀速圆周运动,从水星与金星在一条直线上开始计时,若天文学家测得在相同时间内水星转过的角度为θ1;金星转过的角度为θ2(θ1、θ2均为锐角),则由此条件不可求得的是()A.水星和金星绕太阳运动的周期之比B.水星和金星绕太阳运动的向心加速度大小之比C.水星和金星到太阳的距离之比D.水星和金星的密度之比答案D解析相同时间内水星转过的角度为θ1,金星转过的角度为θ2,可知它们的角速度之比为θ1∶θ2。周期T=2πω,则周期比为θ2∶θ1,选项A可求;万有引力提供向心力Gm太mr2=mω2r,知道了角速度之比,就可求出轨道半径之比,选项C可求;根据a=rω2,轨道半径之比、角速度之比都知道,则可求出向心加速度之比,选项B可求;水星和金星是环绕天体,无法求出质量,也无法知道它们的半径11.假设地球可视为质量均匀分布的球体。已知地球表面重力加速度在两极的大小为g0,在赤道的大小为g;地球自转的周期为T,引力常量为G。地球的密度为()A.3π(g0C.3πGT2答案B解析物体在地球的两极时,mg0=Gm地mR2,物体在赤道上时,mg+m2πT2R=Gm地mR2,地球质量m地=43πR3·ρ,以上三式联立解得地球的密度ρ=312.20