《太陽與行星間的引力》
● 關于探究太陽對行星引力大小環節的教學建議
教師先讓學生猜一猜這個引力大小跟什么有關?不說根據。
學生能猜出距離、二者質量,但很可能也會說出行星周期、線速度、角速度等。教師不做點評,只說我們需要用理論驗證。(學生可能知道萬有引力,但知道萬有引力大小與什么有關的應該很少,因此此處的猜測有意義)
教師提問:請用我們學過的知識提供一種驗證思路:
讓學生討論出:由運動情況(通過運動學公式)→加速度(通過牛頓第二定律)→受力情況
。ㄒ陨峡梢酝队俺觯
教師介紹:在牛頓所處時代,行星的運動情況觀測資料已經相當豐富,因此得出行星受到的引力的表達式是可能的,但是運動軌跡橢圓難倒了胡克、哈雷等,也使牛頓困惑了許多年,直到他用自己發明的微積分解決了問題(歷史上是否如此呢?缺乏考證)。我們不會微積分,因此我們研究不了橢圓,但是多數行星的軌道十分接近圓,因此我們現在就通過圓軌道用剛才的思路導出太陽對行星引力的表達式,驗證我們的猜測,同時再現牛頓當時的思維過程。
教師提問:行星軌道按圓處理,開普勒定律怎樣表述?
(投影出答案)
提問:若已知某行星勻速圓周運動軌道半徑為r,線速度為v,質量為m行,則它需要的向心力多大?
f需向=m行
引導:天文觀測能直接得到行星的線速度嗎?能直接觀測出什么?怎樣變化剛才的公式?
將代入得f需向=
引導:這是行星需要的向心力,我們要求的是太陽對行星的引力,這兩個力有關系嗎?
f太陽對行星=f需向=
引導:從上一章我們就知道,需要的向心力和提供的力是不一定相等的,否則也就不會有離心運動、向心運動了,因此太陽對行星的引力大小應該與行星的周期是無關的,僅與兩個星球本身情況有關,即以上得到的僅是太陽對行星的引力計算式,而不是決定式(正象密度的計算式一樣),(或舉例:光滑水平面上用輕彈簧拴住一個質量為m的小球做勻速圓周運動,軌道半徑為r,周期為t,則,這只是用周期t來計算拉力f,因為恰好需要的向心力等于拉力,但實際上拉力f僅由勁度系數k和伸長量x有關,跟作圓周運動的物體的運動學量無關。)為找到引力的決定式,我們必須將周期t去掉?怎么辦呢?
引導:由開普勒第三定律得,代入得f太陽對行星=
再共同分析出公式中除了m行、r2以外,其余都是常量,對任何行星都相同,這才是只跟距離以及天體本身有關的表達式,即太陽對行星引力的決定式。
總結上式的物理意義,并給出簡化式:f太陽對行星
。ǹ蓪⒁陨详P鍵步驟列出投影出示)
● 關于探究行星對太陽引力大小環節的建議:
教師提出問題:剛才我們猜測到太陽對行星的引力應該與雙方的質量均有關,直覺告訴我們這個猜測是正確的,可是我們得出的結論好像只與行星質量有關,難道我們猜測錯了嗎?你認為如何?
引導學生觀察等式f太陽對行星=討論出結論:公式中的常數k是開普勒第三定律中的常數,此常數是一個與行星無關而與太陽有關的量(一般在講第一節內容時都要補充說明這個結論),與太陽的什么有關,最可能就是質量,因此說太陽對行星的引力與雙方的質量均有關。