显化科学方法视角下物理规律的探究思路——以“太阳与行星间的引力”教学为例

物理规律的得出过程往往隐藏着丰富的科学方法,显化其主要的科学方法,有助于帮助学生深刻理解规律得出过程的逻辑难点,有利于进一步厘清探究思路,并充分彰显教学逻辑.本文结合人教版"太阳与行星间的引力"一节内容,针对其探究过程中的逻辑难点,挖掘并显化与之对应的科学方法,以期有所裨益.     

太阳与行星间的引力教学案例

尝试在"太阳与行星间的引力"的教学中,践行物理学学习中大胆猜测与逻辑推理.     

微小差异导致的伟大发现

在太阳系中,地球同她的姊妹行星以椭圆轨道围绕太阳运动,太阳本身处于椭圆轨道的一个焦点上。这一规律是众所周知的。1609年,在《新天文学》一书中,约翰内斯·开普勒提出了这一被称为开普勒第一定律的行星轨道规律,同时也提出了行星运动的第二条定律,这条定律指出：“行星的向径在相等的时间内扫过相等的面积”。他指出,这两条定律同样适用于其他行星和月球的运动。后来,经过长期繁复的计算和无数次失败,开普勒又发现了行星运动的第三条定律：“行星公转周期的平方正比于轨道半长轴的立方”。     

“行星的运动”一节中的几个问题

人民教育出版社出版的普通高中标准实验教科书<物理2>的第七章第一节"行星的行动"中的阅读材料"[科学足迹]:人类对行星运动规律的认识",包含了丰富的物理学和天文学的相关知识.     

对原行星盘中易挥发物质缺失问题的简要综述

年轻恒星周围存在盘状的气体和尘埃分布,称为原行星盘,行星在其中形成. 为了认识恒星和行星的形成和演化以及构成行星的原材料,对这些盘的观测是必须的. 数值模型有助于从观测数据提取出重要的物理参数,包括盘的尘埃和气体的质量. 这些参数可以作为进一步模拟的输入参数,预期热化学模拟能复现各种分子的观测数据. 但是,对于许多原行星盘,模型算出的多种分子的发射强度高于观测值. 真实的盘中这些分子的丰度比理论预期低,这是易挥发物质的缺失问题. 本文指出在这个问题上理论与观测的差异意味着尘埃的演化对气体化学有重要影响,提示在这些盘中行星形成的早期阶段已经开始了.     

行星运动物理问题的简单处理

从角动量和能量守恒定律出发,建立行星椭圆运动的轨道方程,导出行星运动时的各个物理量表达式,从而给出了一种以初等数学为基础的处理行星运动的简洁方法。     

模拟其他行星重力加速度的单摆装置

模拟其他行星重力加速度的单摆装置刘战存，王晓萌（北京师院分院１０００５３）我们参考了有关材料（１），在普通单摆的基础上，增加了一些装置，可以使学生在课堂上模拟其它行星（如土星、海王星等）的重力场，测定其重力加速度的值．图１为装置简图，摆球为一直径３５...     

行星保持其表面大气的物理条件

本文从理想气体分子运动的麦克斯韦速度分布律出发，导出了理想气体分子运动速度的近似上限；并由它给出行星保持其表面大气的物理条件及行星表面的某些物理性质。     

创新能力培养的一个典型案例

以历史上的行星轨道半径分布数据出发,利用现代科学计算工具和科学方法论思想,从再发现角度进行重新探究,得到了著名的提丢斯-波得法则.展示了如何根据原始观测数据进行分析,探寻其中所隐藏规律的整个过程,可以作为培养大学生创新思维能力的案例.     

天体物理学讲座第三讲 恒星形成：从星际分子云到原始行星系统

对行星系统起源问题的研究在近年来已经取得很大进展,一方面是星际分子云与恒星形成的天文研究取得了令人瞩目的成就,研究表明,包括太阳在内的恒星是由冷暗的星际分子云收缩形成的。在形成恒星的过程中,普遍伴随出现围绕恒星的盘状的原始行星系统,在这种原始行星系统中间,尘埃颗粒逐渐生长,并凝聚成行星,彗星等,从分子云到原始行星系统大约经历百万年,而木星这样的大行星有可能在恒星收缩阶段同时形成,并且在行星系统的发展过程中逐渐发展,行星系统起源的另一方面进展来自包括彗星,太阳系行星际探测,从而对太阳系这样的行星系统的组成和性质,对行星大气等有了更精确的了解,以此为参考,能够测定那些离太阳系的其他新近发现的行星系统的物理化学性质,从而提供了一系列互相联系和对比的样本,通过上述进展,现代天文学正逐渐揭开行星系统形成之谜。     

行星大气的金斯逃逸

讨论了行星大气金斯逃逸的条件和判据。     

探寻太阳系外类地行星的踪迹

 自从梅厄(MichelMayor)和奎洛兹(DidierQueloz)于1995年10月6日宣布有一颗质量为木星一半的行星围绕着恒星飞马座51运行以来,世界各地的行星猎手们已发现100多个太阳系外的行星,但它们几乎都是气态巨行星。探索地外文明的科学家们渴望能找到像地球那样绕着恒星运行的行星系统。2002年初,美国加州大学伯克利分校的劳克林(GregoryLaughlin)宣称距太阳51光年的类太阳恒星大熊座47有两颗像土星、木星那样的行星在圆轨道上绕恒星运行,而不是像已发现的其他巨行星在偏心的椭圆轨道上绕恒星运行,故在大熊座47附近可能存在类地行星。     

天体运动中介质的阻力和推力与超光速运动的粒子

行星在太阳风中运动受太阳介质阻力和推力的作用。阻力使行星公转速率逐渐变小。推力使行星逐渐远离太阳并使行星的温度在长期内逐渐降低。推力是太阳系、银河系和宇宙膨胀的原因。除非粒子和介质发生碰撞,否则粒子的运动不受介质的阻碍可以超光速运动。证明宇宙射线中的粒子是超光速运动的粒子。     

设置引力问题要考虑行星的物理性质

通过简单介绍行星的基本性质和分类,引起对设置引力应用问题注意,避免该类错误的发生.     

直接探测到太阳系以外的行星

最近美国NASA利用Spitzer空间望远镜第一次直接探测到了太阳系以外的行星．过去对环绕在其他恒星运转的行星的位置是利用该恒星所发射的光的微小变化推断出来的，而现在是利用Spitzer空问望远镜直接记录下行星自身的远红外光波．     

平面型三级行星夹具膜厚均匀性仿真研究

建立了平面型三级行星夹具膜厚均匀性数学模型,根据该模型编写计算机仿真程序,研究了1.8 m大口径镀膜机使用平面型三级行星夹具的膜厚均匀性问题。以光驰OTFC-1800-DCI型镀膜机为仿真对象,分析了蒸发源特性、行星夹具倾角和行星轨半径对膜厚均匀性的影响。仿真计算结果表明：行星夹具倾角是影响平面型三级行星夹具膜厚均匀性的主要因素,当行星夹具倾角α=64°时,膜厚分布最为均匀,不均匀性为0.1%。行星轨半径对膜厚均匀性也存在影响,当行星轨半径在665 mm时,膜厚分布最为均匀,膜厚不均匀性控制在1%以内。平面型三级行星夹具膜厚分布理论模型对实际镀膜工作有一定的指导意义。     

双星运行轨道的研究

文章首先把双星运动看做二体问题,研究以一个星体为参照系,另一个星体的轨迹为圆锥曲线,以系统的质心为参照系,每一个星体的轨迹也是圆锥曲线,然后提出了行星与恒星之间也是双星现象,地球与月球之间也是双星现象,解释了困扰物理学与天文学多年的行星运行轨道的共面性、公转的同向性难题,指出了研究行星运行轨道时惯性质量应当用折合质量计算。     

现代天文谱新篇——IAU投票界定太阳系行星

在2006年8月24日当地时间下午2点（北京时间晚9点30分）于捷克首都布拉格会议中心举行的国际天文学联合会IAU第26届代表大会上，来自不同国家的近500名正式代表，以举手表决的方式通过了执委会提出的关于太阳系行星定义的决议．该决议第一次明确提出了太阳系天体的分类规则：把太阳系中的行星和其他天体分为行星、矮行星、太阳系小天体三类；把矮行星中以冥王星为标志的海王外天体分为一个新的族。     

利用行星引力加速发射第三宇宙火箭

 利用行星引力加速在航天技术中有着重要的应用.美国1977年发射的宇宙飞船旅行者1号和2号就是利用途经行星的引力加速,实现了人类到遥远的外行星的航行.     

质疑“行星”的新定义

据2006年8月25日英国New Scientist的网站报道，一些天文学家对这次国际天文学会（IAU）按照对行星所下新的定义将冥王星降格为“矮行星”颇有微词．执行新视野号冥王星及其卫星探测器任务的美国宇航局的科学家斯特恩（Alan Stem）认为：