5/83．預(yù)言未知星體計(jì)算天體質(zhì)量【教材分析】體系結(jié)構(gòu)。本節(jié)是高中物理必修第二冊《第三章萬有引力定律》的第3節(jié)。地位作用。本章內(nèi)容是在學(xué)習(xí)了萬有引力定律的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，是萬有引力定律在探索未知世界中的一次應(yīng)用，將理論學(xué)習(xí)與生活實(shí)踐聯(lián)系了起來。同時(shí)，本章內(nèi)容也對學(xué)生未來學(xué)習(xí)物理學(xué)和天文學(xué)有著深遠(yuǎn)的影響。知識背景。學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了萬有引力定律，并在推導(dǎo)萬有引力定律的過程中知道要將萬有引力定律與圓周運(yùn)動(dòng)公式相結(jié)合。同時(shí)，學(xué)生也對萬有引力定律發(fā)現(xiàn)過程中的物理學(xué)史有著初步的了解?！緦W(xué)情分析】認(rèn)知層面。學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了圓周運(yùn)動(dòng)的相關(guān)知識，對生活中的圓周運(yùn)動(dòng)可以進(jìn)行初步的受力分析。學(xué)習(xí)了萬有引力定律的理論知識，了解萬有引力定律的推導(dǎo)過程以及衛(wèi)星環(huán)繞中心天體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。但對萬有引力定律的理解還停留在抽象的層面上，體會(huì)不到萬有引力定律在實(shí)際生活中的運(yùn)用，對萬物間都存在引力這一點(diǎn)沒有直觀的體驗(yàn)。能力層面。學(xué)生通過之前的學(xué)習(xí)具備了對知識的歸納能力，并具有強(qiáng)烈的好奇心和求知欲，具有一定的科學(xué)探究能力和分析問題的能力。教師應(yīng)當(dāng)在此基礎(chǔ)上培養(yǎng)學(xué)生歸納、總結(jié)、建立模型的能力與方法。思維層面。對天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律不能很好地理解，不能將萬有引力定律應(yīng)用到實(shí)際生活中。態(tài)度與責(zé)任層面。學(xué)生在學(xué)習(xí)萬有引力定律之前，對相關(guān)物理學(xué)史了解不夠，也對天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律不是很了解，需要教師在課堂上系統(tǒng)地引導(dǎo)。同時(shí)，高中一年級的學(xué)生對自我社會(huì)責(zé)任的意識還存在不足，也需要通過課堂引導(dǎo)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任意識?！菊n標(biāo)解讀】課標(biāo)要求。認(rèn)識萬有引力定律的重要意義，認(rèn)識科學(xué)定律對人類探索未知世界的作用。課標(biāo)解讀。本條目聯(lián)系了萬有引力定律與生活實(shí)際，以預(yù)言哈雷彗星的回歸、海王星的發(fā)現(xiàn)、地球質(zhì)量的稱量等現(xiàn)實(shí)問題為基礎(chǔ)，以萬有引力定律和圓周運(yùn)動(dòng)的公式為切入點(diǎn)，說明科學(xué)定律的預(yù)測作用，聯(lián)系了理論學(xué)習(xí)和生活實(shí)踐?！窘虒W(xué)目標(biāo)】核心素養(yǎng)素養(yǎng)表現(xiàn)素養(yǎng)內(nèi)涵教學(xué)目標(biāo)物理觀念運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念初步形成相互作用觀，并能用它對自然圖景進(jìn)行描述了解萬有引力定律在天文學(xué)上的重要應(yīng)用問題解決根據(jù)物理觀念，解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問題會(huì)用萬有引力定律和圓周運(yùn)動(dòng)的公式計(jì)算天體質(zhì)量，知道計(jì)算天體質(zhì)量時(shí)的限制條件，會(huì)計(jì)算天體密度，知道代換法與環(huán)繞法之間的差別科學(xué)思維模型建構(gòu)根據(jù)問題和情境，對客觀事物進(jìn)行抽象和概括，構(gòu)建物理模型月地模型（環(huán)繞法）；地表物體繞地球運(yùn)動(dòng)（代換法）科學(xué)態(tài)度與責(zé)任科學(xué)本質(zhì)能正確認(rèn)識科學(xué)的本質(zhì)，認(rèn)識到物理是人類有意識的探究過程通過學(xué)習(xí)，感受物理的統(tǒng)一性，了解科學(xué)定律的預(yù)測作用科學(xué)態(tài)度具有學(xué)習(xí)和研究物理的好奇心和求知欲，嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、實(shí)事求是、持之以恒；善于基于證據(jù)和推理發(fā)表自己的見解，形成獨(dú)立思考、敢于質(zhì)疑、善于反思的創(chuàng)新精神通過了解物理學(xué)史，讓學(xué)生知道在研究中應(yīng)具有的品質(zhì)社會(huì)責(zé)任理解科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)和環(huán)境的關(guān)系，形成遵守道德規(guī)范、保護(hù)環(huán)境并推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展的責(zé)任感關(guān)注物理與生活的相互聯(lián)系，感受理論與實(shí)踐的關(guān)系以及物理世界的和諧統(tǒng)一【教學(xué)重點(diǎn)】計(jì)算天體質(zhì)量。突出重點(diǎn)的方法：通過構(gòu)建兩種模型來計(jì)算天體質(zhì)量?！窘虒W(xué)難點(diǎn)】環(huán)繞法與代換法兩種方法之間的聯(lián)系與區(qū)別。突破難點(diǎn)的方法：由PPT的動(dòng)畫演示，說明環(huán)繞法與替代法之間的不同?！窘谭▽W(xué)法】教法：講授法、討論法。學(xué)法：觀察法、探究學(xué)習(xí)法、合作學(xué)習(xí)法?！窘叹邔W(xué)具】多媒體課件?！菊n時(shí)安排】1課時(shí)?！窘虒W(xué)思路】本設(shè)計(jì)的基本思路是：由哈雷彗星的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并介紹預(yù)言哈雷彗星回歸的物理學(xué)史。提出問題：萬有引力定律除了可以預(yù)言未知星體之外，還可以用來稱量地球質(zhì)量嗎？學(xué)生通過回想之前的知識，得出計(jì)算天體質(zhì)量的兩種方法，由教師指導(dǎo)建立兩種模型。進(jìn)一步提問：可以計(jì)算天體密度嗎？由學(xué)生自行得出計(jì)算天體密度的方法，并由教師指導(dǎo)這兩種方法之間的區(qū)別和聯(lián)系?！窘虒W(xué)過程】環(huán)節(jié)一創(chuàng)設(shè)情境，引入課題◆教師活動(dòng)PPT展示哈雷彗星“回娘家”的場景。同學(xué)們，在古代，彗星的出現(xiàn)會(huì)被看成是一種神秘的事件，古人曾一度認(rèn)為彗星會(huì)帶來災(zāi)難。但科學(xué)家們卻不認(rèn)同這種說法，他們不斷地觀測、猜想、驗(yàn)證，如今科學(xué)家們已經(jīng)可以準(zhǔn)確地預(yù)測彗星的出現(xiàn)，并且也知道了萬有引力定律在其中起著主要的作用。這節(jié)課我們就跟隨科學(xué)家們探索的腳步，一起來研究彗星運(yùn)動(dòng)中蘊(yùn)含的物理知識吧。板書：預(yù)言未知星體計(jì)算天體質(zhì)量。環(huán)節(jié)二學(xué)史介紹◆教師活動(dòng)PPT展示哈雷彗星運(yùn)動(dòng)規(guī)律被發(fā)現(xiàn)的歷史，并提出問題：請同學(xué)們結(jié)合圖片，看看哈雷是否有沒考慮到的地方。◆學(xué)生活動(dòng)沒有考慮其他行星對彗星的引力?！镌O(shè)計(jì)意圖在學(xué)習(xí)了萬有引力定律之后，學(xué)生對一個(gè)物體受到多個(gè)物體引力的情況理解不太深刻。通過展示軌跡、提問，引導(dǎo)學(xué)生思考一個(gè)物體受到多個(gè)物體引力的情況?！艚處熁顒?dòng)萬有引力是萬物之間都存在的，其他行星和彗星之間也有引力。強(qiáng)調(diào)：一個(gè)成功的理論不僅要能夠解釋已知的事實(shí)，更重要的是能預(yù)言未知的現(xiàn)象。在預(yù)測了哈雷彗星后，人們又把目光移向了1781年發(fā)現(xiàn)的天王星。人們是怎樣應(yīng)用萬有引力定律來發(fā)現(xiàn)天王星之外的另一未知天體的？◆學(xué)生活動(dòng)討論并發(fā)表見解。人們通過望遠(yuǎn)鏡仔細(xì)觀測發(fā)現(xiàn)：天王星的軌道與由萬有引力定律計(jì)算出來的軌道之間存在明顯的偏差，所以懷疑在天王星周圍還可能存在有另外天體的影響?！艚處熁顒?dòng)同學(xué)們回答得很好，在一百多年前也有人這樣想過。（播放PPT）★設(shè)計(jì)意圖重溫海王星的發(fā)現(xiàn)過程，了解發(fā)現(xiàn)過程中科學(xué)探究的要素，培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究的能力。環(huán)節(jié)三討論交流◆教師活動(dòng)萬有引力定律在地外天體的探索上發(fā)揮了巨大的作用，那么萬有引力定律可以用來探索地球自身的秘密嗎？比如說地球的質(zhì)量？請同學(xué)們根據(jù)已學(xué)的知識設(shè)計(jì)方案來稱量地球的質(zhì)量?！魧W(xué)生活動(dòng)討論交流。學(xué)生分組活動(dòng)，設(shè)計(jì)方案求地球的質(zhì)量。環(huán)節(jié)四建立模型◆學(xué)生活動(dòng)方案一：一般情況下，對地球表面的物體忽略地球自轉(zhuǎn)的影響，有萬有引力等于重力。mg方案二：將天體運(yùn)動(dòng)近似看成勻速圓周運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)需要的向心力由萬有引力提供。結(jié)合萬有引力定律和圓周運(yùn)動(dòng)公式，以地—月系為例FF得M◆教師活動(dòng)（板書）1．代換法：mg=2．環(huán)繞法：GMm（播放PPT）同學(xué)們做得很好。第一個(gè)方案叫作代換法，第二個(gè)方案叫作環(huán)繞法。我們先來看第一個(gè)方案。大家知道誰是第一個(gè)稱量出地球質(zhì)量的人嗎？◆學(xué)生活動(dòng)卡文迪許?！艚處熁顒?dòng)對，卡文迪許用他自己的扭秤，得出了引力常量G，“稱量”了地球的質(zhì)量。接下來我們來看環(huán)繞法。地月距離在很早以前就有人測得了，那么要測出地球的質(zhì)量，需要知道月球的線速度、角速度或者周期。同學(xué)們認(rèn)為哪個(gè)在實(shí)際應(yīng)用中更方便呢？◆學(xué)生活動(dòng)互相討論，交流。★設(shè)計(jì)意圖物理不是紙上冷冰冰的數(shù)字，而是人們認(rèn)識世界的方法。通過提問拉近公式和生活之間的距離，讓學(xué)生理解物理是來源于生活的。◆教師活動(dòng)一般來說，天體運(yùn)動(dòng)的周期是很容易被觀測的，所以在實(shí)際應(yīng)用中使用周期要更加方便一點(diǎn)。根據(jù)M=◆學(xué)生活動(dòng)學(xué)生1：和月球的質(zhì)量沒有關(guān)系，可以用環(huán)繞月球做圓周運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星來求月球的質(zhì)量。學(xué)生2：可以找月球表面的物體，測出月球表面的重力加速度，利用代換法計(jì)算月球質(zhì)量。◆教師活動(dòng)追問：如果要測量太陽的質(zhì)量，又不能登上太陽的時(shí)候，該怎么辦？◆學(xué)生活動(dòng)找環(huán)繞太陽運(yùn)動(dòng)的天體，比如地球、火星等。◆教師活動(dòng)對。計(jì)算中心天體的質(zhì)量時(shí)，將環(huán)繞天體的運(yùn)動(dòng)近似看成勻速圓周運(yùn)動(dòng)，其所需的向心力都來自中心天體提供的萬有引力，然后結(jié)合向心力公式，根據(jù)已知條件，選擇適當(dāng)?shù)墓竭M(jìn)行分析和求解。另外，計(jì)算中心天體質(zhì)量時(shí)，其環(huán)繞天體不同，最后計(jì)算出太陽質(zhì)量會(huì)不同嗎？◆學(xué)生活動(dòng)不同行星環(huán)繞太陽運(yùn)動(dòng)的周期和距離都不同，但是根據(jù)開普勒第三定律：距離的三次方與周期的平方之比是一個(gè)與中心天體有關(guān)的常數(shù)r所以，選擇不同的天體不影響計(jì)算太陽質(zhì)量。★設(shè)計(jì)意圖通過回顧第1節(jié)開普勒第三定律中的k值，使學(xué)生進(jìn)一步了解開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律與萬有引力定律之間的內(nèi)在聯(lián)系。環(huán)節(jié)五課堂練習(xí)◆教師活動(dòng)已知，月球到地心的距離r=3.8×105km，地球半徑取6370km，月球繞地運(yùn)動(dòng)周期T◆學(xué)生活動(dòng)計(jì)算、交流、匯報(bào)?！镌O(shè)計(jì)意圖活學(xué)活用，體會(huì)科學(xué)定律的實(shí)際作用。環(huán)節(jié)六拓展應(yīng)用◆教師活動(dòng)既然我們求得了地球的質(zhì)量，我們可不可以求一下地球密度呢？◆學(xué)生活動(dòng)可以，用質(zhì)量除以地球的體積就可以了?！艚處熁顒?dòng)那么請同學(xué)們設(shè)計(jì)方案計(jì)算一下地球的密度?！魧W(xué)生活動(dòng)學(xué)生1：利用代換法的模型，得出V得出ρ學(xué)生2：利用環(huán)繞法的模型，得出V得出ρ◆教師活動(dòng)（板書）1．代換法：ρ=2．環(huán)繞法：ρ=（播放PPT）第一個(gè)式子中的R是什么？◆學(xué)生活動(dòng)天體的半徑。◆教師活動(dòng)第二個(gè)式子中的R、r分別是什么？能夠約掉嗎？什么