【優(yōu)教通-備課參考】2020年高中物理教學(xué)設(shè)計：6.2《太陽與行星間的引力》3(人教版必修2)

2太陽與行星間的引力整體設(shè)計本節(jié)課我們將追尋牛頓的腳印?????,依據(jù)開普勒行星運動定律和勻速圓周運動的向心力公式(牛頓其次定律在圓周運動中的應(yīng)用)推導(dǎo)出太陽對行星的引力與行星的質(zhì)量、行星與太陽間的距離的比例關(guān)系，再依據(jù)牛頓第三定律推出行星對太陽的引力與太陽的質(zhì)量、太陽與行星間的距離的比例關(guān)系，從而進一步得到太陽與行星間的引力所遵循的規(guī)律，為重新“發(fā)覺”萬有引力定律打下基礎(chǔ).行星圍繞太陽運行軌道是橢圓,實際上,多數(shù)大行星的軌道與圓格外接近,也就是行星圍繞太陽做圓周運動,那么確定就得有力來供應(yīng)向心力,這個力應(yīng)當(dāng)是太陽對行星的引力.依據(jù)向心力公式：F=,又由開普勒第三定律知T2=.也推導(dǎo)出F∝,再由牛頓第三定律知F∝,所以太陽與行星間的引力F∝,寫成等式F=.本節(jié)主要內(nèi)容就是介紹科學(xué)家對行星運動緣由的各種猜想,及運用舊學(xué)問推導(dǎo)太陽與行星間的引力.在介紹是什么緣由使行星繞太陽運動時,老師可補充一些材料,使同學(xué)領(lǐng)悟前輩科學(xué)家對自然奇怪不屈撓的探究精神和對待科學(xué)爭辯一絲不茍的態(tài)度.在推導(dǎo)太陽與行星間的引力時,老師可先引導(dǎo)同學(xué)理清推導(dǎo)思路,然后放手讓同學(xué)自主推導(dǎo),充分發(fā)揮同學(xué)學(xué)習(xí)的主體地位,培育同學(xué)用已有學(xué)問進行創(chuàng)新,發(fā)覺新規(guī)律的力氣.教學(xué)重點對太陽與行星間引力的理解.教學(xué)難點運用所學(xué)學(xué)問對太陽與行星間引力的推導(dǎo).課時支配1課時三維目標(biāo)學(xué)問與技能1.知道行星繞太陽運動的緣由是受到太陽引力的作用.2.理解并會推導(dǎo)太陽與行星間的引力大小.3.記住物體間的引力公式F=.過程與方法1.了解行星與太陽間的引力公式的建立和進展過程.2.體會推導(dǎo)過程中的數(shù)量關(guān)系.情感態(tài)度與價值觀了解太陽與行星間的引力關(guān)系,從而體會到大自然中的奇怪.教學(xué)過程導(dǎo)入新課情景導(dǎo)入目前已知太陽系中有8顆大行星(如下圖所示).它們通常被分為兩組:內(nèi)層行星(水星、金星、地球、火星)和外層行星(木星、土星、天王星、海王星),內(nèi)層行星體積較小,主要由巖石和鐵組成;外層行星體積要大得多,主要由氫、氦、冰物質(zhì)組成.哥白尼說:“太陽坐在它的皇位上，管理著圍圍著它的一切星球.”那么是什么緣由使行星繞太陽運動呢?伽利略、開普勒以及法國數(shù)學(xué)家笛卡兒都提出過自己的解釋.然而,只有牛頓才給出了正確的解釋……復(fù)習(xí)導(dǎo)入復(fù)習(xí)舊知：行星的運動依據(jù)開普勒三大定律我們已經(jīng)知道了八大行星的運動規(guī)律.八大行星之所以繞太陽做圓周運動,是什么緣由造成的呢?我們這節(jié)課就一起來探究這個問題.推動新課開普勒描述了行星的運動規(guī)律,那么它們?yōu)槭裁催@樣運動呢?很多科學(xué)家都對運動的緣由提出了各種猜想,如圖所示(課件呈現(xiàn)).科學(xué)家對行星運動緣由的各種猜想牛頓在前人對慣性爭辯的基礎(chǔ)上，認為：以任何方式轉(zhuǎn)變速度（包括方向）都需要力.因此,使行星沿圓或橢圓運動,需要指向圓心或橢圓焦點的力,這個力應(yīng)當(dāng)是太陽對它的引力,所以,牛頓利用他的運動定律把行星的向心加速度與太陽對它的引力聯(lián)系起來了.一、太陽對行星的引力1.猜想與模型簡化師生互動:老師提出問題,引導(dǎo)同學(xué)共同解決,為推導(dǎo)太陽對行星的引力作好預(yù)備.由力和運動的關(guān)系知:已知力的作用規(guī)律可推想物體的運動規(guī)律;若已知物體的運動規(guī)律,也可以推想力的作用規(guī)律.問題1.今日探究太陽與行星間的引力屬于哪種狀況?問題2.行星繞太陽運動的規(guī)律是怎樣的?問題3.前面我們學(xué)習(xí)了兩種曲線運動,是哪兩種,如何處理?問題4.若要解決橢圓軌道的運動,依據(jù)現(xiàn)在的學(xué)問水平,可作如何簡化?同學(xué)溝通爭辯后回答：明確:1.屬于已知運動求力的狀況.2.由開普勒行星運動定律,行星繞太陽運動軌道是橢圓,相等的時間內(nèi)半徑掃過的面積相等,且滿足=k.3.平拋運動、圓周運動.平拋運動可分解為兩個方向上的直線運動,圓周運動可分解為沿半徑方向和沿切線方向上的運動.4.簡化成圓周運動.2.太陽對行星的引力.問題探究問題1.依據(jù)開普勒行星運動第一、其次定律,在行星軌道為圓的簡化模型下,行星做何種運動?問題2.做勻速圓周運動的物體必定得有力供應(yīng)向心力,行星的運動是由什么力供應(yīng)的向心力?問題3.向心力公式有多個,如、mω2r,,我們選擇哪個公式推導(dǎo)出太陽對行星的引力?問題4.不同行星的公轉(zhuǎn)周期T是不同的,F跟r關(guān)系式中不應(yīng)毀滅周期T,我們可運用什么學(xué)問把T消去?師生溝通爭辯或大膽猜想.明確:1.既然把橢圓軌道簡化為圓形軌道,由其次定律:行星與太陽的連線在相等的時間內(nèi)掃過相等的面積,可知:行星做勻速圓周運動.2.猜想:太陽對行星的引力,并且此引力等于行星做圓周運動所需要的向心力.3.選擇,由于在日常生活中,行星繞太陽運動的線速度v、角速度ω不易觀測,但周期T比較簡潔觀測出來.4.由開普勒第三定律可知,=k,并且k是由中心天體的質(zhì)量打算的.因此可對此式變形為T2=.合作溝通依據(jù)對上述問題的探究,讓同學(xué)分組溝通合作,推導(dǎo)出太陽對行星的吸引力的表達式.設(shè)行星的質(zhì)量為m,行星到太陽的距離為r,公轉(zhuǎn)周期為T,依據(jù)牛頓其次定律可得太陽對行星的引力為：F=①由開普勒第三定律=k可得T2=②由①②得：F=即F=③③式表明：太陽對不同行星的引力，與行星的質(zhì)量成正比，與行星和太陽間距離的二次方成反比.點評：通過對上述問題探究,使同學(xué)了解物理問題的一般處理方法:抓住主要沖突,忽視次要因素,大膽進行科學(xué)猜想,體會科學(xué)爭辯方法對人們生疏自然的重要作用.二、行星對太陽的引力問題探究1.牛頓第三定律的內(nèi)容是什么?2.依據(jù)牛頓第三定律,行星對太陽的引力滿足什么樣的關(guān)系?同學(xué)思考、歸納、代表發(fā)言.明確：1.兩個物體間的作用力和反作用力總是大小相等、方向相反,作用在同一條直線上.2.依據(jù)牛頓第三定律和太陽對行星的引力滿足的關(guān)系可知:行星對太陽的引力F′大小應(yīng)當(dāng)與太陽質(zhì)量M成正比，與行星、太陽距離的二次方成反比，也就是F′∝.三、太陽與行星間的引力合作探究內(nèi)容：1.利用太陽對行星的作用力和行星對太陽的作用力的關(guān)系,猜想太陽與行星間作用力與M、m、r的關(guān)系.2.寫出太陽與行星間引力的表達式.探究：1.通過此兩個問題熬煉同學(xué)的規(guī)律思維力氣.2.引入比例常數(shù)G,可得：F=對公式的說明：（1）公式表明，太陽與行星間的引力大小，與太陽的質(zhì)量、行星的質(zhì)量成正比，與兩者距離的二次方成反比.(2)式中G是比例系數(shù),與太陽、行星都沒有關(guān)系.(3)太陽與行星間引力的方向沿著二者的連線方向.(4)我們沿著牛頓的腳印?????,始終是在已有的觀測結(jié)果(開普勒行星運動定律)和理論引導(dǎo)(牛頓運動定律)下進行推想和分析,觀測結(jié)果僅對“行星繞太陽運動”成立.這還不是萬有引力定律.例1已知太陽光從太陽射到地球需要500s，地球繞太陽的公轉(zhuǎn)周期約為3.2×107s,地球的質(zhì)量約為6×1024解析：地球繞太陽做橢圓運動，由于橢圓格外接近圓軌道，所以可將地球繞太陽的運動看成勻速圓周運動，需要的向心力由太陽對地球的引力供應(yīng)，即F=mRω2=.由于太陽光從太陽射到地球用的時間為500s，所以太陽與地球間的距離R=ct(c為光速)所以F=，代入數(shù)據(jù)得F≈4×1022N.答案：4×1022N例2最近，科學(xué)家在望遠鏡中看到太陽系外某一恒星有一行星，并測得它圍繞該恒星運動一周所用的時間為1200年，它與該恒星的距離為地球到太陽距離的100倍.假定該行星繞恒星運行的軌道和地球繞太陽運行的軌道都是圓周，僅利用以上兩個數(shù)據(jù)可以求出的量有（）A.恒星質(zhì)量與太陽質(zhì)量之比B.恒星密度與太陽密度之比C.行星質(zhì)量與地球質(zhì)量之比D.行星運行速度與地球公轉(zhuǎn)速度之比解析：由,由各自的運行時間比和距離比可求出恒星質(zhì)量和太陽質(zhì)量之比，再由v=可求出各自的運行速度之比，所以A、D選項正確.答案：AD規(guī)律總結(jié)：在有的物理問題中，所求量不能直接用公式進行求解，必需利用等效的方法間接求解，這就要求在等效替換中建立一個恰當(dāng)?shù)奈锢砟Ｐ?，利用相?yīng)的規(guī)律，查找解題的途徑.課堂訓(xùn)練1.一顆小行星繞太陽做勻速圓周運動的半徑是地球半徑的4倍，則這顆小行星運轉(zhuǎn)的周期是()A.4年B.6年C.8年D.9年2.設(shè)土星繞太陽的運動為勻速圓周運動，若測得土星到太陽的距離為R，土星繞太陽運動的周期為T，萬有引力常量為G，則依據(jù)以上數(shù)據(jù)可解得的物理量有()A.土星線速度的大小B.土星加速度的大小C.土星的質(zhì)量D.太陽的質(zhì)量3.火星半徑是地球半徑的一半，火星質(zhì)量約為地球質(zhì)量的，那么地球表面質(zhì)量為50kg的人受到地球的吸引力約為火星表面同質(zhì)量的物體受到火星引力的__________倍.火星參考答案：1.C2.ABD3.解析：設(shè)火星質(zhì)量為m1,地球質(zhì)量為m2，火星半徑為r1，地球半徑為r2,則由F=得.答案：點評：太陽與行星間的引力規(guī)律F=同樣也適用于行星和行星表面的物體之間，需要留意的是，此時式中的r為行星的半徑.課堂小結(jié)通過本節(jié)課的學(xué)習(xí),我們了解知道了:1.太陽對行星的引力大小與行星的質(zhì)量成正比,與行星和太陽間距離的二次方成反比.2.行星對太陽的引力大小與太陽的質(zhì)量M成正比,與太陽到行星的距離的二次方成反比.3.太陽與行星間的引力與太陽的質(zhì)量、行星的質(zhì)量成正比,與兩者距離的平方成反比:F∝.寫成等式:F=.布置作業(yè)1.教材“問題與練習(xí)”1、2.2.分組爭辯課本“說一說”欄目中的問題.板書設(shè)計2太陽與行星間的引力太陽與行星間的引力活動與探究課題：如下圖所示為一名宇航員“漂移”在地球外層空間的照片，依據(jù)照片呈現(xiàn)的情景提出幾個與物理學(xué)問有關(guān)的問題.目的：提高同學(xué)發(fā)覺問題的力氣.提出一個問題往往比解決一個問題更重要,提出新問題需要有制造性的想象力,而且會推動科學(xué)的進步.提示：所提的問題可以涉及力學(xué)、電磁學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、原子物理學(xué)等各個部分.舉例：例如宇宙員是否受地球引力作用,此宇航員受力是否平衡.宇航員背后的天空為什么是黑暗的等等.習(xí)題詳解1.解答：這節(jié)的爭辯屬于依據(jù)物體的運動探究它受的力.平拋運動的爭辯屬于依據(jù)物體的受力探究它的運動,而圓周運動的爭辯屬于依據(jù)物體的運動探究它受的力.2.解答：這個無法在試驗室驗證的規(guī)律就是開普勒第三定律=k,是開普勒依據(jù)天文學(xué)家第谷的行星