“發(fā)現(xiàn)未知天體”的教學(xué)設(shè)計(jì)

孫發(fā)聰

【摘要】? 本文主要通過(guò)對(duì)實(shí)際物理問(wèn)題的簡(jiǎn)易模型化處理，幫助學(xué)生突破教材的難點(diǎn) ，筆尖下發(fā)現(xiàn)的行星究竟是如何發(fā)現(xiàn)的。

【關(guān)鍵詞】? 物理模型 建立 處理

【中圖分類號(hào)】? G633.7? ?? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】? A ? ? 【文章編號(hào)】? 1992-7711（2020）07-103-01

到了18世紀(jì)，人們已經(jīng)知道太陽(yáng)系有7顆行星，其中1781年發(fā)現(xiàn)的第七個(gè)行星──天王星的運(yùn)動(dòng)軌道有些“古怪”：根據(jù)萬(wàn)有引力定律計(jì)算出來(lái)的軌道與實(shí)際觀測(cè)的結(jié)果總有一些偏差。有人據(jù)此認(rèn)為萬(wàn)有引力定律的準(zhǔn)確性有問(wèn)題。但另一些人則推測(cè)，在天王星軌道外面還有一顆未發(fā)現(xiàn)的行星，它對(duì)天王星的吸引使其軌道產(chǎn)生了偏離。到底誰(shuí)是誰(shuí)非呢？

英國(guó)劍橋大學(xué)的學(xué)生亞當(dāng)斯和法國(guó)年輕的天文愛(ài)好者勒維耶相信未知行星的存在。他們根據(jù)天王星的觀測(cè)資料，各自獨(dú)立地利用萬(wàn)有引力定律計(jì)算出這顆“新”行星的軌道。1846年9月23日晚，德國(guó)的伽勒在勒維耶預(yù)言的位置附近發(fā)現(xiàn)了這顆行星，人們稱其為“筆尖下發(fā)現(xiàn)的行星”。后來(lái)，這顆行星命名為海王星。

問(wèn)題一：已知太陽(yáng)的質(zhì)量為M=1.99×1030kg，天王星繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的周期為3.07×104天，G=6.67×10-11N.m2/kg2，問(wèn)，天王星繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的軌道半徑r為多少？

實(shí)際觀測(cè)的結(jié)果是天王星的軌道半徑明顯比理論值偏大，而且最大偏差值會(huì)周期性出現(xiàn)。

問(wèn)題二：亞當(dāng)斯和勒維耶是如何計(jì)算出這顆新行星的軌道的呢？

練一練

如圖所示，質(zhì)量分別為m1、m2的星體繞同一中心天體0做圓周運(yùn)動(dòng)，已知中心天體的質(zhì)量為M，兩星體的繞轉(zhuǎn)周期分別為T1、T2，某時(shí)刻兩星體相距最近。問(wèn)：經(jīng)過(guò)多長(zhǎng)時(shí)間，兩星體將再次相距最近？

討論：1）若m1、m2分別表示天王星和海王星，當(dāng)兩者相距最近時(shí)，天王星軌道的偏差最大;

教學(xué)反思：上述兩個(gè)問(wèn)題對(duì)剛認(rèn)識(shí)萬(wàn)有引力的高一學(xué)生來(lái)說(shuō)是非常有難度的，但教學(xué)實(shí)踐證明，學(xué)生對(duì)老師的這種處理是非常滿意的。并且順便可提醒學(xué)生，太陽(yáng)系各行星對(duì)太陽(yáng)的繞轉(zhuǎn)既有太陽(yáng)對(duì)行星的引力作用，也有星體之間的相互作用。但物理學(xué)總是抓住問(wèn)題的主要方面，忽略問(wèn)題的次要方面，通過(guò)引入理想化模型，將實(shí)際問(wèn)題簡(jiǎn)化處理。