《萬有引力定律》教設(shè)計(jì)

1、.?萬有引力定律?教學(xué)設(shè)計(jì)【教材分析】 萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)過程猶如一部壯麗的科學(xué)史詩，它歌頌了前輩科學(xué)家的科學(xué)精神，也展現(xiàn)了科學(xué)開展過程中科學(xué)家們富有創(chuàng)造性而又嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維，是開展學(xué)生思維才能難得的好材料，本節(jié)課內(nèi)容充分利用這些材料開展學(xué)生的科學(xué)思維才能。教科書在尊重歷史事實(shí)的前提下，通過一些邏輯思維的鋪墊，讓學(xué)生以自己現(xiàn)有的知識根底身于歷史的背景下，經(jīng)歷一次“發(fā)現(xiàn)萬有引力的過程： 從上述物理學(xué)史進(jìn)程中，可以看出?萬有引力定律?這節(jié)內(nèi)容是對上兩節(jié)課教學(xué)內(nèi)容的進(jìn)一步推演，并與之構(gòu)本錢章的第一單元內(nèi)容。同時(shí)，本節(jié)內(nèi)容也是下節(jié)課教學(xué)內(nèi)容的根底，是本章的教學(xué)重點(diǎn)，在高中物理中占有重要地位。 【學(xué)生分

2、析】 從知識構(gòu)造來看，在學(xué)習(xí)萬有引力定律前，學(xué)生已經(jīng)對力、重力、向心力、太陽對行星的引力、加速度、重力加速度即自由落體運(yùn)動的加速度、向心加速度等概念有了較好的理解，并且掌握自由落體運(yùn)動和圓周運(yùn)動等運(yùn)動規(guī)律，能純熟運(yùn)動牛頓運(yùn)動定律解決動力學(xué)問題。已經(jīng)完全具備深化探究和學(xué)習(xí)萬有引力定律的起點(diǎn)才能。 從知識建構(gòu)的歷史進(jìn)程來看，在上一節(jié)中學(xué)生經(jīng)歷了太陽與行星間引力的探究過程，從中向?qū)W生浸透了發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、猜測假設(shè)、推理論證等方法思想，按照學(xué)生的認(rèn)知心理特點(diǎn)，同時(shí)根據(jù)上節(jié)課“說一說中的問題，很容易在他們腦中形成這樣一個(gè)問題：太陽與行星間引力規(guī)律是否適用于我們與地球間的互相作用?從而為我們進(jìn)一步演繹

3、萬有引力定律“發(fā)現(xiàn)之旅，確定了轉(zhuǎn)接點(diǎn)，也引入本節(jié)新課內(nèi)容。 然高一學(xué)生其思維方式容易停滯在知識承受層面，而無視概念間、規(guī)律間的互相聯(lián)絡(luò)，且很多學(xué)生不能建立明確的動態(tài)的物理圖像或物理情景，進(jìn)而無法通過同化和順應(yīng)，完成知識的建構(gòu)過程。因此，在教學(xué)過程中要注重從學(xué)生實(shí)際入手，根據(jù)學(xué)生認(rèn)知規(guī)律，注重創(chuàng)設(shè)物理情景，創(chuàng)造和諧、民主、自由課堂氣氛，進(jìn)展探究教學(xué)。 【教學(xué)目的】 一、知識與技能 1、理解萬有引力定律得出的思路和過程，知道重物下落和天體運(yùn)動的統(tǒng)一性。 2、理解萬有引力定律的含義并會用萬有引力定律公式解決簡單的引力計(jì)算問題。 3、知道萬有引力定律公式的適用范圍。 4、理解萬有引力常量的意義及測定方

4、法，理解卡文迪許實(shí)驗(yàn)室。 二、過程與方法 1、在萬有引力定律建立過程的學(xué)習(xí)中，學(xué)習(xí)發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、猜測假設(shè)與推理論證等方法。 2、培養(yǎng)學(xué)生研究問題時(shí)，抓住主要矛盾，簡化問題，建立理想模型的處理問題的才能。 三、情感態(tài)度與價(jià)值觀 1、通過牛頓在前人的根底上發(fā)現(xiàn)萬有引力定律的考慮過程，說明科學(xué)研究的長期性，連續(xù)性及艱巨性，進(jìn)步學(xué)生科學(xué)價(jià)值觀。 2、經(jīng)過萬有引力常量測定的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生體會科學(xué)的方法論和物理常量數(shù)量級的重要性 【教學(xué)重點(diǎn)】 1、月-地檢驗(yàn)的推到過程。 2、萬有引力定律的內(nèi)容及表達(dá)公式。 【教學(xué)難點(diǎn)】 1、對萬有引力定律的理解。 2、使學(xué)生能把地面上的物體所受重力與其他星球與地球之間

5、存在的引力是同性質(zhì)的力聯(lián)絡(luò)起來。 【教學(xué)設(shè)計(jì)思想】 在本節(jié)課教學(xué)，將讓學(xué)生繼續(xù)經(jīng)歷上節(jié)課的萬有引力定律“發(fā)現(xiàn)之旅，為此使整個(gè)教學(xué)流程力圖表達(dá)如下規(guī)律發(fā)現(xiàn)過程: 通過這個(gè)假想理論推導(dǎo)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)過程，讓學(xué)生在物理情景中主動的參與知識的構(gòu)建過程，體會這種充滿著大膽的設(shè)想、巧妙的驗(yàn)證和從中表達(dá)著的科學(xué)探究的精神與方法。 【教學(xué)設(shè)計(jì)過程】 一、新課引入 老師活動 學(xué)生活動 通過上節(jié)的分析，我們已經(jīng)知道了我們太陽與行星間的引力規(guī)律，那么： 行星為什么可以繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)而不會飛離太陽？ 行星與太陽間的引力與什么因素有關(guān)？ 可以根據(jù)哪些規(guī)律推導(dǎo)出推出太陽與行星間的引力遵從的是什么樣的規(guī)律？ 公式中的G是比例系數(shù)，F(xiàn)

6、是太陽和行星之間的引力，正是太陽和行星之間的引力使得行星不能飛離太陽。那么大家想到過，又是什么力使得地面的物體不能分開地球，總要落回地面呢？ 為了研究這個(gè)問題，下面我們繼續(xù)來體驗(yàn)一下：牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力定律的思維過程。 引導(dǎo)學(xué)生答復(fù)，老師及時(shí)糾正補(bǔ)充 行星與太陽間的引力提供作為行星繞太陽近似圓周運(yùn)動的向心力，從而使得行星不能飛離太陽。 行星與太陽間的引力F與太陽和行星之間的間隔 r，行星質(zhì)量m和太陽質(zhì)量M有關(guān)。 根據(jù)開普勒第一、第二定律和牛頓第三定律推出太陽與行星間的引力遵從的規(guī)律：。 設(shè)計(jì)說明：通過上述回憶性問題，旨在讓學(xué)生回憶上節(jié)課內(nèi)容，回憶萬有引力定律“發(fā)現(xiàn)之旅前半程，從而為下半程“之旅奠

7、定根底，進(jìn)而引出新課。 二、教授新課 一進(jìn)一步猜測 老師活動 學(xué)生活動 演示：將塑料制成且內(nèi)部空心的蘋果置于某位學(xué)生頭頂不遠(yuǎn)處，靜止釋放。 誘思： 1蘋果為什么只砸向這位同學(xué)，而不是砸向其他同學(xué)呢？ 2那么受到重力又是怎么產(chǎn)生的呢？ 3地球?qū)μO果的引力和太陽對行星的引力是否根本就是同一種力？假設(shè)是這樣，物體離地面越遠(yuǎn)，其受到地球的引力就應(yīng)該越小，比方我們爬到高山上時(shí)，覺察到我們受到重力減小了？為什么？ 4這樣的高度比起天體之間的間隔 來說，簡直太小了。假如我們再往遠(yuǎn)處設(shè)想，物體延伸到月球那么遠(yuǎn)，物體將會怎么樣運(yùn)動？ 于是我們可以提出這樣的猜測：太陽對行星的引力，地球?qū)υ虑虻牧?，地球?qū)Φ孛嫔衔矬w

8、的力，也許真是同一種力，遵循一樣的規(guī)律？ 觀察蘋果的運(yùn)動，啟發(fā)學(xué)生提出問題，并進(jìn)展考慮討論 1由于重力方向豎直向下，蘋果在其重力作用下，在這位同學(xué)頭頂正上方可認(rèn)為做豎直向下的自由落體運(yùn)動。 2由于地球?qū)μO果的吸引力而產(chǎn)生的。 3可能是同一種力。 沒有明顯減弱，可能因?yàn)檫€不夠遠(yuǎn)。 4可能這個(gè)物體會象月球那樣繞著地球運(yùn)動。 設(shè)計(jì)說明：通過蘋果自由下落的物理情景，喚醒學(xué)生腦中當(dāng)年由蘋果落地而引起遐想進(jìn)而發(fā)現(xiàn)萬有引力定律的故事情景，從而啟發(fā)學(xué)生設(shè)問，使牛頓的想法可以激發(fā)學(xué)生的興趣與想像力。 二月-地檢驗(yàn) 老師活動 學(xué)生活動 假定上述猜測成立，月球和蘋果的地位相當(dāng)，那么地球?qū)υ虑虻牧εc地球?qū)μO果的力應(yīng)該

9、同樣遵從“平方反比律，即，那么月球軌道上的物體受到的引力比他在地面附近受到的引力要小。 創(chuàng)設(shè)情景： 在牛頓時(shí)代，重力加速度g、月-地的間隔 r、月球的公轉(zhuǎn)周期T都能準(zhǔn)確的測定，r=38×108m，T=27 3天，g=98m/s2，月球軌道半徑即月-地的間隔 r為地球半徑R的60倍，那么： 在月球軌道上的物體受到的引力F1是它在地面附近受到的引力F2 的幾分之一？ 物體在月球軌道上的加速度a月球公轉(zhuǎn)的向心加速度是它在地面附近下落的加速度g重力加速度重力加速度的幾分之一？ 可見：用數(shù)據(jù)說明上述設(shè)想的正確性，牛頓的設(shè)想經(jīng)受了事實(shí)的檢驗(yàn)，地球?qū)υ虑虻牧?，地球?qū)Φ孛嫖矬w的力真是同一種力。至此，

10、平方反比律已經(jīng)擴(kuò)展到太陽與行星之間，地球與月球之間、地球?qū)Φ孛嫖矬w之間。 通過創(chuàng)設(shè)情景中數(shù)據(jù)，讓學(xué)生進(jìn)展定量計(jì)算 設(shè)物體的質(zhì)量為m在月球軌道上的物體受到的引力，物體在地面附近受到的，那么有 設(shè)質(zhì)量為m的物體在月球的軌道上運(yùn)動的加速度月球公轉(zhuǎn)的向心加速度為a，那么，r=60R，得，代入數(shù)據(jù)解得 設(shè)計(jì)說明：通過創(chuàng)設(shè)情景，引導(dǎo)學(xué)生定量計(jì)算，用無可辯駁的事實(shí)證明猜測的正確性，增強(qiáng)學(xué)生的理性認(rèn)識。 三萬有引力定律 老師活動 學(xué)生活動 既然太陽與行星之間，地球與月球之間、地球?qū)Φ孛嫖矬w之間具有與兩個(gè)物體的質(zhì)量成正比，跟它們的間隔 的二次方成反比的引力。那么我們可以更大膽設(shè)想：是否任何兩個(gè)物體之間都存在這樣

11、的力？很可能有，只是因?yàn)槲覀兩磉叺奈矬w質(zhì)量比天體的質(zhì)量小得多，我們不易覺察罷了，于是我們可以把這一規(guī)律推廣到自然界中任意兩個(gè)物體間，即具有劃時(shí)代意義的萬有引力定律 提出問題，閱讀教材： 1什么是萬有引力？并舉出實(shí)例。 2萬有引力定律怎樣反映物體之間互相作用的規(guī)律？其數(shù)學(xué)表達(dá)式如何？并注明每個(gè)符號的單位和物理意義。 3萬有引力定律的適用條件是什么？ 4你認(rèn)為萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)有何深遠(yuǎn)意義？ 對萬有引力定律的理解： A、普遍性：萬有引力存在于任何兩個(gè)物體之間，只不過一般物體的質(zhì)量與星球相比太小了，他們之間的萬有引力也非常小，完全可以忽略不計(jì)。 B、互相性：兩個(gè)物體互相作用的引力是一對作用力與反作用

12、力。 C、特殊性：兩個(gè)物體間的萬有引力和物體所在的空間及其他物體存在無關(guān)。 D、適用性：只適用于兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)間的引力，當(dāng)物體之間的間隔 遠(yuǎn)大于物體本身時(shí)，物體可看成質(zhì)點(diǎn)；當(dāng)兩物體是質(zhì)量分布均勻的球體時(shí)，它們間的引力也可直接用公式計(jì)算，但式中的r是指兩球心間的間隔 。 提出問題，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)問題閱讀教材P70-71，老師引導(dǎo)總結(jié) 1萬有引力是普遍存在于宇宙中任何有質(zhì)量的物體之間的互相吸引力。日對地、地對月、地對地面上物體的引力都是其實(shí)例。 2萬有引力定律的內(nèi)容是：宇宙間一切物體都是互相吸引的。兩物體間的引力大小，跟它們的質(zhì)量的乘積成下比，跟它們間的間隔 平方成反比 式中各物理量的含義及單位： F為兩

13、個(gè)物體間的引力，單位：N m1、m2分別表示兩個(gè)物體的質(zhì)量，單位：kg r為兩個(gè)物體間的間隔 ，單位：m G為萬有引力常量：G=667×10-11 N·m2/kg2，它在數(shù)值上等于質(zhì)量是1Kg的物體相距米時(shí)的互相作用力， 單位：N·m2/kg2 3只適用于兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)間的引力，當(dāng)物體之間的間隔 遠(yuǎn)大于物體本身時(shí)，物體可看成質(zhì)點(diǎn)；當(dāng)兩物體是質(zhì)量分布均勻的球體時(shí)，它們間的引力也可直接用公式計(jì)算，但式中的r是指兩球心間的間隔 。 4萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)有著重要的物理意義：它對物理學(xué)、天文學(xué)的開展具有深遠(yuǎn)的影響；它把地面上物體運(yùn)動的規(guī)律和天體運(yùn)動的規(guī)律統(tǒng)一起來；對科學(xué)文化開展起

14、到了積極的推動作用，解放了人們的思想，給人們探究自然的奧秘建立了極大信心，人們有才能理解天地間的各種事物。 設(shè)計(jì)說明：啟發(fā)學(xué)生更大膽的猜測，并在老師設(shè)問中，自主閱讀教材，做到有的放矢， 最后引導(dǎo)學(xué)生討論總結(jié)答復(fù)以下問題，在增強(qiáng)學(xué)生的科學(xué)表達(dá)才能的同時(shí)，讓學(xué)生體會：物理學(xué)許多重大理論的發(fā)現(xiàn)，不是簡單的實(shí)驗(yàn)總結(jié)，它需要直覺和想像力、大膽的猜測和假設(shè)，再引入合理的模型，深化的洞察力、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)處理和邏輯思想，常常是一個(gè)充滿曲折和艱辛的過程。 四萬有引力常量 老師活動 學(xué)生活動 牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律，卻沒有給出引力恒量的數(shù)值。由于一般物體間的引力非常小，用實(shí)驗(yàn)測定極其困難。直到一百多年之后，才由英國

15、的卡文迪許用精巧的扭秤測出。 動畫展示：教材中沒有，補(bǔ)充給學(xué)生，如右圖并介紹構(gòu)造、演示實(shí)驗(yàn)過程，引導(dǎo)學(xué)生一起分析原理。 測引力極小轉(zhuǎn)化為測引力矩，再轉(zhuǎn)化為測石英絲改變角度，最后轉(zhuǎn)化為光點(diǎn)在刻度尺上挪動的間隔 較大。根據(jù)預(yù)先求出的石英絲改變力矩跟改變角度的關(guān)系，可以證明出改變力矩，進(jìn)而求得引力，確定引力恒量的值G=6754×10-11 N·m2/kg2。 根據(jù)上述資料結(jié)合教材，考慮問題： 1試比較卡文迪許測定引力常量的值G和現(xiàn)代引力常量G。并嘗試說明卡文迪許在測G值時(shí)巧妙在哪里？ 2引力常量的測定有何實(shí)際意義？ 觀察動畫，閱讀課本，考慮問題，學(xué)生代表發(fā)表見解 1用扭秤的方法卡

16、文迪許測定引力恒量比較準(zhǔn)確。該實(shí)驗(yàn)精巧之處：將不易觀察的微小變化量，轉(zhuǎn)化為容易觀察的顯著變化量，再根據(jù)顯著變化量與微小量的關(guān)系，算出微小變化量。 2卡文迪許在測定引力恒量G，說明萬有引力定律適用于地面的任何兩個(gè)物體，用實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)一步證明了萬有引力定律的普適性；同時(shí)使得包括計(jì)算星體質(zhì)量在內(nèi)的關(guān)于萬有引力定律的定量計(jì)算成為可能。 設(shè)計(jì)說明：通過動畫展示和老師講解，在老師設(shè)問下，組織學(xué)生進(jìn)展討論和分析，使學(xué)生體會到卡文迪許扭稱實(shí)驗(yàn)精巧的方法，同時(shí)鍛煉學(xué)生的信息處理才能。 五理論探究 老師活動 學(xué)生活動 活動： 叫兩名學(xué)生上講臺做個(gè)游戲：兩人靠攏后分開三次以上。 設(shè)問：既然自然界中任何兩個(gè)物體間都有萬

17、有引力，那么在日常生活中，我們各自之間或人與物體之間，為什么都對這種作用沒有任何感覺呢？ 創(chuàng)設(shè)情景： 1請估算這兩位同學(xué)，相距1m遠(yuǎn)時(shí)它們間的萬有引力多大？可設(shè)他們的質(zhì)量為50kg 2地球的質(zhì)量約為60×1024kg，地球半徑為64×106m，請估算其中一位同學(xué)和地球之間的萬有引力又是多大？ 3地球外表的重力加速度，那么其中這位同學(xué)所受重力是多少？并比較萬有引力和重力？ 此題小結(jié)：由此可見通常物體間的萬有引力極小，一般不易感覺到。而物體與天體間的萬有引力如人與地球就不能忽略了。 活動：兩位同學(xué)靠攏后分開三次以上 學(xué)生考慮答復(fù)：萬有引力太小。 根據(jù)情景中數(shù)據(jù)，學(xué)生進(jìn)展估算：

18、1由萬有引力定律得： 代入數(shù)據(jù)得：F1=17×10-7N 2由萬有引力定律得： 代入數(shù)據(jù)得：F2=493N 3，比較結(jié)果萬有引力比重力大。原因是在地球外表上的物體所受萬有引力可分解為重力和自轉(zhuǎn)所需的向心力。 設(shè)計(jì)說明：通過學(xué)生活動，使增加課堂的興趣性，調(diào)節(jié)氣氛，進(jìn)而順利創(chuàng)設(shè)出一個(gè)物理情景，學(xué)生根據(jù)這個(gè)情景中的數(shù)據(jù)，進(jìn)展估算和比較，從中鍛煉學(xué)生的估算才能，體會萬有引力常量數(shù)量級的重要性以及引力和重力差異。 【課堂小結(jié)】 老師活動： 讓學(xué)生概括根據(jù)老師在黑板上預(yù)設(shè)各知識點(diǎn)框架如以下圖，用箭頭連接成知識網(wǎng)絡(luò)框架圖，從而總結(jié)本節(jié)的內(nèi)容。請一個(gè)同學(xué)到黑板上總結(jié)，其他同學(xué)在筆記本上總結(jié)，然后請同學(xué)評價(jià)黑板上的小結(jié)內(nèi)容。 學(xué)生活動： 認(rèn)真總結(jié)概括本節(jié)內(nèi)容，完成知識網(wǎng)絡(luò)框架圖如以下圖，并把自己這節(jié)課的體會寫下來、比較黑板上的小結(jié)和自己的小結(jié)，進(jìn)而進(jìn)展生生互評。 學(xué)生體會： 發(fā)現(xiàn)萬有引力定律的思維過程：假想理論推導(dǎo)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn) 設(shè)計(jì)說明：通過黑板或多媒體展示本節(jié)課知識，在老師引導(dǎo)下，在學(xué)生討論與互評中總結(jié)