太陽及行星間的引力教學(xué)設(shè)計

1、-. z.太陽與行星間的引力教學(xué)設(shè)計【學(xué)習(xí)容分析】在行星運動規(guī)律與萬有引力定律兩節(jié)容之間安排本節(jié)容，是為了更突出發(fā)現(xiàn)萬有引力定律的這個科學(xué)過程。如果說上一節(jié)容是從運動學(xué)角度描述行星運動的話，則，本節(jié)容是從動力學(xué)角度來研究行星運動的，研究過程是依據(jù)已有規(guī)律進(jìn)展的演繹推理過程。教科書在尊重歷史事實的前提下，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，因此體驗物理學(xué)研究問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)太陽對行星的引力之前，學(xué)生已經(jīng)對力、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動和圓周運動等

2、運動規(guī)律，能熟練運用牛頓運動定律解決動力學(xué)問題。已經(jīng)完全具備深入探究和學(xué)習(xí)萬有引力定律的起點能力。所以在推導(dǎo)太陽與行星運動規(guī)律時，教師可以要求學(xué)生自主地運用原有的知識進(jìn)展推導(dǎo)，并要求說明每一步推理的理論依據(jù)是什么，教師僅在難點問題上做適當(dāng)?shù)狞c撥?！窘虒W(xué)目標(biāo)】一、知識與技能1了解關(guān)于行星繞太陽運動的不同觀點和引力思想形成的歷程。2知道行星繞太陽運動的原因，知道太陽與行星間存在著引力作用，知道行星繞太陽做勻速圓周運動向心力來源。3知道太陽與行星間引力的方向和表達(dá)式，知道牛頓定律在推導(dǎo)太陽與行星間引力時的作用，領(lǐng)會將不易測量的物理量轉(zhuǎn)化為易測量物理量的方法。二、過程與方法1追尋得出太陽與行星間引力的

3、科學(xué)探究過程，認(rèn)識科學(xué)探究流和獨創(chuàng)的意義；2了解物理學(xué)的研究方法，認(rèn)識物理模型和數(shù)學(xué)工具在物理學(xué)開展過程中的作用；3通過思維程序提出問題猜測與假設(shè)理論分析實驗觀測驗證結(jié)論培養(yǎng)學(xué)生探究思維能力。三、情感態(tài)度與價值觀1領(lǐng)略自然界的奇妙與和諧，蘊涵其中的規(guī)律之簡潔，開展對科學(xué)的好奇心與求知欲，樂于探究自然界的奧秘，體驗探索自然規(guī)律的艱辛與喜悅。2培育與他人合作的精神，將自己的見解與他人交流的愿望?！窘虒W(xué)重難點】1太陽與行星間的引力的推導(dǎo)思路和過程。2突出教學(xué)重難點的方法：引導(dǎo)學(xué)生動手參與推導(dǎo)過程，關(guān)注學(xué)生推導(dǎo)細(xì)節(jié)并及時交流和反應(yīng)，總結(jié)推導(dǎo)步驟；教師呈現(xiàn)推導(dǎo)過程要層次清楚，突出關(guān)鍵。【教學(xué)資源】1教學(xué)

4、課件PPT文件2行星運動數(shù)據(jù)3多媒體教學(xué)設(shè)備【教學(xué)流程圖】【教學(xué)過程設(shè)計】復(fù)習(xí)舊課：引導(dǎo)學(xué)生答復(fù)，教師及時糾正補(bǔ)充教師活動：請同學(xué)們從運動的描述角度思考，開普勒行星運動定律的物理意義？提問學(xué)生活動：第一定律提醒了描述行星運動的參考系、及其運動軌跡；第二定律提醒了行星在橢圓軌道上運動經(jīng)過不同位置的快慢情況，近日點附近速度大，遠(yuǎn)日點附近速度??；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軸的三次方與周期的二次方比值一樣的規(guī)律。教師活動：課件展示開普勒三定律：開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運動。太陽

5、在這些橢圓的一個焦點上。他的這條定律否認(rèn)了行星軌道為圓形的理論。開普勒第二定律：對任意行星來說，他與太陽的連線在相等的時間掃過相等的面積。開普勒第三定律的具體表述是：行星繞太陽運動軌道半長軸R的立方與運動周期T的平方成正比。教師活動：開普勒在1609和1619年發(fā)表了行星運動的三個定律，解決了描述行星運動的問題，但好奇的人們，面向天穹，深情地叩問：是什么力量支配著行星繞著太陽做如此和諧而有規(guī)律的運動呢？問題的提出：引導(dǎo)學(xué)生思考：問題1：行星在橢圓軌道上運動是否需要力？這個力是什么力提供的？大小跟太陽與行星間的距離有什么關(guān)系嗎？學(xué)生活動：行星在橢圓軌道上運動需要力，這個力可能是太陽與行星之間引力

6、提供的，大小跟太陽與行星間的距離應(yīng)有關(guān)。問題2：行星的實際運動是橢圓運動，但我們還不知道求出橢圓運動加速度的運動學(xué)公式，我們現(xiàn)在怎么辦？把它簡化為什么運動呢？學(xué)生活動：猜測可以簡化為圓周運動。問題3：既然把行星繞太陽的運動簡化為圓周運動。則行星繞太陽的運動可進(jìn)一步簡化為勻速圓周運動嗎？為什么？學(xué)生活動：猜測可以簡化為勻速圓周運動。教師活動：多媒體展示八大行星的軌道數(shù)據(jù)：行星軌道半長軸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、的軌道半長軸與半短軸的區(qū)別并結(jié)合開普勒第二定律的容得到結(jié)論：行星繞太陽的運動可以看作是勻速圓周運動。簡化模型教師活動：總結(jié)：行星做曲線運動必受到力的作用把行星繞太陽的運動簡化為圓周運動進(jìn)一步簡化為勻速圓周運動。設(shè)計說明：依照已學(xué)知識點提出問題，然后讓學(xué)生個體作答解決問題，同時不斷拋出新的討論點，引導(dǎo)學(xué)生積極參與討論探究。模型簡化也經(jīng)過先猜測再推理的過程?！拘抡n教學(xué)】一、人類對行星運動規(guī)律原因認(rèn)識的過程：教師活動：介紹十七世紀(jì)前以及伽利略，開普勒，笛卡兒的觀點：17世紀(jì)前：行星理所應(yīng)當(dāng)?shù)淖鲞@種完美的圓周運動； 伽利略：一切物體都有合并的趨勢，這種趨勢導(dǎo)致物體做圓周運動；開普勒：受到了來自太陽的類

8、似于磁力的作用。 笛卡兒：在行星的周圍有旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)作用在行星上，使得行星繞太陽運動。進(jìn)一步介紹：到牛頓這個時代的時候，科學(xué)家們對這個問題有了更進(jìn)一步的認(rèn)識，例如胡克、哈雷等，他們認(rèn)為行星繞地球運動受到太陽對它的引力，甚至證明了行星軌道如果為圓形，引力的大小跟太陽距離的二次方成反比，但無法證明在橢圓軌道下，引力也遵循這個規(guī)律。猜測與假設(shè)牛頓在前人的根底上，證明了如果太陽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有引力定律。過渡：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)萬有引力定律。由于受到數(shù)學(xué)知識的限制，我們要對行星繞太陽的運動進(jìn)展簡化，

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

10、不同的，所以不能說。教師活動：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：可以把開普勒第三定律變形為，代入上式得到：或教師活動：我們注意到K是一個與行星無關(guān)，而僅與太陽有關(guān)的常數(shù)，這說明太陽對不同行星的引力，與行星的質(zhì)量成正比，與行星和太陽間距離的二次方成反比。教師活動：但是，如果中心天體的質(zhì)量發(fā)生變化，引力F變不變呢？用疊加的觀點分析此問題，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象，研究的結(jié)果中并

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

12、寫成： ，方向：太陽與行星間引力的方向沿著二者的連線。適用圍：太陽與行星間的引力教師活動：上面，我們用自己的手和腦，得到了太陽與行星間的引力公式。我們今天得到的結(jié)論是萬有引力定律么？講述：通過演繹推理得到的結(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)氖虑椋枰?jīng)過實踐和實驗的檢驗。設(shè)計說明：書本上根據(jù)太陽對不同行星的引力，行星對太陽的引力，推導(dǎo)太陽與行星間的引力為過于牽強(qiáng)附會，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，而用該方法思路過程很嚴(yán)密,學(xué)生容易掌握?！景鍟O(shè)計】太陽與行星間的引力探究1行星饒?zhí)栠\動向心加速度為，根據(jù)牛頓第二定律，太陽對不同行星的引力：探究21太陽對行星

13、的引力大?。航Y(jié)論：或 12行星對太陽的引力結(jié)論： 或23由1、2式得4太陽與行星間的引力：是比例系數(shù)，與太陽、行星都沒有關(guān)系方向：太陽與行星間引力的方向沿著二者的連線。適用圍：太陽與行星間的引力【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)動學(xué)生參與探究的過程，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)生通過獨立思考、合作交流、小組討論的方式完成探究的過程，讓學(xué)生真正體驗科學(xué)探究的方法。太陽與行星間的引力一節(jié)，是為了更突出發(fā)現(xiàn)萬有引力定律的這個科學(xué)過程。如果照搬教材的容，教學(xué)時間顯得太寬松，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)生充分的體會牛頓的科