【优教通-备课参考】2020年高中物理教学设计：6.2《太阳与行星间的引力》3(人教版必修2)

2太阳与行星间的引力整体设计本节课我们将追寻牛顿的脚印     ,依据开普勒行星运动定律和匀速圆周运动的向心力公式(牛顿其次定律在圆周运动中的应用)推导出太阳对行星的引力与行星的质量、行星与太阳间的距离的比例关系，再依据牛顿第三定律推出行星对太阳的引力与太阳的质量、太阳与行星间的距离的比例关系，从而进一步得到太阳与行星间的引力所遵循的规律，为重新“发觉”万有引力定律打下基础.行星围绕太阳运行轨道是椭圆,实际上,多数大行星的轨道与圆格外接近,也就是行星围绕太阳做圆周运动,那么确定就得有力来供应向心力,这个力应当是太阳对行星的引力.依据向心力公式：F=,又由开普勒第三定律知T2=.也推导出F∝,再由牛顿第三定律知F∝,所以太阳与行星间的引力F∝,写成等式F=.本节主要内容就是介绍科学家对行星运动缘由的各种猜想,及运用旧学问推导太阳与行星间的引力.在介绍是什么缘由使行星绕太阳运动时,老师可补充一些材料,使同学领悟前辈科学家对自然奇怪不屈挠的探究精神和对待科学争辩一丝不苟的态度.在推导太阳与行星间的引力时,老师可先引导同学理清推导思路,然后放手让同学自主推导,充分发挥同学学习的主体地位,培育同学用已有学问进行创新,发觉新规律的力气.教学重点对太阳与行星间引力的理解.教学难点运用所学学问对太阳与行星间引力的推导.课时支配1课时三维目标学问与技能1.知道行星绕太阳运动的缘由是受到太阳引力的作用.2.理解并会推导太阳与行星间的引力大小.3.记住物体间的引力公式F=.过程与方法1.了解行星与太阳间的引力公式的建立和进展过程.2.体会推导过程中的数量关系.情感态度与价值观了解太阳与行星间的引力关系,从而体会到大自然中的奇怪.教学过程导入新课情景导入目前已知太阳系中有8颗大行星(如下图所示).它们通常被分为两组:内层行星(水星、金星、地球、火星)和外层行星(木星、土星、天王星、海王星),内层行星体积较小,主要由岩石和铁组成;外层行星体积要大得多,主要由氢、氦、冰物质组成.哥白尼说:“太阳坐在它的皇位上，管理着围围着它的一切星球.”那么是什么缘由使行星绕太阳运动呢?伽利略、开普勒以及法国数学家笛卡儿都提出过自己的解释.然而,只有牛顿才给出了正确的解释……复习导入复习旧知：行星的运动依据开普勒三大定律我们已经知道了八大行星的运动规律.八大行星之所以绕太阳做圆周运动,是什么缘由造成的呢?我们这节课就一起来探究这个问题.推动新课开普勒描述了行星的运动规律,那么它们为什么这样运动呢?很多科学家都对运动的缘由提出了各种猜想,如图所示(课件呈现).科学家对行星运动缘由的各种猜想牛顿在前人对惯性争辩的基础上，认为：以任何方式转变速度（包括方向）都需要力.因此,使行星沿圆或椭圆运动,需要指向圆心或椭圆焦点的力,这个力应当是太阳对它的引力,所以,牛顿利用他的运动定律把行星的向心加速度与太阳对它的引力联系起来了.一、太阳对行星的引力1.猜想与模型简化师生互动:老师提出问题,引导同学共同解决,为推导太阳对行星的引力作好预备.由力和运动的关系知:已知力的作用规律可推想物体的运动规律;若已知物体的运动规律,也可以推想力的作用规律.问题1.今日探究太阳与行星间的引力属于哪种状况?问题2.行星绕太阳运动的规律是怎样的?问题3.前面我们学习了两种曲线运动,是哪两种,如何处理?问题4.若要解决椭圆轨道的运动,依据现在的学问水平,可作如何简化?同学沟通争辩后回答：明确:1.属于已知运动求力的状况.2.由开普勒行星运动定律,行星绕太阳运动轨道是椭圆,相等的时间内半径扫过的面积相等,且满足=k.3.平抛运动、圆周运动.平抛运动可分解为两个方向上的直线运动,圆周运动可分解为沿半径方向和沿切线方向上的运动.4.简化成圆周运动.2.太阳对行星的引力.问题探究问题1.依据开普勒行星运动第一、其次定律,在行星轨道为圆的简化模型下,行星做何种运动?问题2.做匀速圆周运动的物体必定得有力供应向心力,行星的运动是由什么力供应的向心力?问题3.向心力公式有多个,如、mω2r,,我们选择哪个公式推导出太阳对行星的引力?问题4.不同行星的公转周期T是不同的,F跟r关系式中不应毁灭周期T,我们可运用什么学问把T消去?师生沟通争辩或大胆猜想.明确:1.既然把椭圆轨道简化为圆形轨道,由其次定律:行星与太阳的连线在相等的时间内扫过相等的面积,可知:行星做匀速圆周运动.2.猜想:太阳对行星的引力,并且此引力等于行星做圆周运动所需要的向心力.3.选择,由于在日常生活中,行星绕太阳运动的线速度v、角速度ω不易观测,但周期T比较简洁观测出来.4.由开普勒第三定律可知,=k,并且k是由中心天体的质量打算的.因此可对此式变形为T2=.合作沟通依据对上述问题的探究,让同学分组沟通合作,推导出太阳对行星的吸引力的表达式.设行星的质量为m,行星到太阳的距离为r,公转周期为T,依据牛顿其次定律可得太阳对行星的引力为：F=①由开普勒第三定律=k可得T2=②由①②得：F=即F=③③式表明：太阳对不同行星的引力，与行星的质量成正比，与行星和太阳间距离的二次方成反比.点评：通过对上述问题探究,使同学了解物理问题的一般处理方法:抓住主要冲突,忽视次要因素,大胆进行科学猜想,体会科学争辩方法对人们生疏自然的重要作用.二、行星对太阳的引力问题探究1.牛顿第三定律的内容是什么?2.依据牛顿第三定律,行星对太阳的引力满足什么样的关系?同学思考、归纳、代表发言.明确：1.两个物体间的作用力和反作用力总是大小相等、方向相反,作用在同一条直线上.2.依据牛顿第三定律和太阳对行星的引力满足的关系可知:行星对太阳的引力F′大小应当与太阳质量M成正比，与行星、太阳距离的二次方成反比，也就是F′∝.三、太阳与行星间的引力合作探究内容：1.利用太阳对行星的作用力和行星对太阳的作用力的关系,猜想太阳与行星间作用力与M、m、r的关系.2.写出太阳与行星间引力的表达式.探究：1.通过此两个问题熬炼同学的规律思维力气.2.引入比例常数G,可得：F=对公式的说明：（1）公式表明，太阳与行星间的引力大小，与太阳的质量、行星的质量成正比，与两者距离的二次方成反比.(2)式中G是比例系数,与太阳、行星都没有关系.(3)太阳与行星间引力的方向沿着二者的连线方向.(4)我们沿着牛顿的脚印     ,始终是在已有的观测结果(开普勒行星运动定律)和理论引导(牛顿运动定律)下进行推想和分析,观测结果仅对“行星绕太阳运动”成立.这还不是万有引力定律.例1已知太阳光从太阳射到地球需要500s，地球绕太阳的公转周期约为3.2×107s,地球的质量约为6×1024解析：地球绕太阳做椭圆运动，由于椭圆格外接近圆轨道，所以可将地球绕太阳的运动看成匀速圆周运动，需要的向心力由太阳对地球的引力供应，即F=mRω2=.由于太阳光从太阳射到地球用的时间为500s，所以太阳与地球间的距离R=ct(c为光速)所以F=，代入数据得F≈4×1022N.答案：4×1022N例2最近，科学家在望远镜中看到太阳系外某一恒星有一行星，并测得它围绕该恒星运动一周所用的时间为1200年，它与该恒星的距离为地球到太阳距离的100倍.假定该行星绕恒星运行的轨道和地球绕太阳运行的轨道都是圆周，仅利用以上两个数据可以求出的量有（）A.恒星质量与太阳质量之比B.恒星密度与太阳密度之比C.行星质量与地球质量之比D.行星运行速度与地球公转速度之比解析：由,由各自的运行时间比和距离比可求出恒星质量和太阳质量之比，再由v=可求出各自的运行速度之比，所以A、D选项正确.答案：AD规律总结：在有的物理问题中，所求量不能直接用公式进行求解，必需利用等效的方法间接求解，这就要求在等效替换中建立一个恰当的物理模型，利用相应的规律，查找解题的途径.课堂训练1.一颗小行星绕太阳做匀速圆周运动的半径是地球半径的4倍，则这颗小行星运转的周期是()A.4年B.6年C.8年D.9年2.设土星绕太阳的运动为匀速圆周运动，若测得土星到太阳的距离为R，土星绕太阳运动的周期为T，万有引力常量为G，则依据以上数据可解得的物理量有()A.土星线速度的大小B.土星加速度的大小C.土星的质量D.太阳的质量3.火星半径是地球半径的一半，火星质量约为地球质量的，那么地球表面质量为50kg的人受到地球的吸引力约为火星表面同质量的物体受到火星引力的__________倍.火星参考答案：1.C2.ABD3.解析：设火星质量为m1,地球质量为m2，火星半径为r1，地球半径为r2,则由F=得.答案：点评：太阳与行星间的引力规律F=同样也适用于行星和行星表面的物体之间，需要留意的是，此时式中的r为行星的半径.课堂小结通过本节课的学习,我们了解知道了:1.太阳对行星的引力大小与行星的质量成正比,与行星和太阳间距离的二次方成反比.2.行星对太阳的引力大小与太阳的质量M成正比,与太阳到行星的距离的二次方成反比.3.太阳与行星间的引力与太阳的质量、行星的质量成正比,与两者距离的平方成反比:F∝.写成等式:F=.布置作业1.教材“问题与练习”1、2.2.分组争辩课本“说一说”栏目中的问题.板书设计2太阳与行星间的引力太阳与行星间的引力活动与探究课题：如下图所示为一名宇航员“漂移”在地球外层空间的照片，依据照片呈现的情景提出几个与物理学问有关的问题.目的：提高同学发觉问题的力气.提出一个问题往往比解决一个问题更重要,提出新问题需要有制造性的想象力,而且会推动科学的进步.提示：所提的问题可以涉及力学、电磁学、热学、光学、原子物理学等各个部分.举例：例如宇宙员是否受地球引力作用,此宇航员受力是否平衡.宇航员背后的天空为什么是黑暗的等等.习题详解1.解答：这节的争辩属于依据物体的运动探究它受的力.平抛运动的争辩属于依据物体的受力探究它的运动,而圆周运动的争辩属于依据物体的运动探究它受的力.2.解答：这个无法在试验室验证的规律就是开普勒第三定律=k,是开普勒依据天文学家第谷的行星