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2019-2020年高中物理 7.2万有引力定律在天文学上的应用教学案 新人教版必修2
学习目标:
1．了解引力常量的测定。
2．能应用万有引力定律计算天体质量。
3．了解万有引力定律在未知天体发现中的重要作用。
学习重点：应用万有引力定律计算天体质量。
学习难点: 应用万有引力定律计算天体质量。
主要内容:
一、引力常量的测定
1．实验装置：卡文迪许扭秤(见图)
其主要由：__________________________________等部件组成。
2．实验原理：

3．实验结果：

二、应用万有引力定律计算天体的质量
1．基本思路：据行星(或卫星)运动的情况，求出行星(或卫星)的向心加速摩，向心力是由万有引力提供的，这样，列出方程即可求得中心天体(太阳或行星)的质量。

2．一般方程：

【例一】已知万有引力恒量G，要估算地球的质量，还必须知道某些数据，现在给出的下列各组数据中，可以计算出地球的质量的数据组是( )
(A)地球绕太阳运行的周期T和地球离太阳中心的距离R
(B)月球绕地球运行的周期T和月球离地球中心的距离R
(C)人造地球卫星在地面附近的速度v和运动周期
(D)地球半径R和同步卫星离地面的高度h
【例二】月球和地球中心的距离是3．84×108米，月球绕地球运行周期是2．3×106秒。求地球的质量。

【例三】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，万有引力恒量为G，则根据以上数据可求出的物理量有
(A) 土星线速度的大小 (B) 卫星向心加速度的大小
(C) 土星的质量 (D) 太阳的质量
【例四】两颗行星都绕太阳做匀速圆周运动，它们的质量之比m1：m2=p，轨道半
径之比r1：r2=q，则它们的公转周期之比T1：T2= ，它们受到太阳的引力之比F1：F2=

三、应用万有引力定律发现未知天体
海王星、冥王星的发现：在18世纪，人们己经知道人阳系有7个行星，其中1781年发现的第七个行星一天王星的运动轨道，总是同根据万有引力定律计算出来的有一定的偏离。当时有人推测，在天下星轨道外面还有一个未发现的行星，它对天王星的作用引起了上述偏离。英国剑桥大学的学生亚当斯和法国年轻的天文爱好者勒维列根据天王星的观测资料，各自独立地利用万有引力定律计算出这颗新行星的轨道。1846年9月23日晚，德国的加勒在勒维列预言的位置附近发现了这颗新行星。后来，天文学家把这个行星叫做海王星。太阳系的第9个行星——冥王星是用同样的方法，于1 930年3月1 4日被人们发现的。
课堂训练：
1．讨论人造卫星所受的向心力与轨道半径的关系，下列说泫中正确的是()
(彳)由户G竺孥可知，向心力与户成反比 ，
(B)由F=聊二可知，向心力与，．成反比
(C)由F=聊∞。，可知，向心力与r成正比
(J9)由F=聊伽町知，向心力与r尤关
2．地球表面的重力加速度为9．8米／秒2，地球半径取6．37×106米，试求地球质量。
3．两个人造地球卫星A、B的质量相同，若其绕地球运动的轨道半径之比为rA：rB=3：2，则它们所需向心力之比FA：FB为：
(爿)由公式F=mv。／r可知，FA：B：2：3； (剀由公式F-m叫。，．可知，凡：凡=3：2：
(C)由公式F=GMm／r。可知，一：凡：4：9； (D)以上说泫都不对。
4．已知一颗人造卫星在某行星表面上空绕行星做匀速圆周运动，经过时间t，卫星的行程为s，
]一，A--，一z向中心连线扫过的角度是1弧度，那么卫星的环绕周期p——，该行星的质
量M=——。
课后作业： ．
1． ’艘宇宙飞船在。个星球表面附近作圆形轨道环绕飞行，宇航员要估测该星球的密度，只
需要：
口)测定飞船的环绕半径 (曰)测定行星的质量
(C)测定飞船的环绕周期 (D)~JJ定飞船的环绕速度。
2．由于地球的自转，则 ．
臼)地球上所有物体都具有向心加速度 (曰)地球上的向心加速度随高度增加而减小；
(0地球表面的向心加速度随纬度增加而减小；
(D)地球上物体的向心加速度的方向都指向地心．
3． 一般宇宙飞船在一个不知名的行星表面上空作圆形轨道运行，要测定行星的密度，只需要：
(彳)测定飞船的环绕半径： i6)测定行星占§质量：
(c)测定飞船的环绕速度； (J[))测定飞船环绕的周期。
4．两颗质量分别为Ⅲ1和m2靠得较近的天体(m1=3m2)‘邑们绕两者连线上某点O各自做半
径为一和r2的均速圆周运动(3rl=咆)，这种天体称为双星，如图所示，使双星不致由十引力
作用而吸引在一起，蚍0二星的角速度之比彩】：69 2= ，二星--
的{枣；毒陲F专卜p¨·…一 ’—一E罩f气^出1 I、、书n：肃F薛b I．『，． ． 一
’。。讪赳：L丘L。u”i‘ ¨——，一±匕u Jj。1’u‘川“越：从—，-LLJ“I‘“2一——
5．地球绕太阳公转轨道半径为h公转周期为五．月球绕地球公转轨
道半径为h公转周期为兀．则太阳和地球的质量之比M：卅为 ．
6．地球的半释足尺，密度是p，地球表面的重力加速度足譬．试由以上
1=三个量表示万有引力恒量G．
7．太阳对木星的引力是4．17X 10。。牛，它们之问的距离是7．8×10’’千米，LJ-rl五／,-口木星质量约为
2×10。’千克，求太阳的质量． ’
8．对某行星的‘颗．p星进行观测，已知运行的轨迹足半径为，．的圆周，周期为r求：(1)该--
彳j生I---1规亘； (2)测得行星的半径为卫星轨道半径的1／10，则此行星表面重力加速度为多大?
q 两里雨人{告-1]罩I莆帚‘_=卜呈11柏。．和。．、 ；云符的斜}；菌半z孓rail‰D壬n D栽：
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(1) 它们所受向心力之比；(2)运行的周期之比．
10．某一行星上一昼夜为T=6小时。若弹簧秤在其赤道上比在两极处读数小了行星的平均密度P．万有引力恒量G=6．67X 10刊牛·米。／-T~／。，
1l．宇航员站在一星球表面上的某高处，沿水平方向抛出-个小球，经过时间t，小球落到星球表面，测得抛出点与落地点之间的距离为L。若抛出时的初速增大到2倍，则抛出点与落地点之间的距离为√3L。已知两落地点在同一水下面上，该星球的半径为R，万有引力常数为G。求该星球的质量M。
阅读材料：发现了最遥远天体——类星射电源
天文学家们宣布发现了一个类星射电源，据信它是宇宙中最遥远的已知天体。这一发现进一步加剧目前关于宇宙起源理论的混乱。
这个类星射电源位于北斗七星下的大熊星座。据信它距离地球140亿光年。这意味着，虽然这个类星射电源早就烧尽了，可是现在人们见到的还是它在140亿年前的情况。它是在天文学家、著名类星射电源专家马尔坦·施米特设计的巡天普查中发现的，这次普查用的是加利福尼亚理工学院帕洛马天文台的海耳望远镜和詹姆斯-冈恩设计的叫做四射手的高灵敏度摄影机。天文学家们说，这个类星射电源定名为PC115 8--4635，它比以前发现的一个类星射电源的年龄要略大些。它的发现进一步打乱了目前关于星系演化的理论。
施米特说：“我们认为，如果我们能了解这个类星射电源截止的确切形状，我们就可以了解有关在宇宙初期第一批星系形成的一些重要情况。”类星射电源一一类星体是宇宙中最光亮的天体。虽然一个明亮的类星射电源只有我们自己的大阳系那么大，可是它发出的光亮度超出1000个各有1千亿颗恒星的星系的光亮度。
据认为类星射电源是由于在星系中心物质坍缩成黑洞而发的光。新发现的这个类星射电源发的光减弱到原来的40万分之一，太昏暗了，无法用肉眼看见，但是用有4个光敏探测器的专用摄影机能观测到。
施米特说，这一发现将类星射电源时代的起始时间往前推到了至少140亿年前。由于星系对类星射电源是必不可少的，那意味着星系可能早在宇宙开创后1 0亿年就已形成了，他说：“如果我们从130亿年前开创宇宙这个时间表开始，我们从邻近的类星射电源得知，它们是在星系中，这清楚表明，在大爆炸后10亿年多一点，就有星系了。”
按照大爆炸理论，宇宙是在1OO一2 OO亿年前由一小块超密度物质爆炸开创的，自那以来一直在膨胀扩大．普林斯顿大学天体物理系主任杰里迈亚·奥撕特里克说，类星射电源的发现及其影响是“今日宇宙学最令人感兴趣的事”。
剑桥大学天文研究所所长马丁里斯同意上述意见。他说：“宇宙在1 0亿年时所发生的情况，是宇宙学中尚未解决的最重要的问题。”
美国科学院普查委员会主席约翰·巴考尔说这个发现是“惊人的、出乎意外的，具有很重要的意义”。

2019-2020年高中物理 7.2分子的热运动教案 新人教版选修3-3
一、教材分析
《分子的热运动》是人教版高中物理选修3–3《热学》第七章《分子动理论》的第二节的教学内容，分子动理论是物质的微观结构学说，是宏观与微观本质间联系的纽带，是热学的基础。“分子的热运动”是构成分子动理论的重要组成部分。因此，本节课在本章中起着十分重要的作用，同时它也是高中阶段物理教学中非重点知识中的重点。布朗运动是分子热运动的实验基础，对分子热运动的认识，是建立在对布朗运动正确理解的基础上的，因此，知道布朗运动产生的原因，知道布朗运动的无规则性反映了液体分子的无规则性，是学好本节课的基础。
二、教学目标
1．知识目标：
（1）知道什么是布朗运动，观察其特点，分析其产生原因。
（2）学习用统计的观点分析问题，知道布朗运动是分子无规则运动的反映，对宏观现象作微观解释。
（3）知道大量分子无规则运动的激烈程度与温度有关，温度越高，分子的无规则运动越激烈。
2．能力目标：
通过演示实验，说明一切物质的分子都在不停地做无规则的运动，使学生知道，物体温度越高，分子热运动越剧烈，培养学生通过物理现象归纳规律的能力。
3．情感、态度和价值观目标：
（1）激发学生的学习兴趣和对科学的求知欲望，使学生乐于探索微观世界和日常生活中的物理学原理。
（2）用实验和多媒体教学素材激发学生对大千世界的兴趣。使学生了解，可以通过直接感知的现象，认识无法直接感知的事实。
（3）培养学生发现问题、提出问题和解决问题的能力。
三、教学重点、难点
重点：分子热运动。
难点：从宏观出发通过直接感知的现象，推测无法感知的事实；
用分子热运动观点解释有关现象。
四、学情分析
学生已有了日常生活中的常识，在初中已学过扩散现象等，对分子运动有初步认识，又具备了高一力学的基础知识、物理学研究问题的一些方法及分析推理问题的能力。在此基础上，再结合学生的心理特点及物理学科的特点，使学生通过扩散现象、感兴趣的布朗运动实验加深认识，引起思考，并利用已有的科学分析的方法，最终能很好地分析布朗运动产生原因，并理解布朗运动的无规则性反映了液体分子的无规则性。
五、教学方法
1．实验法：多媒体展示演示实验。
2．学案导学：见后面的学案。
3．设计理念：按照探究性学习方式所阐述的“有规律性更有艺术性” 为目的，充分利用多媒体辅助教学及实验演示，使学生置身于探索问题的情境之中，通过动眼看、动口议、动手做、动笔写、动耳听等，激活学生内在的潜力
4．教学的基本环节：提出问题→进行猜想→实验探究→分析归纳→得出结论
六、课前准备
1．学生的学习准备：预习学案与课本中的图片。
2．教师的教学准备：多媒体课件制作，实验器材的准备。
七、课时安排：1课时
八、教学过程
（一）观察实验   整体感知
1．（课件投影）观察演示实验（把盛有二氧化氮的玻璃瓶与另一个玻璃瓶竖直方向对口相接触，看到二氧化氮气体从下面的瓶内逐渐扩展到上面瓶内。）这是什么物理现象？这现象说明什么问题？
（设计意图：用实验引入激发学生学习新知识的欲望，将学生注意力集中起来。）
2．（课件投影）请观察课件演示的扩散过程。
（设计意图：用计算机演示扩散过程，可以把抽象的问题具体化，使学生理解起来更容易说明分子做无规则热运动）
3．（课件投影）请完成实验（在两个烧杯中分别装有冷水和热水，滴入1-2滴红墨水后，红墨水在水中逐渐扩展开来。），然后回答：扩散现象的剧烈程度与温度有关吗？举例说明。
（设计意图：在学生亲自实验基础上，来解决自己的问题，同学间可以合作讨论，彼此交流，自己得出结论加深理解，巩固记忆，并培养科学探索精神。）
4．（课件投影）请观察布朗运动。
（设计意图：布朗运动是分子无规则运动的实验基础，对分子热运动的认识，是建立在对布朗运动的正确理解的基础上。介绍并演示实验起着十分重要的作用，不但能使学生知道什么是布朗运动，还能使学生发现布朗运动的特点，为布朗运动产生原因的分析奠定了实验基础。）
（简要实录：在载物玻璃上的凹槽内用滴管滴入几滴有小炭粒的水滴，将盖玻片盖上，放在显微镜载物台上，然后通过显微镜观察，在视场中看到大大小小的许多颗粒，仔细观察其中某一个很小的颗粒，会发现在不停地活动，很像是水中的小鱼虫的运动。将一台显微镜放在讲台上，用显微摄像头拍摄布朗运动，经过电脑在大屏幕上显示投影成像，让全体学生观察，然后教师指着一个颗粒在屏幕上的位置，以此点为参考点，让学生观察这颗微粒在以后的一段时间内相对参考点的运动情况，并用计算机课件（动画）演示小炭粒运动情况。实验进行的很顺利，学生十分注意观察,许多学生看出小炭粒运动的无规则性，从而师生一起总结出布朗运动的概念。）
（二）分析原因  认识本质
（课件投影）阅读课本中有关布朗运动的叙述，了解布朗运动的特点。
（设计意图：通过阅读加深理解布朗运动。）
（投影）：
1、固体微粒的运动是极不规则的。如图画的几个布朗颗粒运动的路线，这不是布朗微粒运动的轨迹，它只是每隔30秒观察到的该颗粒位置的一些连线，实际上在这短短的30秒内微粒运动也极不规则，绝不是直线运动。
2、布朗运动是永不停息的。因为连续观察布朗运动，发现在多天甚至几个月时间内，只要液体不干涸，这种运动就永不停息。
3、任何固体微粒悬浮在液体中，在任何温度下都会做布朗运动。若悬浮的颗粒越小，布朗运动越明显；颗粒越大，布朗运动越不明显，甚至观察不到。布朗运动随着温度的升高而愈加激烈。）
（课件投影）悬浮颗粒无规则运动的原因是什么？是由外界因素影响产生的，还是液体内部原因？
（设计意图：此问题是解决问题的根本。学生只有认识到不是外界因素的影响，才能推理到内部分子作用的结果。）
（课件投影）请观察演示课件演示的动画：悬浮在液体中的微小颗粒，当它足够小时，受到来自各个方向的液体分子的撞击作用是不平衡的。在某一瞬间，在某个方向受到撞击作用强，它就沿着这个方向运动。在下一瞬间，微小颗粒在另一方向受到的撞击作用强，它又向着另一个方向运动。
（设计意图：课件的展示使抽象的事物变成可以感知的事物，起到降低台阶、化抽象为具体、变难为易的作用。同时从对悬浮颗粒无规则运动的原因分析，使学生初步接触到用概率统计的观点分析大量偶然事件的必然结果。）
（三）课堂小结
（四）及时反馈 巩固提高
1、布朗运动是说明分子运动的重要事实，则布朗运动是指（ ）
A、液体分子的运动
B、悬浮在液体中的固体分子的运动
C、固体微粒的运动
D、液体分子与固体分子的共同运动              
2、关于布朗运动剧烈程度，下面说法不正确的是（    ）
A、固体微粒越小，布朗运动越显著
B、液体温度越高，布朗运动越显著
C、与固体微粒碰撞的液体分子数目越多，布朗运动越显著
D、与固体微粒碰撞的液体分子数目越少，布朗运动越显著
3、下列说法正确的是（ ）
A、温度越高，物体的运动越剧烈
B、温度越高，物体内大量分子的无规则运动越剧烈
C、温度升高，物体内每个分子的运动速度都增大
D、温度降低，对于物体内的某个分子而言，其运动速度可能增大
（四）发导学案、布置预习
九、板书设计
分子热运动
1、扩散现象：不同的物质接触时，互相进入对方的现象。
2、扩散现象说明：一切物质的分子都在不停地做无规则运动。
3、由于分子的运动跟温度有关，所以这种无规则运动叫分子的热运动。温度越高，热运动越剧烈。
十、教学反思
子运动比较抽象，本节课通过实验的引入激发了学生学习的兴趣，并通过类比的方法，让学生理解分子运动的特点、掌握分子动理论的内容。由于本节课通过大量的实验和例题，使学生对分子运动有了很深刻的认识，为后面研究物体内能及其有关知识做好铺垫。整个教学活动重点突出学生为主体，同时培养学生分析和解决问题的能力，掌握物理学中研究问题的方法。