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3.万有引力理论的成就
课程:高中物理
教材:高中物理人教版必修第二册
章节:3.万有引力理论的成就
教材分析
万有引力定律的应用在高中物理中具有承上启下的重要地位,既是对万有引力定律的深化运用,又为后续天体运动学习奠定基础。该部分通过称量地球质量、计算天体质量和发现未知天体三个典型应用,系统展示了万有引力定律在解决实际问题中的强大威力。知识架构以F=Gm1m2r2为核心,通过建立重力与引力的等效关系推导出m地=g
学情分析
学生已掌握万有引力定律、牛顿第二定律及圆周运动的基本公式,具备初步的建模与公式推导能力。高中阶段学生抽象思维逐步成熟,对“称量地球”“发现海王星”等科学史实兴趣浓厚,易激发探究欲望,但对间接测量和理论预测类问题理解仍显薄弱。教学重点在于引导学生理解如何通过可观测量(如周期、半径)结合万有引力定律计算天体质量,难点在于构建天体运动的物理模型,忽略次要因素(如自转、空气阻力),并领会理论预言的科学价值,提升逻辑推理与综合分析能力。
教学目标
物理观念:
能够运用万有引力定律解释地球质量的计算方法,理解天体质量测量的基本原理。
科学思维:
会通过建立行星运动模型推导天体质量计算公式,体会理论预测在科学研究中的重要性。
科学探究:
能设计测量行星轨道参数的方法来计算天体质量,理解天文观测数据在科学研究中的作用。
科学态度与责任:
认识到万有引力定律在天文学发展中的重大意义,培养探索宇宙奥秘的科学精神。
重点难点
教学重点:
通过地球和太阳质量的计算,掌握万有引力定律在天体质量测量中的应用
通过行星运动分析,理解向心力由万有引力提供的物理模型
教学难点:
通过海王星的发现过程,理解利用轨道偏差反推未知天体的科学思维方法
通过哈雷彗星回归预言,理解周期性天体运动与万有引力定律的关联
课堂导入
同学们,你们知道吗?1846年天文学界发生了一件轰动世界的大事——科学家们用纸笔计算,在望远镜里发现了一颗从未见过的行星。当时天王星的轨道总是不听话,与计算结果有偏差。两位年轻科学家坚信这不是计算错误,而是存在一颗未知行星在捣乱。他们通过复杂的数学计算,精确预言了这颗行星的位置。当望远镜对准那个位置时,果然发现了海王星。为什么万有引力定律能如此神奇地预测未知天体的存在?
称量地球的质量
探究新知
创设情景
我们每天都能感受到重力的存在,例如拿起一本书或跳起后落回地面。地球对物体的吸引力就是重力,而这种力来源于地球与物体之间的万有引力。早在牛顿发现万有引力定律之后,科学家开始思考:能否利用这一规律“称量”地球的质量?虽然地球庞大无比,无法放在天平上测量,但通过物理原理却可以实现这一目标。
问题探讨
问题:
问题1:为什么地面上的物体会下落?这与地球和物体之间的万有引力有何关系?
问题2:若不考虑地球自转,物体所受重力和万有引力之间有什么数量关系?
问题3:在计算地球质量时,需要知道哪些物理量?它们分别代表什么?
问题4:引力常量G在计算中起什么作用?为何它必须被实验测出?
探讨:
问题1:物体下落是因为受到地球施加的引力作用。根据万有引力定律,任何两个有质量的物体之间都存在相互吸引的力,地球质量远大于物体,因此物体明显向地球运动。
问题2:忽略地球自转影响时,物体所受重力mg完全由万有引力提供,即mg=Gmm地R2。
问题3:由上式可得m地=gR2G,因此需要知道重力加速度g、地球半径R和引力常量
归纳总结
忽略地球自转时,地面上质量为m的物体所受重力等于地球对它的万有引力,即mg=
由此可解得地球质量为m地=
重力加速度g和地球半径R已知,只要测出引力常量G,即可算出地球质量。
卡文迪什通过实验测得G,实现了对地球质量的“称量”。
概念深化
问题
为什么在推导地球质量时不考虑地球自转的影响?若考虑自转,会对结果产生怎样的影响?
答案
地球自转会使物体随地球做圆周运动,所需向心力由万有引力的一个分力提供,另一分力表现为重力,因此重力略小于万有引力。忽略自转时认为重力等于万有引力,简化了计算。若考虑自转,赤道处的向心力最大,导致测得的重力偏小,从而使得计算出的地球质量偏低。但在精度要求不高的情况下,忽略自转带来的误差较小,故通常予以忽略。
新知巩固
例题1
2025年5月29日,“天问二号”探测器踏上新征程,前往小行星2016HO3开展探测任务。若“天问二号”绕小行星2016HO3做匀速圆周运动的周期为T,轨道半径为r,小行星2016HO3的半径为R,引力常量为G,则下列说法正确的是()
A.小行星2016HO3的质量为4π2R3GT2
B.小行星2016HO3表面的重力加速度为4π2r3T
解答
探测器绕小行星做匀速圆周运动,万有引力提供向心力:
G
化简得小行星质量:
m星=4π2r3G
星
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