3.3《预言未知星体，计算天体质量》——估测太阳密度 教学设计 -2024-2025学年高一下学期物理教科版（2019）必修第二册

教科版必修二第三章第三节《预言未知星体，计算天体质量》——估测太阳密度 一、使用教材 1.版本及册次：教科版必修二第三章第三节《预言未知星体，计算天体质量》。 2.年级：高一。 2.课程名称：估测太阳密度。 二、实验器材 长杆（2.8m）、圆形钥匙扣、墨镜、偏正片、游标卡尺、卷尺、三脚架、双缝干涉实验仪中的遮光筒和目镜、偏正片、PVC直管、手机、电脑、带小孔的不透明纸板、带刻度的半透明薄纸。 三、实验创新要点/改进要点 1.改变实验原理，利用小孔成像设计实验。 2.利用Photoshop软件精准处理测量数据。 四、实验原理/实验设计思路 （一）教材估测太阳密度原理 ………… ① …………………② 由①②可得： 图1 测太阳半径的原理 如图1所示， 由于θ很小，则： 所以， （二）利用小孔成像估测太阳密度原理 图2 小孔成像中的几何关系 如图2所示， 由于：θ很小 则： 所以： 五、实验教学目标 1.物理观念：了解万有引力定律在天文学上的重要应用。 2.科学思维：掌握计算天体质量和密度的方法，发展依据已学知识和方法进行科学推理的能力。 3.科学探究：通过不断实践和尝试，不断优化实验设计方案，提高误差来源分析能力和实验改进设计能力。 4.科学态度与责任：认识科学定律对人类科学探索未知世界的作用。通过实验培养学生严谨的科学态度与实事求是的科学精神。 六、实验教学内容 1.应用教材原理，设计实验测太阳密度。 2.利用小孔成像原理，设计实验测太阳密度。 七、实验教学过程 (一)根据教材原理设计实验 1.学生推导太阳密度表达式、讨论实验方案（图3） 图3 学生第一阶段探讨 2.准备实验器材 金属长杆（2.8m）、圆形钥匙扣、墨镜、偏振片、游标卡尺、卷尺、三脚架。部分器材如图4所示。 图4 部分实验器材 3.学生进行实验并测量数据 一名学生顺着长杆前后方向移动钥匙扣位置，另一名学生透过钥匙观察太阳（图5）。当钥匙扣刚好圈住太阳时，测量钥匙扣与眼睛距离，并记录数据（表1）。为进一步减少强光伤害，选择日落前两小时进行观测和测量。 用游标卡尺测得圆形钥匙扣内径d为2.086cm。 图5 学生进行教材原理实验 表1 杆长测量数据记录 次数 第1次 第2次 第3次 平均值 杆长D/cm 202.80 206.80 214.20 207.90 4.数据处理与分析 =1119kg/m3 相对误差= 5.反思与交流 （1）日落时做的实验，光的折射对测量有影响。 （2）看太阳有风险，必须用墨镜和偏振片做好防护。 （3）肉眼观察，偶然误差很大。 （二）改变实验原理设计实验 1.研究改进方案 利用小孔成像原理，学生建模推导太阳密度表达式、讨论实验方案（图6）。 图6 学生第二阶段探讨 2.准备实验器材 包括：双缝干涉实验仪中的遮光筒和目镜、一端带小孔的不透明纸板、偏振片、三脚架。部分实验器材见图7。 图7 改变实验原理后用到的部分器材 3.学生进行实验并测量数据 将带小孔的不透明纸板贴在双缝干涉实验仪中的遮光筒一侧，并大致瞄准准太阳。通过目镜观察，不断微调遮光筒角度，直至在目镜中出现清晰的太阳图像，再拧紧三脚架的角度调节旋钮（图8）。 图8 学生进行原理改变后实验 旋转手轮，使目镜中太阳图像的一侧与目镜中参考线对齐，记录游标卡尺度；再次旋转手轮，使目镜中太阳图像的另一侧与目镜中参考线对齐，再次记录游标卡尺刻度。如此反复测量三次，同时测量遮光筒长度，得到表2的数据。用卷尺测得遮光筒长度为69.2cm（图9）。 表2 学生进行改进后实验数据记录 次数 图像左侧刻度 图像右侧刻度 图像直径 第1次 1.16mm 8.1mm 6.98mm 第2次 7.78mm 15.10mm 7.32mm 第3次 10.82mm 16.60mm 5.78mm 平均值 6.68mm 图9 学生测量遮光筒长度 4.数据处理与分析 =1255kg/m3 相对误差= 5.反思与交流 （1）转动手轮过程中图像会抖动，可能造成图像移位产生误差。 （2）支架本身不容易做到100%稳固，可能造成图像移位产生误差。 （3）读数慢，看太阳时间长，需带上墨镜保护眼睛。 （三）改变实验原理后进行实验改进 1.准备实验器材 PVC直管、手机、电脑、带小孔的不透明纸板、带刻度的半透明薄纸、遮光布、暗室支架。部分器材如图10所示。 图10 改进实验部分器材 2.学生进行实验并测量数据 将带小孔的不透明纸板贴在PVC管一侧，另一侧贴带刻度的半透明薄纸。为减少强光对观察的影响，在初步固定在三脚架后，再利用暗室支架和遮光布将其下半部分罩住。 观测的学生将脑袋伸入暗室中进行观测，并通过不断微调PVC管的角度，直至半透明纸上出现太阳的图像，然后用手机对图像进行正面拍照（图11）。 图11 学生利用暗室观测 随后，学生对PVC管长度L进行三次测量，并记录相关数据（表3）。 表3 PVC管长度测量数据记录 测量次数 第1次 第2次 第3次 平均值 测量值/cm 145.18 145.19 145.20 145.19 将手机拍下的图像导入Photoshop。若绘制在半透明纸张的参考线与Photoshop参考线不平行，则先对图像进行一定角度的旋转处理。放大图像，在“视图”中调出Photoshop标尺功能，并新建4条竖向参考线，使之分别与半透明纸的1cm刻度和太阳左右两侧边缘对齐，记录参考线的刻度值（图12）。 图12 Photoshop的参考线和对应刻度值 3.数据处理与分析 （1）通过比例关系计算太阳图像的大小 则：d=1.339cm=13.39mm （2）利用公式计算太阳密度 =1445kg/m3 相对误差= 4.反思与交流 （1）改进实验测量准确性显著提高，大大降低了肉眼观察带来的误差。 （2）该实验不用直视太阳，更为安全。 （3）操作方便、快捷。 （4）实验改进后实验现象直观可视。 （5）充分结合当代媒体和信息技术对数据进行处理：手机拍照，然后用Photoshop处理数据。 八、实验效果评价 1.通过本次实验，学生认识到万有引力定律的在天文学应用的重要性。 2.本实验打破原有实验方式，充分结合现代信息技术，创新了实验数据处理方式。人类肉眼分辨存在生理性限制，使得太阳密度观测的准确度很难控制在10%以内。小孔成像后，借助手机拍照，并运用Photoshop软件进行数据分析，大幅提高了图像的识别精度，从而使太阳密度测量的准确度得到提高，有效实现了跨学科的资源整合，以及新方法在实验教学中的应用。 3.本实验提高了学生对误差来源分析的能力，以及实验改进设计能力，从而提升科学探究能力，落实学科核心素养。教材方案虽然理论可行，但现实中很难实施。因设备设施限制、太阳高度角差异、人肉眼分辨极限等因素的存在，导致实验误差很大。通过不断努力，改进实验方案，观测误差逐步得到控制，从而有效提高学生对误差来源分析的能力，提高改进实验设计的能力，也培养了学生严谨的科学态度与实事求是的科学精神。改进实验的更高精度，让学生获得较大的成就感，从而激发了学生对物理学的深层次好奇心和探索欲望。 学科网（北京）股份有限公司 $$