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学生活动

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意图

引

入

新

课

1、播放2011年诺贝尔物理学奖的新闻视频，简介科学家和成就。以“为什么历史上有科学家主张宇宙会收缩”为切入点，引出万有引力理论的成就。

2、简要介绍天文观测方法，介绍伽利略的天文望远镜，哈勃太空望远镜和射电天文望远镜已取得的成就。

——天文望远镜可以观测到天体的大小和远近，运行的周期，甚至观测到天体表面的物质组成，但是要知道一个天体的质量为多大，需要借助于其他的方法。

观看视频，集中注意力，调整学习状态。

积极参与“为什么历史上有科学家提出宇宙会收缩”的讨论。

观看图片，根据老师的介绍，体会天文学研究的方法。

创设情境，激发学习兴趣。

新

课

教

学

一、计算天体的质量

提出问题：

怎样测量一个物体的质量？你能说出几种方法吗？

对学生提出的几种方法进行归类，发现要测量一个物体的质量，可以直接测量，也可以间接测量。

思考与讨论：

对于像地球这样质量较大，体积较大的天体，它的质量是多少呢？可以用什么方法测定？

提示：如果不考虑地球自转的影响，地面上质量为m的物体所受的重力mg等于地球对它的引力。

学生计算完毕后，投影学生计算结果，进行分析小结：

①简介卡文迪许实验；

②在卡文迪许测出了引力常量之后，可以具体计算出地球的质量来，因此，卡文迪许将自己的实验称之为“称量地球质量”的实验。

思考：①利用上述的方法测量地球的质量，精确吗？这个方法有什么不足？

②为什么可以不考虑地球自转的影响？

若以地球为参考系，地面上的物体受到引力的作用。倘若我们在天空观察地球和物体的运动的话，物体和地球一起转动，需要一个向心力，这个向心力是由万有引力提供的，只不过这个向心力太小，以至于可以忽略不计，故而我们不考虑地球自转的影响。

提出问题：刚刚我们用了如此精妙的方法，称出了地球的质量。太阳的质量更大，怎样测量太阳的质量呢？用刚才的办法可以吗？

追问：那可以怎么测量呢？我特别想知道太阳的质量。

提示：别忘了我们对太阳系中的行星，可是有大量的天文观测数据可以利用的。

若某行星的质量为m，绕太阳运行的轨迹近似与圆周，轨道半径为r，公转周期为T。

（帮助学生构建物理模型）

在行星运动模型中，将太阳可以看成中心天体，行星看成环绕天体。环绕天体绕中心天体做匀速圆周运动，中心天体对环绕天体的万有引力提供向心力。

举出几个中心天体和环绕天体的例子。

要求学生利用这一模型推导出计算太阳质量的表达式。教师总结评估。

练习：月亮绕地球转动的周期为T，轨道半径为r，地球半径为R，引力常量为G，试写出地球密度的表达式．

小结：应用万有引力定律计算天体质量的两种思路：①知道中心天体的半径和表面的重力加速度，利用重力和万有引力相等计算。

②知道环绕天体运动的情况和轨道半径，利用万有引力提供向心力计算。

——特别地，这两种方法只能计算中心天体的质量。

二、发现未知天体

一个成功的理论不仅要解释已知的事实，更重要的是要能语言未知的现象。

十八世纪末，人么发现天王星的轨道与由万有引力定律计算出来的轨道存在较大的偏差。是什么原因呢？科学家提出了一系列的猜想。

（用ppt提供当时的各种猜想）

A、以前的天文观测数据不准确；

B、天王星内侧的土星和木星对它的吸引而产生的；

C、天王星外侧的一颗未知行星的吸引造成；

D、由于某颗彗星的撞击而产生的；

E、天王星的一颗质量很大的卫星对它的吸引造成的；

F、牛顿的万有引力定律也许是错误的。

G、……

科学家经过考证，问题最后集中在要么有一颗未知的行星影响了天王星的运行，要么是牛顿的万有引力定律不正确。

究竟谁是谁非呢？请同学们阅读教材p42-43页，寻找答案。

①补充相关的科学史知识，尤其是亚当斯受到的“不公正待遇”和历史的公正裁决。

②海王星的发现有什么样的历史意义？

③海王星的真正发现者是谁？

三、成功预言哈雷彗星的回归

（用ppt介绍哈雷彗星的相关资料）

    介绍哈雷彗星的发现，命名。展示哈雷彗星1986年回归时拍摄下得照片。并且告诉学生下次回归地球是2061年。

四、我国天文观测技术的发展

（用ppt简要介绍我国天文观测技术的发展）

1、我国有着悠久的天文观测历史，最早建造出了浑仪等天文观测工具。

2、中国科学院紫金山天文台，始建于1934年，是我国最著名的天文台之一。紫金山天文台的建成标志着我国现代天文学研究的开始。迄今已经发现了几十颗小行星，为我国的天文学发展做出了突出的贡献，被誉为“中国现代天文学的摇篮”。

3、中国科学院国家天文台，由原北京天文台、云南天文台、乌鲁木齐天文观测站、长春人造卫星观测站等台站及南京天文光学技术研究所和国家授时中心（原陕西天文台）于2001年合并而成，在太阳物理方面颇有建树。 

4、2008年，中国建成世界上口径最大的光谱巡天望远镜（LAMOST），坐落在国家天文台兴隆观测站。

5、我国将发射首个太空望远镜，在性能和观测技术上可以和哈勃望远镜相媲美。

说出几种测量物体质量的方法：①用天平；②用台秤；③测出密度和体积，计算出质量；④用实验的方法，比如测出物体受到的力和加速度，用牛顿第二定律计算出物体的质量……

思考和讨论。在教师给出提示之后，写出测量过程，相互交流展示结果。

由提示可知：

其中，M是地球的质量，R是地球的半径，也就是物体到地心的距离。由此解得：

体会卡文迪许将自己测得引力常量的实验称之为“称量地球质量”的原因。

思考，讨论，做答。

①不精确，因为在计算时忽略了地球自转的影响。

②学生发表自己的见解。

学生活跃起来，普通认为用上面的方法不能实现。

学生讨论，给出自己的说法。

体会物理模型及其重要性。

利用万有引力定律和向心力表达式列方程、计算：

得：

学生进行分析计算：

利用万有引力定律和向心力表达式列方程、计算：

得：

又地球的体积为：

得：

学生了解天王星“出轨”的事实和科学家的众多猜想。

学生阅读教材内容。

学生之间进行讨论，交流。

认识到：海王星的发现时科学史上的奇迹。有人称其为数学家的行星，因为它是人们通过计算发现的。通过万有引力定律成功地预测未知的星体，这不仅巩固了万有引力定律的地位，也充分展示了科学理论的预见性。

引起观赏下一次哈雷彗星回归的心理期待。

观看图片和ppt上的文字介绍。

引发思考，激发探究积极性。

通过实例，学会运用万有引力定律计算天体的质量；明确计算天体质量的方法和思路。

通过“发现未知天体”，“成功预测彗星的回归”等内容的学习，了解万有引力定律在天文学上的重要应用。

通过对我国天文观测技术的发展的简介，激发学生学习的兴趣，培养对科学的热爱。

课

堂

小

结

今天我们从计算天体的质量、发现未知天体等几个侧面，学习了万有引力理论的成就。可以说，牛顿万有引力理论的发现，天文观测手段的改进，极大地促进了天文学的发展，扩展了人类的视野。也为我们今天的天文学发展奠定了坚实的基础。让我们不由得感叹，“科学真是迷人”，难怪有人说，物理学是一项激动人心的智力探险。

梳理学过的新知识与方法。

感受“科学真是迷人”这句话的意味。