64万有引力定律在天文学上的应用Ⅰ.doc

6.4 万有引力定律在天文学上的应用(Ⅰ)
一．教学目标：
1． 了解万有引力定律在天文学上的重要应用。
2． 会用万有引力定律计算天体的质量。
3． 掌握综合运用万有引力定律和圆周运动学知识分析具体问题的基本方法。
二．教学重点：万有引力定律和圆周运动知识在天体运动中的应用
三．教学难点：天体运动向心力来源的理解和分析
四．教学方法：启发引导式
五．教学过程：
〖引入新课〗
天体之间的作用力主要是万有引力，万有引力定律的发现对天文学的发展起到了巨大的推动作用，这节课我们要来学习万有引力在天文学上有哪些重要应用。
〖新课教学〗
㈠天体质量的计算
提出问题引导学生思考：在天文学上，天体的质量无法直接测量，能否利用万有引力定律和前面学过的知识找到计算天体质量的方法呢？
1．基本思路：在研究天体的运动问题中，我们近似地把一个天体绕另一个天体的运动看作匀速圆周运动，万有引力提供天体作圆周运动的向心力。
2．计算表达式：
例如：已知某一行星到太阳的距离为r，公转周期为T，太阳质量为多少？
分析：设太阳质量为M，行星质量为m，由万有引力提供行星公转的向心力得：
， ∴
提出问题引导学生思考：如何计算地球的质量？
分析：应选定一颗绕地球转动的卫星，测定卫星的轨道半径和周期，利用上式求出地球质量。因此上式是用测定环绕天体的轨道半径和周期方法测被环绕天体的质量，不能测定环绕天体自身质量。
㈡发现未知天体
用万有引力定律计算天体的质量是天文学上的重要应用之一，一个科学的理论，不但要能说明已知事实，而且要能预言当时不知道的事实，请同学们阅读课本并思考：科学家是如何根据万有引力定律发现海王星的？
海王星和冥王星的发现，显示了万有引力定律对研究天体运动的重要意义，同时证明了万有引力定律的正确性。
〖例题分析〗
例1．木星的一个卫星运行一周需要时间1.5×104s，其轨道半径为9.2×107m，求木星的质量为多少千克？
解：木星对卫星的万有引力提供卫星公转的向心力：
，

例2．地球绕太阳公转，轨道半径为R，周期为T。月球绕地球运行轨道半径为r，周期为t，则太阳与地球质量之比为多少？
解：⑴地球绕太阳公转，太阳对地球的引力提供向心力
则， 得：
⑵月球绕地球公转，地球对月球的引力提供向心力
则 得：
⑶太阳与地球的质量之比
例3．一探空箭进入绕太阳的近乎圆形的轨道运行，轨道半径是地球绕太阳公转半径的9倍，则探空火箭使太阳公转周期为多少年？
解：方法一：设火箭质量为m1，轨道半径R，太阳质量为M，地球质量为m2，轨道半径为r。
⑴火箭绕太阳公转， 则
得：………………①
⑵地球绕太阳公转，
则
得：………………②
∴ ∴火箭的公转周期为27年。
方法二：要题可直接采用开普勒第三定律求解，更为方便。
〖课堂小结〗
在天体运动中，万有引力提供做匀速圆周运动所需向心力，这是处理天体运动问题的关键。