2019-2020年高中物理《萬(wàn)有引力理論的成就》教案5 新人教版必修2.doc

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2019-2020年高中物理《萬(wàn)有引力理論的成就》教案5 新人教版必修2 一、教學(xué)目標(biāo) 1、知識(shí)與技能： (1)了解地球表面物體的萬(wàn)有引力兩個(gè)分力的大小關(guān)系，計(jì)算地球質(zhì)量； (2)行星繞恒星運(yùn)動(dòng)、衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)的共同點(diǎn)：萬(wàn)有引力作為行星、衛(wèi)星圓周運(yùn)動(dòng)的向心力，會(huì)用萬(wàn)有引力定律計(jì)算天體的質(zhì)量； (3)了解萬(wàn)有引力定律在天文學(xué)上有重要應(yīng)用。 2、過(guò)程與方法： (1)培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)數(shù)據(jù)分析找到事物的主要因素和次要因素的一般過(guò)程和方法； (2)培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)事件的之間相似性采取類比方法分析新問(wèn)題的能力與方法； (3)培養(yǎng)學(xué)生歸納總結(jié)建立模型的能力與方法。 3、情感態(tài)度與價(jià)值觀： (1)培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)真嚴(yán)禁的科學(xué)態(tài)度和大膽探究的心理品質(zhì)； (2)體會(huì)物理學(xué)規(guī)律的簡(jiǎn)潔性和普適性，領(lǐng)略物理學(xué)的優(yōu)美。 二、教學(xué)內(nèi)容剖析 1、 本節(jié)課的地位和作用： 萬(wàn)有引力的應(yīng)用就是用來(lái)解題，那么萬(wàn)有引力理論的成就就是本章的重要內(nèi)容。 2、本節(jié)課教學(xué)重點(diǎn)： 地球質(zhì)量的計(jì)算、太陽(yáng)等中心天體質(zhì)量的計(jì)算 3、本節(jié)課教學(xué)難點(diǎn)： 根據(jù)已有條件求中心天體的質(zhì)量 三、 教學(xué)思路與方法 通過(guò)數(shù)據(jù)分析找到地球表面物體萬(wàn)有引力與兩個(gè)分力——重力和物體隨地球自轉(zhuǎn)的向心力的大小關(guān)系，得到結(jié)論向心力遠(yuǎn)小于重力，萬(wàn)有引力大小近似等于重力，從而推導(dǎo)地球質(zhì)量的計(jì)算表達(dá)式。 通過(guò)對(duì)太陽(yáng)系九大行星圍繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的分析，根據(jù)萬(wàn)有引力作為行星圓周運(yùn)動(dòng)的向心力，計(jì)算太陽(yáng)的質(zhì)量；進(jìn)一步類比聯(lián)想推理到月亮、人造衛(wèi)星圍繞地球圓周運(yùn)動(dòng)求地球質(zhì)量等，最后歸納總結(jié)建立模型——中心天體質(zhì)量的計(jì)算。 四、 教學(xué)準(zhǔn)備 多媒體課件 課堂教學(xué)設(shè)計(jì) 教學(xué)環(huán)節(jié) 教學(xué)內(nèi)容 師生互動(dòng) 設(shè)計(jì)意圖 備注 引入 師：伽利略在研究杠桿原理后，曾經(jīng)說(shuō)過(guò)一句什么名言？ 生：“給我一個(gè)支點(diǎn)，我可以撬動(dòng)地球。” 師：天平是根據(jù)杠桿原理測(cè)量物體質(zhì)量的儀器，那么根據(jù)伽利略的名言，我們是否可以用天平測(cè)量地球的質(zhì)量？ 我們這節(jié)課就來(lái)學(xué)習(xí)怎樣測(cè)量地球的質(zhì)量。 通過(guò)一句名言，一個(gè)設(shè)想，引起學(xué)生對(duì)天體質(zhì)量的興趣，可以引發(fā)學(xué)生的思考。 天體的質(zhì)量 地球表面物體的重力與地球?qū)ξ矬w的萬(wàn)有引力的關(guān)系。 物體m在緯度為θ的位置，萬(wàn)有引力指向地心，分解為兩個(gè)分力：m隨地球自轉(zhuǎn)圍繞地軸運(yùn)動(dòng)的向心力和重力 。 結(jié)論：向心力遠(yuǎn)小于重力，萬(wàn)有引力大小近似等于重力。 “科學(xué)真是迷人” 一.測(cè)量天體的質(zhì)量 1.測(cè)量地球的質(zhì)量 思考： （1）根據(jù)所學(xué)的知識(shí)你能解釋為什么可以不考慮地球自轉(zhuǎn)的影響？ （2）測(cè)量地球質(zhì)量運(yùn)用了處理天體運(yùn)動(dòng)問(wèn)題的那種思路？ 若不考慮地球自轉(zhuǎn)的影響，地面上質(zhì)量為m的物體所受的重力mg等于地球?qū)ξ矬w的引力，即 其中，M是地球的質(zhì)量，R是地球的半徑，也就是物體到地心的距離?？梢越獬觯? 2.測(cè)量太陽(yáng)的質(zhì)量 九大行星圍繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)，太陽(yáng)為中心天體 思考： （1）行星做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力是什么？ （2）是否需要考慮九大行星之間的萬(wàn)有引力？ 如果設(shè)中心天體質(zhì)量為M，行星質(zhì)量為m，已知行星圍繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)的軌道半徑為r，即行星到太陽(yáng)的距離。我們?nèi)绾卫眠@些條件來(lái)測(cè)量太陽(yáng)的質(zhì)量呢?是處理天體運(yùn)動(dòng)問(wèn)題的那種思路？ 設(shè)中心天體太陽(yáng)質(zhì)量M，行星質(zhì)量m，軌道半徑r——也是行星與太陽(yáng)的距離，行星公轉(zhuǎn)角速度ω，公轉(zhuǎn)周期T，則 太陽(yáng)質(zhì)量 與行星質(zhì)量m無(wú)關(guān)。 師：那我們?nèi)绾螠y(cè)量巨大的天體質(zhì)量？ 萬(wàn)有引力給我們提供了幫助。 師：物體在地球上要受到萬(wàn)有引力的作用，其方向指向地心。地球上的萬(wàn)有引力有兩個(gè)作用，一個(gè)是它要提供地球自轉(zhuǎn)所需要的向心力，另一個(gè)力就是我們所說(shuō)的重力，所以重力的方向我們說(shuō)豎直向下而不是指向地心，就是這個(gè)原因。 師：考慮什么時(shí)候重力的方向才指向地心？ （學(xué)生思考） 生：通常情況下，只有赤道和兩極的重力才嚴(yán)格指向地心。 師：為什么可以讓萬(wàn)有引力等于重力？ 生：因?yàn)椴挥?jì)地球自轉(zhuǎn)。 師：為什么可以不計(jì)地球自轉(zhuǎn)？ 生：因?yàn)榈厍蜃赞D(zhuǎn)的并不快，所以向心力是一個(gè)很小的值。在運(yùn)算要求不是很準(zhǔn)確的條件下，我們可以粗略的讓萬(wàn)有引力等于重力。 師：當(dāng)物體圍繞地球運(yùn)動(dòng)時(shí)，我們粗略的認(rèn)為物體所受的萬(wàn)有引力等于重力。 這樣經(jīng)過(guò)整理就可以得出地球質(zhì)量。 下面請(qǐng)你自己推導(dǎo)出地球的質(zhì)量公式。 生：。。。。 師：在這個(gè)公式中，G是引力常量，g是地面的重力加速度，R是地球半徑。所以很容易就可以得出地球質(zhì)量。難怪一個(gè)外行人、文學(xué)家馬克吐溫滿懷激情地說(shuō)：“科學(xué)真是迷人。根據(jù)零星的事實(shí)，增添一點(diǎn)猜想，竟能贏得那么多收獲！” 師：太陽(yáng)為中心天體，九大行星以太陽(yáng)為中心在不同的軌道上以不同的周期做近似的圓周運(yùn)動(dòng)。 師：行星做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力是什么？ 生：萬(wàn)有引力。 師：如果我們要計(jì)算太陽(yáng)與行星之間的萬(wàn)有引力，是否需要考慮九大行星之間的萬(wàn)有引力？ 生：不必，因?yàn)橄鄬?duì)太陽(yáng)的質(zhì)量，九大行星的質(zhì)量可以忽略。 教師引導(dǎo)學(xué)生討論、思考、回答，最后教師總結(jié)： 師：對(duì)，太陽(yáng)質(zhì)量遠(yuǎn)大于各個(gè)行星質(zhì)量，高中階段粗略計(jì)算，不考慮行星之間的萬(wàn)有引力。 師：那么，我們就來(lái)計(jì)算一下太陽(yáng)的質(zhì)量。 給出已知條件，讓學(xué)生自己推。 師：不同行星與太陽(yáng)的距離r和繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的周期T都是各不相同的。但是不同行星的r、T計(jì)算出來(lái)的太陽(yáng)質(zhì)量必須是一樣的！上面的公式能否保證這一點(diǎn)？ 生：能，不同行星對(duì)應(yīng)不同的r和周期T，但結(jié)果一定相同。 師：同理，月亮圍繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)，根據(jù)前面的推導(dǎo)我們能否計(jì)算地球的質(zhì)量？ （學(xué)生先討論，教師引導(dǎo)學(xué)生回憶開普勒第三定律，得出結(jié)果： 可以保證不同行星的r、T計(jì)算出來(lái)的太陽(yáng)質(zhì)量是一樣的。）。 教師進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生類比思考，人造衛(wèi)星圍繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)， 學(xué)生在教師引導(dǎo)下類比思考： 地球?yàn)橹行奶祗w，月亮圍繞太陽(yáng)做圓周運(yùn)動(dòng)，向心力為地球?qū)υ铝恋娜f(wàn)有引力。 設(shè)中心天體地球質(zhì)量M，月亮質(zhì)量m，軌道半徑r——也是月亮與地球的距離，月亮公轉(zhuǎn)周期T，則 地球質(zhì)量 與月亮質(zhì)量m無(wú)關(guān)。 同理， 地球質(zhì)量 與人造衛(wèi)星質(zhì)量m無(wú)關(guān)。 師：尋找這幾個(gè)地球、太陽(yáng)、質(zhì)量公式的關(guān)系。 通過(guò)思考和討論，再通過(guò)錄象，自己找出問(wèn)題的結(jié)論，加深理解。 計(jì)算天體的密度 二：計(jì)算天體的密度。 如果某行星有一顆衛(wèi)星沿非?？拷撕阈堑谋砻孀鰟蛩賵A周運(yùn)動(dòng)的周期為T，則可估算此恒星的密度為多少? 解析：設(shè)此恒星的半徑為R，質(zhì)量為M，由于衛(wèi)星做勻速圓周運(yùn)動(dòng)則有 G=mR, 所以，M= 而恒星的體積V=πR3，所以恒星的密度 ρ== 三：發(fā)現(xiàn)未知天體 問(wèn)題1：筆尖下發(fā)現(xiàn)的行星是哪一顆行星？ 海王星 問(wèn)題2：人們用類似的方法又發(fā)現(xiàn)了哪顆行星？ 冥王星 在計(jì)算中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，讓學(xué)生自己總結(jié)，鍛煉學(xué)生的自學(xué)能力。 例題 1：利用下列哪組數(shù)據(jù)可以舉算出地球的質(zhì)量（ ） A:已知地球的半徑r和地球表面的重力加速度g B:已知衛(wèi)星圍繞地球運(yùn)動(dòng)的軌道半徑r和周期T C:已知衛(wèi)星圍繞地球運(yùn)動(dòng)的軌道半徑r和周期V D:已知衛(wèi)星圍繞地球運(yùn)動(dòng)的線速度V和周期T 答案：ABCD 2：太陽(yáng)系中地球圍繞太陽(yáng)運(yùn)行的線速度v=30km/s，地球公轉(zhuǎn)半徑是R=1.5108km，求太陽(yáng)的質(zhì)量等于多少？ 答案：21030kg 3.一宇航員為了估測(cè)一星球的質(zhì)量，他在該星球的表面做自由落體實(shí)驗(yàn)：讓小球在離地面h高處自由下落，他測(cè)出經(jīng)時(shí)間t小球落地，又已知該星球的半徑為R，試估算該星球的質(zhì)量。 答案：3105 ：1 4.已知在月球表面以10m/s的初速度豎直上拋一物體，物體能上升的最大高度是30m，又已知月球的半徑位1740km，試計(jì)算月球的質(zhì)量。 答案：7.61022kg 5.太陽(yáng)光經(jīng)500s到達(dá)地球，地球的半徑是6.4103km，試估算太陽(yáng)質(zhì)量與地球質(zhì)量的比直？（取一位有效數(shù)字） 答案：2hR2/Gt2 6.地球表面處重力加速度g取10m/s2，地球的半徑R取6400km，引力常數(shù)G為6.6710-11Nm2/kg2,由上述條件，可推得地球平均密度得表達(dá)式是 把上述數(shù)據(jù)代入，可算得其值為 　　 kg/m3 答案： 5．6103 做例題1、2，畫圖，通過(guò)各個(gè)物理量，讓學(xué)生自己做。 師：演示課本P27圖2－1－6皮帶傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生觀察： 思考：線速度的關(guān)系，并說(shuō)明你的理由。 生1：皮帶傳動(dòng)時(shí)，大小兩輪子邊緣在相同的時(shí)間內(nèi)經(jīng)過(guò)的弧長(zhǎng)相同，即線速度大小相同。 師：但是與此同時(shí)，兩輪轉(zhuǎn)過(guò)的角度并不相同，小輪顯然轉(zhuǎn)得快些。那么，角速度的關(guān)系是什么？ 生1：同一輪子半徑上不同的質(zhì)點(diǎn)，在相同的時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)的角度相同，轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢是相同的。 總結(jié)： 由此可見， 皮帶傳動(dòng)，多輪接觸轉(zhuǎn)動(dòng)，輪緣線速度相同；同軸轉(zhuǎn)動(dòng)整個(gè)物體上各點(diǎn)角速度相同。 不要空洞的說(shuō)教，在實(shí)戰(zhàn)中了解、積累解決問(wèn)題的經(jīng)驗(yàn)。印象深刻，避免不必要的重復(fù)學(xué)習(xí)。 小結(jié) 小結(jié)： 1、 地球表面，不考慮（忽略）地球自轉(zhuǎn)的影響，物體的重力 近似等于重力 地球質(zhì)量 2、建立模型求中心天體質(zhì)量 圍繞天體做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力為中心天體對(duì)圍繞天體的萬(wàn)有引力，通過(guò)圍繞天體的運(yùn)動(dòng)半徑和周期求中心天體的質(zhì)量。 中心天體質(zhì)量 作業(yè) 作業(yè)： 1、到網(wǎng)上查閱有關(guān)太陽(yáng)系行星的資料，認(rèn)識(shí)它們，知道它們各自的名稱與特點(diǎn)。 2、做課后題1、2、3、4。 通過(guò)自己探究查閱有關(guān)知識(shí)，通過(guò)題目進(jìn)一步鞏固學(xué)習(xí)的內(nèi)容。 視野拓展 李政道 (Tsung-Dao Lee) 美國(guó)物理學(xué)家。1926年11月25日生于中國(guó)上海市，原籍江蘇蘇州。1944-1946年先后就讀于浙江大學(xué)、西南聯(lián)合大學(xué)。1946年入美國(guó)芝加哥大學(xué)物理系研究院學(xué)習(xí)，1950年6月獲哲學(xué)博士學(xué)位。1953-1960年歷任美國(guó)哥倫比亞大學(xué)助理教授、副教授、教授，1960-1963年任普林斯頓高等研究院教授，1964年至今任哥倫比亞大學(xué)費(fèi) 米物理教，1984年至今任哥倫比亞大學(xué)“大學(xué)教授”。 李政道教授曾獲:諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)(1957)、愛(ài)因斯坦科學(xué)獎(jiǎng)(1957)、法國(guó)國(guó)立學(xué)院布德埃獎(jiǎng)?wù)?1969, 1977)、伽利略 伽利萊獎(jiǎng)?wù)?1979)、意大利共和國(guó)最高騎士勛章(1986)、埃. 馬諾瑞那愛(ài)瑞奇科學(xué)和平獎(jiǎng)(1994) 等。他是 美國(guó)藝術(shù)和科學(xué)院院士(1959)、美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士(1964)、意大利林琴科學(xué)院院士(1986)和臺(tái)灣“中央研”院士(1957)。 李政道教授關(guān)于弱相互作用中宇稱不守恒定律以及其一 些對(duì)稱性不守恒的發(fā)現(xiàn)，是極為重要的劃時(shí)代貢獻(xiàn)，為此，李政道教授和楊振寧教授共獲1957年諾貝爾物理學(xué) 獎(jiǎng)。 從40年代末到70年代初，李政道教授在弱相互作用研究 領(lǐng)域做出了許多具有里程碑性質(zhì)的工作：除去宇稱不守恒定律，還有二分量中微子理論、兩種中微子理、弱相互作用的普適性、中間玻色子理論以及中性K介子衰變中的CP破壞等重要研究成果 。 在統(tǒng)計(jì)力學(xué)方面，李政道和楊振寧研究了一階相變的本質(zhì)(1952 )；完成了稀薄玻色硬球系統(tǒng)低溫行為的分析(1956 )；他們還對(duì)量子多體系統(tǒng)的維里展開做了一系列的研究(1956-1959 ),并和黃克孫一起研究了量子玻色硬球系統(tǒng)的能級(jí)(1956-1957)等等。這些研究對(duì)多體理論作 出了開創(chuàng)性的和重大的貢獻(xiàn)。 70和80年代，李政道教授創(chuàng)立了非拓?fù)湫怨伦永碚摷皬?qiáng)子模型方面的研究，具有經(jīng)典意義。量子場(chǎng)論中的“李模型”對(duì)以后的場(chǎng)論和重整化研究有很大影響。“KLN 定理”的提出，為分析夸克—膠子相互作用奠定了理論基礎(chǔ)?！胺闯：藨B(tài)”概念的提出，深化了人們對(duì)真空的認(rèn)識(shí)，推動(dòng)了相對(duì)論重離子碰撞的理論和實(shí)驗(yàn)研究工作。用隨機(jī)格點(diǎn)的方法研究量子場(chǎng)論的非微擾效應(yīng)，并建立離散時(shí)空上的力學(xué)，理論上受到廣泛重視。 李政道教授近年來(lái)關(guān)于高溫超導(dǎo)的系統(tǒng)理論研究工作，也是別具一格的。 從70年代起，李政道教授為中國(guó)的教育事業(yè)和科技術(shù)的 發(fā)展做出了重大的貢獻(xiàn)。為了在中國(guó)發(fā)展高能物理和建立高能加速器，在李政道教授的建議和安排下，自1979 年，由幾十位中國(guó)學(xué)者到國(guó)外學(xué)習(xí)和培訓(xùn)，后來(lái)成為建立北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)(BEPC）、北京譜儀和進(jìn)行高能物理實(shí)驗(yàn)的骨干；1982年當(dāng)我國(guó)高能物理事業(yè)舉棋不定 的關(guān)鍵時(shí)刻，他幫助我國(guó)選擇了一個(gè)既先進(jìn)又符合國(guó)情 的BEPC方案，并促成了中美高能物理合作，使BEPC工 程在選擇方案、進(jìn)行設(shè)計(jì)和建設(shè)中都得到了美國(guó)高能物理界的幫助和支持，對(duì)撞機(jī)之能如期建成，并成為當(dāng)今世界上在c -τ物理研究能區(qū)唯一的高亮度電子對(duì)撞機(jī)，并做出了重要的物理結(jié)果，這與他的努力是分不開的。 為年輕人的盡快成才，李政道教授除在國(guó)內(nèi)開設(shè)長(zhǎng)期座外，還倡議并創(chuàng)立了中美聯(lián)合招考物理研究生計(jì)劃(CUSPEA)，在1979年到1989年的十年內(nèi)，共派出了915位研究生，并得到美方資助。 1985年，他又倡導(dǎo)成立了中國(guó)博士后流動(dòng)站和中國(guó)博士后科學(xué)基金會(huì)，并擔(dān)任全國(guó)博士后管理委員會(huì)顧問(wèn)和中國(guó)博士后科學(xué)基金會(huì)名譽(yù)理事長(zhǎng)。 1986年，他爭(zhēng)取到意大利的經(jīng)費(fèi)，在中國(guó)科學(xué)院的支持下，創(chuàng)立了中國(guó)高等科學(xué)技術(shù)中心(CCAST)并擔(dān)任主 任，每年回國(guó)親自主持國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議，并指導(dǎo)CCAST開展多種形式的學(xué)術(shù)活動(dòng)，對(duì)提高科技人員的水平起了重要作用。同時(shí), 在北京大學(xué)建立了北京現(xiàn)代物理中心(BIMP)；其后，成立了在浙江大學(xué)的浙江近代物理中心，和在復(fù)旦大學(xué)的李政道實(shí)驗(yàn)物理中心。他是中國(guó)科 技大學(xué)、北京大學(xué)等11所大學(xué)的名譽(yù)教授。