教案(215)

RMGθmwrF向F引四队中学教案纸（备课人：李秀英学科：物理）备课时间4.24教学课题万有引力理论的成就教时计划2教学课时1教学目标（1）了解地球表面物体的万有引力两个分力的大小关系，计算地球质量；（2）行星绕恒星运动、卫星的运动的共同点：万有引力作为行星、卫星圆周运动的向心力，会用万有引力定律计算天体的质量；（3）了解万有引力定律在天文学上有重要应用。重点难点教学重点：1.地球质量的计算、太阳等中心天体质量的计算。教学难点：1.根据已有条件求中心天体的质量。教学过程（一）导入新课万有引力常量的测出的物理意义？（使万有引力定律有了其实际意义，可以求得地球的质量，万有引力常量一经测出，万有引力定律对天文学的发展起了很大的推动作用，这节课我们来讨论万有引力定律在天文学上的应用。）（二）新课教学1、地球质量（1）练习计算：《中华一题》已知：M地=m=R=求：（1）万有引力；（2）物体随地球自转的向心力；（3）比较可得什么结论？（2）了解地球表面物体的重力与地球对物体的万有引力的关系。多媒体投影图：物体m在纬度为θ的位置，万有引力指向地心，分解为两个分力：m随地球自转围绕地轴运动的向心力和重力。给出数据：地球半径R、纬度θ（取900）、地球自转周期T，计算两个分力的大小比值，引导学生得出结论：向心力远小于重力，万有引力大小近似等于重力。因此不考虑（忽略）地球自转的影响，2RMmGmg，地球质量：GgRM22、太阳质量应用万有引力可算出地球的质量，能否算出太阳的质量是多少？提问：行星做圆周运动的向心力的来源是什么？是否需要考虑九大行星之间的万有引力？总结：太阳质量远大于各个行星质量，高中阶段粗略计算，不考虑行星之间的万有引力。设中心天体太阳质量M，行星质量m，轨道半径r——也是行星与太阳的距离，行星公转角速度ω，公转周期T，则：rTmrmrMmG2222太阳质量：2324GTrM，与行星质量m无关。提问：不同行星与太阳的距离r和绕太阳公转的周期T都是各不相同的。但是不同行星的r、T计算出来的太阳质量必须是一样的！上面的公式能否保证这一点？同理，月亮围绕地球做圆周运动，根据前面的推导我们能否计算地球的质量？建立模型：通过围绕天体的运动半径和周期求中心天体的质量。多媒体投影木星行星围绕木星圆周运动，请学生思考如何测量木星的质量。3、发现未知天体阅读课本“发现未知天体”。多媒体投影海王星、冥王星图片。板书设计：6.4万有引力的成就1、地球质量M地球表面，不考虑（忽略）地球自转的影响，2RMmGmg，地球质量GgRM22、太阳质量——中心天体质量（1）太阳质量M，行星质量m，轨道半径r——行星与太阳的距离，行星公转角速度ω，公转周期T，则rTmrmrMmG2222，太阳质量2324GTrM，与行星质量m无关。（2）建立模型求中心天体质量。3、发现未知天体万有引力对研究天体运动有着重要的意义.海王星、冥王星就是这样发现的.请同学们推导：已知中心天体的质量及绕其运动的行星的运动情况，在太阳系中，行星绕太阳运动的半径r为：据F万有引力=F向=2rMmG,而F万有引力=rTm2)2(,两式联立得：3122)4(MGTr，在18世纪发现的第七个行星——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偏离.当时有人预测，肯定在其轨道外还有一颗未发现的新星.后来，亚当斯和勒维列在预言位置的附近找到了这颗新星。后来，科学家利用这一原理还发现了许多行星的卫星，由此可见，万有引力定律在天文学上的应用，有极为重要的意义。课堂练习1．若知道太阳的某一颗行星绕太阳运转的轨道半径为r，周期为T，引力常量为G，则可求得()A．该行星的质量B．太阳的质量C．该行星的平均密度D．太阳的平均密度2．有一星球的密度与地球的密度相同，但它表面处的重力加速度是地面表面处重力加速度的4倍，则该星球的质量将是地球质量的()A.B．4倍C．16倍D．64倍3．火星直径约为地球直径的一半，质量约为地球质量的十分之一，它绕太阳公转的轨道半径约为地球绕太阳公转半径的1.5倍．根据以上数据，下列说法中正确的是()A．火星表面重力加速度的数值比地球表面小B．火星公转的周期比地球的长C．火星公转的线速度比地球的大D．火星公转的向心加速度比地球的大4．若有一艘宇宙飞船在某一行星表面做匀速圆周运动，设其周期为T，引力常量为G，那么该行星的平均密度为()A.B.C.D.5．为了对火星及其周围的空间环境进行监测，我国预计于2011年10月发射第一颗火星探测器萤火一号．假设探测器在离火星表面高度分别为h1和h2的圆轨道上运动时，周期分别为T1和T2.火星可视为质量分布均匀的球体，且忽略火星的自转影响，引力常量为G.仅利用以上数据，可以计算出()A．火星的密度和火星表面的重力加速度B．火星的质量和火星对萤火一号的引力C．火星的半径和萤火一号的质量D．火星表面的重力加速度和火星对萤火一号的引力6．设地球半径为R，a为静止在地球赤道上的一个物体，b为一颗近地绕地球做匀速圆周运动的人造卫星，c为地球的一颗同步卫星，其轨道半径为r.下列说法中正确的是()A．a与c的线速度大小之比为B．a与c的线速度大小之比为C．b与c的周期之比为D．b与c的周期之比为7．2008年9月27日神舟七号宇航员翟志刚顺利完成出舱活动任务，他的第一次太空行走标志着中国航天事业全新时代的到来．神舟七号绕地球做近似匀速圆周运动，其轨道半径为r，若另有一颗卫星绕地球做匀速圆周运动的轨道半径为2r，则可以确定()A．卫星与神舟七号的加速度大小之比为1∶4B．卫星与神舟七号的线速度大小之比为1∶C．翟志刚出舱后不再受地球引力D．翟志刚出舱任务之一是取回外挂的实验样品，假如不小心实验样品脱手，则它将做自由落体运动8．一物体静置在平均密度为ρ的球形天体表面的赤道上．已知万有引力常量为G，若由于天体自转使物体对天体表面压力恰好为零，则天体自转周期为()A.B.C.D.9．如图1所示，图1a、b是两颗绕地球做匀速圆周运动的人造卫星，它们距地面的高度分别是R和2R(R为地球半径)．下列说法中正确的是()A．a、b的线速度大小之比是∶1B．a、b的周期之比是1∶2C．a、b的角速度大小之比是3∶4D．a、b的向心加速度大小之比是9∶410．英国《新科学家(NewScientist)》杂志评选出了2008年度世界8项科学之最，在XTEJ1650-500双星系统中发现的最小黑洞位列其中，若某黑洞的半径R约为45km，质量M和半径R的关系满足＝(其中c为光速，G为引力常量)，则该黑洞表面重力加速度的数量级为()A．108m/s2B．1010m/s2C．1012m/s2D．1014m/s2111.土星周围有许多大小不等的岩石颗粒，其绕土星的运动可视为圆周运动．其中有两个岩石颗粒A和B与土星中心的距离分别为rA＝8.0×104km和rB＝1.2×105km，忽略所有岩石颗粒间的相互作用．(结果可用根式表示)(1)求岩石颗粒A和B的线速度之比．(2)土星探测器上有一物体，在地球上重为10N，推算出它在距土星中心3.2×105km处受到土星的引力为0.38N．已知地球半径为6.4×103km，请估算土星质量是地球质量的多少倍？12．中子星是恒星演化过程中的一种可能结果，它的密度很大．现有一中子星，观测到它的自转周期为T＝s．问该中子星的最小密度应是多少才能维持该星体的稳定，不致因自转而瓦解？(计算时星体可视为均匀球体，万有引力常量G＝6.67×10－11m3/(kg·s2))参考答案1．B2．D[由G＝mg得M＝，ρ＝＝＝所以R＝，则＝＝4根据M＝＝＝＝64M地，所以D项正确．]3．AB[由G＝mg得g＝G，计算得火星表面的重力加速度约为地球表面的，A正确；由G＝m()2r得T＝2π，公转轨道半径大的周期长，B对；周期长的线速度小(或由v＝判断轨道半径大的线速度小)，C错；公转向心加速度a＝G，D错．]4．B[设飞船的质量为m，它做匀速圆周运动的半径为行星半径R，则G＝m()2R，所以行星的质量M＝，行星的平均密度ρ＝＝＝，B项正确．]5．A[设火星质量为M，半径为R，萤火一号的质量为m，则有G＝m2(R＋h1)①G＝m2(R＋h2)②联立①②两式可求得M、R，由此可进一步求火星密度，由于mg＝，则g＝，显然火星表面的重力加速度也可求出，正确答案为A.]6．D[物体a与同步卫星c角速度相等，由v＝rω可得，二者线速度之比为，选项A、B均错误；而b、c均为卫星，由T＝2π可得，二者周期之比为，选项C错误，D正确．]7．AB[根据a＝，可知a1∶a2＝1∶4，故A正确；根据v＝，可知v1∶v2＝1∶，故B正确；根据万有引力定律，翟志刚不论是在舱里还是在舱外，都受地球引力的作用，故C错；样品脱手时具有和人同样的初速度，并不会做自由落体运动，故D错．]8．D[物体随天体一起自转，当万有引力全部提供向心力使之转动时，物体对天体的压力恰好为零，则G＝mR，又ρ＝，所以T＝，D正确．]9．CD[根据G＝m得v＝，＝＝.根据＝mr，得T＝，＝＝＝＝3∶4.根据an＝＝，得＝()2＝.]10．C[可认为黑洞表面物体的重力等于万有引力，即mg＝，即g＝，将＝代入上式得g＝＝m/s2＝1×1012m/s2.]11．(1)(2)95解析(1)万有引力提供岩石颗粒做圆周运动的向心力，所以有G＝mv2/r.故v＝所以＝＝＝.(2)设物体在地球上重为G地，在土星上重为G土，则由万有引力定律知：G地＝G，G土＝G又F万＝G，故G土R＝F万r2所以＝＝＝＝95.12．1.27×1014kg/m3解析考虑中子星赤道处一小块物体，只有当它受到的万有引力大于或等于它随星体一起旋转所需的向心力时，中子星才不会瓦解．设中子星的密度为ρ，质量为M，半径为R，自转角速度为ω，位于赤道处的小块物体质量为m，则有＝mω2R，ω＝，M＝πR3ρ由以上各式得ρ＝代入数据解得ρ＝1.27×1014kg/m3点评因中子星自转的角速度处处相同，据G＝mω2R知，只要赤道上的物体不做离心运动，其他位置上的物体就会处于稳定状态，中子星就不会瓦解．课外作业问题与练习1，2，3教学反思本节要向学生澄清的一个问题是：天王星是太阳向外的第七颗行星，亮度是肉眼可见的，但由于较为黯淡而不易被观测者发现。威廉·赫歇耳爵士在1781年3月13日宣布他的发现，这也是第一颗使用望远镜望远镜望远镜望远镜发现的行星。由于天王星的运动有某些不规则性，使得人们怀疑，在天王星之外还有一颗未知行星，英国的亚斯和法国的勒维列计算了这颗新星即将出现的时间和地点，德国科学家伽勒观测到了它，从而导致了海王星的发现。