太陽(yáng)及行星間的引力教學(xué)設(shè)計(jì)

1、-. z.太陽(yáng)與行星間的引力教學(xué)設(shè)計(jì)【學(xué)習(xí)容分析】在行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與萬(wàn)有引力定律兩節(jié)容之間安排本節(jié)容，是為了更突出發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力定律的這個(gè)科學(xué)過(guò)程。如果說(shuō)上一節(jié)容是從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度描述行星運(yùn)動(dòng)的話，則，本節(jié)容是從動(dòng)力學(xué)角度來(lái)研究行星運(yùn)動(dòng)的，研究過(guò)程是依據(jù)已有規(guī)律進(jìn)展的演繹推理過(guò)程。教科書(shū)在尊重歷史事實(shí)的前提下，通過(guò)一些邏輯思維的鋪墊，讓學(xué)生以自己現(xiàn)有的知識(shí)根底身于歷史的背景下，經(jīng)歷一次發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力的過(guò)程，因此體驗(yàn)物理學(xué)研究問(wèn)題的方法就成為主要的教學(xué)目標(biāo)?！緦W(xué)情分析】在學(xué)太陽(yáng)對(duì)行星的引力之前，學(xué)生已經(jīng)對(duì)力、重力、向心力、加速度、重力加速度、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(dòng)和圓周運(yùn)動(dòng)等

2、運(yùn)動(dòng)規(guī)律，能熟練運(yùn)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律解決動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。已經(jīng)完全具備深入探究和學(xué)習(xí)萬(wàn)有引力定律的起點(diǎn)能力。所以在推導(dǎo)太陽(yáng)與行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，教師可以要求學(xué)生自主地運(yùn)用原有的知識(shí)進(jìn)展推導(dǎo)，并要求說(shuō)明每一步推理的理論依據(jù)是什么，教師僅在難點(diǎn)問(wèn)題上做適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)撥?！窘虒W(xué)目標(biāo)】一、知識(shí)與技能1了解關(guān)于行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的不同觀點(diǎn)和引力思想形成的歷程。2知道行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的原因，知道太陽(yáng)與行星間存在著引力作用，知道行星繞太陽(yáng)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)向心力來(lái)源。3知道太陽(yáng)與行星間引力的方向和表達(dá)式，知道牛頓定律在推導(dǎo)太陽(yáng)與行星間引力時(shí)的作用，領(lǐng)會(huì)將不易測(cè)量的物理量轉(zhuǎn)化為易測(cè)量物理量的方法。二、過(guò)程與方法1追尋得出太陽(yáng)與行星間引力的

3、科學(xué)探究過(guò)程，認(rèn)識(shí)科學(xué)探究流和獨(dú)創(chuàng)的意義；2了解物理學(xué)的研究方法，認(rèn)識(shí)物理模型和數(shù)學(xué)工具在物理學(xué)開(kāi)展過(guò)程中的作用；3通過(guò)思維程序提出問(wèn)題猜測(cè)與假設(shè)理論分析實(shí)驗(yàn)觀測(cè)驗(yàn)證結(jié)論培養(yǎng)學(xué)生探究思維能力。三、情感態(tài)度與價(jià)值觀1領(lǐng)略自然界的奇妙與和諧，蘊(yùn)涵其中的規(guī)律之簡(jiǎn)潔，開(kāi)展對(duì)科學(xué)的好奇心與求知欲，樂(lè)于探究自然界的奧秘，體驗(yàn)探索自然規(guī)律的艱辛與喜悅。2培育與他人合作的精神，將自己的見(jiàn)解與他人交流的愿望。【教學(xué)重難點(diǎn)】1太陽(yáng)與行星間的引力的推導(dǎo)思路和過(guò)程。2突出教學(xué)重難點(diǎn)的方法：引導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手參與推導(dǎo)過(guò)程，關(guān)注學(xué)生推導(dǎo)細(xì)節(jié)并及時(shí)交流和反應(yīng)，總結(jié)推導(dǎo)步驟；教師呈現(xiàn)推導(dǎo)過(guò)程要層次清楚，突出關(guān)鍵。【教學(xué)資源】1教學(xué)

4、課件PPT文件2行星運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)3多媒體教學(xué)設(shè)備【教學(xué)流程圖】【教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)】復(fù)習(xí)舊課：引導(dǎo)學(xué)生答復(fù)，教師及時(shí)糾正補(bǔ)充教師活動(dòng)：請(qǐng)同學(xué)們從運(yùn)動(dòng)的描述角度思考，開(kāi)普勒行星運(yùn)動(dòng)定律的物理意義？提問(wèn)學(xué)生活動(dòng)：第一定律提醒了描述行星運(yùn)動(dòng)的參考系、及其運(yùn)動(dòng)軌跡；第二定律提醒了行星在橢圓軌道上運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)不同位置的快慢情況，近日點(diǎn)附近速度大，遠(yuǎn)日點(diǎn)附近速度??；第三定律：提醒了不同行星雖然橢圓軌道和環(huán)繞周期不同，但由于中心天體一樣，所以共同遵循軌道半長(zhǎng)軸的三次方與周期的二次方比值一樣的規(guī)律。教師活動(dòng)：課件展示開(kāi)普勒三定律：開(kāi)普勒第一定律也叫橢圓軌道定律，它的具體容是：所有行星分別在大小不同的軌道上圍繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)。太陽(yáng)

5、在這些橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上。他的這條定律否認(rèn)了行星軌道為圓形的理論。開(kāi)普勒第二定律：對(duì)任意行星來(lái)說(shuō)，他與太陽(yáng)的連線在相等的時(shí)間掃過(guò)相等的面積。開(kāi)普勒第三定律的具體表述是：行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌道半長(zhǎng)軸R的立方與運(yùn)動(dòng)周期T的平方成正比。教師活動(dòng)：開(kāi)普勒在1609和1619年發(fā)表了行星運(yùn)動(dòng)的三個(gè)定律，解決了描述行星運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題，但好奇的人們，面向天穹，深情地叩問(wèn)：是什么力量支配著行星繞著太陽(yáng)做如此和諧而有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)呢？問(wèn)題的提出：引導(dǎo)學(xué)生思考：?jiǎn)栴}1：行星在橢圓軌道上運(yùn)動(dòng)是否需要力？這個(gè)力是什么力提供的？大小跟太陽(yáng)與行星間的距離有什么關(guān)系嗎？學(xué)生活動(dòng)：行星在橢圓軌道上運(yùn)動(dòng)需要力，這個(gè)力可能是太陽(yáng)與行星之間引力

6、提供的，大小跟太陽(yáng)與行星間的距離應(yīng)有關(guān)。問(wèn)題2：行星的實(shí)際運(yùn)動(dòng)是橢圓運(yùn)動(dòng)，但我們還不知道求出橢圓運(yùn)動(dòng)加速度的運(yùn)動(dòng)學(xué)公式，我們現(xiàn)在怎么辦？把它簡(jiǎn)化為什么運(yùn)動(dòng)呢？學(xué)生活動(dòng)：猜測(cè)可以簡(jiǎn)化為圓周運(yùn)動(dòng)。問(wèn)題3：既然把行星繞太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為圓周運(yùn)動(dòng)。則行星繞太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為勻速圓周運(yùn)動(dòng)嗎？為什么？學(xué)生活動(dòng)：猜測(cè)可以簡(jiǎn)化為勻速圓周運(yùn)動(dòng)。教師活動(dòng)：多媒體展示八大行星的軌道數(shù)據(jù)：行星軌道半長(zhǎng)軸106km軌道半短軸106km水星579567金星10821081地球14961495火星22792269木星77837774土星1427014248天王星2882328791海王星4523945238觀察八大行星

7、的軌道半長(zhǎng)軸與半短軸的區(qū)別并結(jié)合開(kāi)普勒第二定律的容得到結(jié)論：行星繞太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)可以看作是勻速圓周運(yùn)動(dòng)。簡(jiǎn)化模型教師活動(dòng)：總結(jié)：行星做曲線運(yùn)動(dòng)必受到力的作用把行星繞太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為圓周運(yùn)動(dòng)進(jìn)一步簡(jiǎn)化為勻速圓周運(yùn)動(dòng)。設(shè)計(jì)說(shuō)明：依照已學(xué)知識(shí)點(diǎn)提出問(wèn)題，然后讓學(xué)生個(gè)體作答解決問(wèn)題，同時(shí)不斷拋出新的討論點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生積極參與討論探究。模型簡(jiǎn)化也經(jīng)過(guò)先猜測(cè)再推理的過(guò)程?！拘抡n教學(xué)】一、人類(lèi)對(duì)行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律原因認(rèn)識(shí)的過(guò)程：教師活動(dòng)：介紹十七世紀(jì)前以及伽利略，開(kāi)普勒，笛卡兒的觀點(diǎn)：17世紀(jì)前：行星理所應(yīng)當(dāng)?shù)淖鲞@種完美的圓周運(yùn)動(dòng)； 伽利略：一切物體都有合并的趨勢(shì)，這種趨勢(shì)導(dǎo)致物體做圓周運(yùn)動(dòng)；開(kāi)普勒：受到了來(lái)自太陽(yáng)的類(lèi)

8、似于磁力的作用。 笛卡兒：在行星的周?chē)行D(zhuǎn)的物質(zhì)作用在行星上，使得行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)。進(jìn)一步介紹：到牛頓這個(gè)時(shí)代的時(shí)候，科學(xué)家們對(duì)這個(gè)問(wèn)題有了更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，例如胡克、哈雷等，他們認(rèn)為行星繞地球運(yùn)動(dòng)受到太陽(yáng)對(duì)它的引力，甚至證明了行星軌道如果為圓形，引力的大小跟太陽(yáng)距離的二次方成反比，但無(wú)法證明在橢圓軌道下，引力也遵循這個(gè)規(guī)律。猜測(cè)與假設(shè)牛頓在前人的根底上，證明了如果太陽(yáng)和行星的引力與距離的二次方成反比，則行星的軌跡是橢圓，并且闡述了普遍意義下的萬(wàn)有引力定律。過(guò)渡：這一節(jié)和下一節(jié)，我們將追尋牛頓的足跡，用自己的手和腦，重新發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力定律。由于受到數(shù)學(xué)知識(shí)的限制，我們要對(duì)行星繞太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)展簡(jiǎn)化，

9、簡(jiǎn)化為勻速圓周運(yùn)動(dòng)。二、引力的推導(dǎo)：教師活動(dòng)：太陽(yáng)與行星間的引力F跟行星到太陽(yáng)的距離有關(guān)，然而它們之間有什么定量關(guān)系呢？關(guān)于這個(gè)問(wèn)題我們可以將行星的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化行星繞太陽(yáng)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。則太陽(yáng)對(duì)行星的引力，就等于行星做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力。如果設(shè)行星的質(zhì)量為m，速度為v，運(yùn)行周期為T(mén)，行星到太陽(yáng)的距離為r，則行星繞太陽(yáng)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力可以怎樣表示？學(xué)生活動(dòng)：向心力可以表示為=教師活動(dòng)：在天文觀測(cè)中我們應(yīng)該用哪個(gè)方程來(lái)探究向心力呢？學(xué)生活動(dòng)：天文觀測(cè)中難以直接得到行星運(yùn)動(dòng)的速度v，但可以得到行星公轉(zhuǎn)的周期T，因此應(yīng)該用來(lái)表示向心力。教師活動(dòng)：能不能根據(jù)得到的結(jié)論？學(xué)生活動(dòng)：不同行星的公轉(zhuǎn)周期是

10、不同的，所以不能說(shuō)。教師活動(dòng)：而且要尋找F跟的關(guān)系，則表達(dá)式中就不應(yīng)該出現(xiàn)周期T，所以要設(shè)法消去上式中的T，應(yīng)該怎么消呢？學(xué)生活動(dòng)：可以把開(kāi)普勒第三定律變形為，代入上式得到：或教師活動(dòng)：我們注意到K是一個(gè)與行星無(wú)關(guān)，而僅與太陽(yáng)有關(guān)的常數(shù)，這說(shuō)明太陽(yáng)對(duì)不同行星的引力，與行星的質(zhì)量成正比，與行星和太陽(yáng)間距離的二次方成反比。教師活動(dòng)：但是，如果中心天體的質(zhì)量發(fā)生變化，引力F變不變呢？用疊加的觀點(diǎn)分析此問(wèn)題，可以得出：F將變化，且M增大，F(xiàn)也增大；反之亦然。很顯然，F(xiàn)還應(yīng)與中心天體的質(zhì)量M有關(guān)，它們之間有什么關(guān)系呢？怎樣研究F與M的關(guān)系呢？思考1分鐘思路分析：剛剛我們選擇行星為研究對(duì)象，研究的結(jié)果中并

11、沒(méi)有出現(xiàn)太陽(yáng)質(zhì)量M。下面我們不妨嘗試以太陽(yáng)為研究對(duì)象，看看行星對(duì)太陽(yáng)的引力什么特征？對(duì)于太陽(yáng)對(duì)行星的引力，太陽(yáng)是施力物，而根據(jù)牛頓第三定律，太陽(yáng)也要受到行星大小相等，方向相反的引力作用，對(duì)于這個(gè)引力，太陽(yáng)又是受力物。對(duì)稱性是許多物理規(guī)律的一個(gè)重要特性。如果太陽(yáng)與行星，行星與衛(wèi)星間的引力是同種性質(zhì)的力，則行星對(duì)太陽(yáng)的引力是不是也應(yīng)該與太陽(yáng)的質(zhì)量成正比呢？如果這個(gè)猜測(cè)是正確的，則行星對(duì)太陽(yáng)的引力又可以表示成什么呢？學(xué)生活動(dòng)：討論、推導(dǎo)、交流， 或M為太陽(yáng)質(zhì)量，是與行星有關(guān)的常數(shù)教師活動(dòng)：很好，太陽(yáng)對(duì)行星的引力和行星對(duì)太陽(yáng)的引力有什么關(guān)系？你能結(jié)合、式得到什么關(guān)系？學(xué)生活動(dòng)：教師活動(dòng)：這個(gè)結(jié)論也可以

12、寫(xiě)成： ，方向：太陽(yáng)與行星間引力的方向沿著二者的連線。適用圍：太陽(yáng)與行星間的引力教師活動(dòng)：上面，我們用自己的手和腦，得到了太陽(yáng)與行星間的引力公式。我們今天得到的結(jié)論是萬(wàn)有引力定律么？講述：通過(guò)演繹推理得到的結(jié)論，推廣到一般意義上的規(guī)律，在科學(xué)上是十分嚴(yán)謹(jǐn)?shù)氖虑?，需要?jīng)過(guò)實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)。設(shè)計(jì)說(shuō)明：書(shū)本上根據(jù)太陽(yáng)對(duì)不同行星的引力，行星對(duì)太陽(yáng)的引力，推導(dǎo)太陽(yáng)與行星間的引力為過(guò)于牽強(qiáng)附會(huì)，不符合學(xué)科的認(rèn)知規(guī)律，學(xué)生不易承受,學(xué)生感到很茫然，而用該方法思路過(guò)程很?chē)?yán)密,學(xué)生容易掌握?！景鍟?shū)設(shè)計(jì)】太陽(yáng)與行星間的引力探究1行星饒?zhí)?yáng)運(yùn)動(dòng)向心加速度為，根據(jù)牛頓第二定律，太陽(yáng)對(duì)不同行星的引力：探究21太陽(yáng)對(duì)行星

13、的引力大?。航Y(jié)論：或 12行星對(duì)太陽(yáng)的引力結(jié)論： 或23由1、2式得4太陽(yáng)與行星間的引力：是比例系數(shù)，與太陽(yáng)、行星都沒(méi)有關(guān)系方向：太陽(yáng)與行星間引力的方向沿著二者的連線。適用圍：太陽(yáng)與行星間的引力【教學(xué)反思】為了讓學(xué)生掌握建立物理模型、運(yùn)用數(shù)學(xué)工具進(jìn)展數(shù)學(xué)推導(dǎo)發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律的研究方法，教學(xué)中應(yīng)該調(diào)動(dòng)學(xué)生參與探究的過(guò)程，這需要教師的引導(dǎo)，為此，本節(jié)課采用導(dǎo)探式教學(xué)法，即在教師的引導(dǎo)下，讓學(xué)生通過(guò)獨(dú)立思考、合作交流、小組討論的方式完成探究的過(guò)程，讓學(xué)生真正體驗(yàn)科學(xué)探究的方法。太陽(yáng)與行星間的引力一節(jié)，是為了更突出發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力定律的這個(gè)科學(xué)過(guò)程。如果照搬教材的容，教學(xué)時(shí)間顯得太寬松，并且最后推導(dǎo)不太嚴(yán)密,學(xué)生不易承受,而且并不能讓學(xué)生充分的體會(huì)牛頓的科