高中物理必修二教案-6.3万有引力定律2-人教版

“万有引力定律”教学设计
内容简析
本节课教学，是在学习了行星绕太阳运动规律的基础上，继续追寻着牛顿探索的足迹，用自己的手和脑，重新“发现”万有引力定律。本节课的思维过程按以下流程展开，力图体现规律得出的过程。
科学猜想：“天上”的力与“人间”的力是否来自同一本源，是否两个物体之间都存在这样的引力？用卡文迪许扭秤实验检验万有引力定律的普适性。这样通过——理论推导
——实验检验——更大胆的猜想过程，让学生在物理情境中主动参与知识的构建，让学生体会大胆的猜想，巧妙验证的科学探索精神与方法
从认识结构来看，在学习万有引力之前，学习已经对力、质量、速度、加速度和向心力，向心加速度等概念有了比较好的理解，并且掌握了自由落体、抛体和匀速圆周等运动学规律，能熟练运用牛顿运动定律解决运动学问题。在此基础上，进一步学习万有引力定律，加强学生对力和运动知识的应用。万有引力定律在高中物理中占有重要地位，是教学的重点，也是难点。
目标定位
一 、知识与技能
了解万有引力定律得出的思路和过程，知道重物下落和天体运动的统一性。
理解万有引力定律的含义并会用万有引力定律公式解决简单的引力计算问题。
知道万有引力定律公式的适用范围，理解万有引力定律中常量的意义。
二、 过程与方法
（1）通过万有引力定律发现的科学过程，发展学生的科学思维能力。
（2）培养学生研究问题时，抓住主要矛盾，简化问题，建立理想模型的处理问题的能力。
三、情感、 态度与价值观
通过对牛顿等科学家发现万有引力过程的介绍和体验，让学生领略科学家对自然奥秘不屈不挠的探索精神和一丝不苟的科学研究态度，感悟科学的结论总是在顽强曲折的科学实践中获得。
培养学生的科学意识、科学精神、科学价值观。通过科学探究的教学方法，激发学生的求知欲，鼓励学生勇于探索
方法阐释
牛顿说过：“没有大胆的猜想，就不可能有伟大的发现。”这一节课的教学在安排上按照科学探究的思路展开，重在介绍万有引力的定律推理的过程，让学生在经历与科学家相似的研究过程中获取知识、领悟科学思想观念和科学家研究自然所用的方法。这是一次生动的科学思维和科学方法的教育。万有引力的推理过程思路清晰，既有定性分析也有定量推导，充满着大胆的设想，特沿着科学探索的精神与方法，是发展学生思维能力的好材料。本节课的教学设计需要充分利用这些材料，让学生沉浸到科学家的发现、猜测、探索中，感悟科学家的研究之路，发展学生的科学思维能力。
教学流程
环节一：创意情境，提出问题，导入新课
用多媒体投影行星绕太阳运动的壮观画面，激发学生的兴趣和热情。
利用此画面提出以下问题：
行星为什么能够绕太阳运动而不会飞离地球？
行星与太阳间的引力与什么因素有关？
可以根据哪些已知规律推导出太阳与行星间的引力遵从什么规律？
以下答案由学生回答，答不全的由其他学生补充，或有老师进一步引导。
行星与太阳间的引力提供行星绕太阳做近似圆周运动的向心力，从而使得行星不能飞离太阳。
行星与太阳间的引力F与太阳和行星之间的距离r、行星质量m和太阳质量M有关。
根据开普勒第一定律、第二定律牛顿第三定律推导出太阳与行星间的引力遵循的规律为false。公式中的G是比例系数，F是太阳与行星的引力，正是太阳与行星之间的引力使得行星不能飞离太阳
通过上节的分析，我们已经知道太阳与行星之间作用力的规律，可以完美的解释行星绕太阳运行的规律。但牛顿并没有停止思考，下面我们继续沿着牛顿等人的探究足迹，来体验万有引力的发现过程。
可以给学生讲一个小故事：一个偶然的事件往往能引发一位科学家思想的闪光。1666年夏末的一个傍晚，在英格兰林肯州乌尔斯索普，一个腋下夹着一本书的年轻人走进他母亲家的花园里，坐在一颗树下，开始埋头读书。当他翻动书页时，他头顶的树枝中有样东西晃动起来。一个历史上最著名的苹果落了下来，打在23岁的牛顿的头上。恰巧在那天，牛顿正苦苦思索着一个问题：是什么力量使月球保持在环绕地球运动的轨道上？为什么打中他脑袋的苹果会坠落到地上？苹果落地个行星绕太阳运动会不会由同一宇宙规律支配？正是思考这一问题开始，他找到了这些问题的答案——万有引力。
我们现在就带着牛顿当时思考的问题继续来体验牛顿发现万有引力的思维过程。
【设计意图】引入牛顿等人总结出的太阳与行星间的引力规律，为本课万有引力定律的发现做铺垫，同时感悟科学家对自然奥秘不屈不挠的探索精神。中间穿插著名的苹果落地的故事引起学生的探索兴趣，激发学生思考地球对苹果引力与太阳与行星间引力是否是同一种力。自然引入，水到渠成。本节课是在太阳与行星间的引力学习之后，所以对上节课的复习必不可少，通过这几个问题的设置，学生会前后衔接，沿着前人的足迹继续探究下去。
环节二：大胆猜想，事实验证
1.演示：老师准备一个苹果由静止释放
多媒体投影，让学生思考下面的问题：
（1）苹果为什么会落下来？苹果为什么不向空中落去？
(2)地球对苹果的引力和太阳对行星的引力是否是同一种力？若真这样，物体离地面越来越远，其受到的地球引力就应该越小。可是，地面上的物体距地面很远时，比如在高山上似乎重力没有明显减弱，是因为还不够远吗？
（3）这个力会不会延伸到更远的地方，如果物体延伸到月球那么远，物体是否也会像月球那样围绕地球运转？地球对月球的力、地球对地面上物体的力、太阳对地球及其他行星的力是否是同一种力？它们之间是否遵循相同的规律？
通过观察苹果的运动，提出问题，让学生进一步设想，并要求学生看课本中的内容，充分讨论，对牛顿当时的思维有一个清晰的了解。本部分内容重在让学生体验当时牛顿的思维过程，问题的答案是次要的。
学生思考、讨论后得出：由于地球对苹果由引力，苹果受到的重力方向竖直向下，其在重力作用下，做竖直向下的自由落体运动。
学生猜想：地球对苹果的引力和太阳对行星的引力可能是同一种力。高山上的物体重力没有明显减弱，可能因为还不够远。
牛顿当时对上述的第三个问题给了肯定的猜想。即牛顿当时猜想：地球对月球及其他行星的力也许真的是同一种力，它们之间应该遵循相同的规律。
老师可进一步设问，这个大胆的想法在当时有没有得到进一步验证？如果有，是怎样验证的？
2.月——地检验：用事实来验证这个大胆的想法
(1)可以根据当时的事实让学生思考。
事实一：当时已经知道月球轨道半径约为地球半径的60倍。
假定维持月球绕地球运动的力与使苹果下落的力真的是同一种力，同样遵从“平方反比”规律，那么由于月球轨道半径约为地球半径(苹果到地心的距离)的60倍，所以月球轨道上一个物体受到的引力，比它在地面附近受到的引力要小，前者只有后者的false。
事实二：在牛顿时代，重力加速度g、月球到地球的距离r、月球的公转周期T都已有精确的测定。
根据牛顿第二定律，物体在月球轨道上运动的加速度（月球公转的向心加速度）也就应该是它在地面附近下落的加速度（自由落体加速度）false
如果上述事实成立，我们的假设即可得到验证。
（2）根据上面的事实思维，可以给学生创设情境，给定具体的当时已知的数据，用前面已有的知识通过定量计算来验证在一问题。
创设情境：在牛顿时代，重力加速度g、月球到地球的距离r、月球的公转周期T都有精确的测定，已知r=3.8×10８m，T=27.3天，g=9.8m/s?，月球轨道半径即月球到地球的距离r为地球半径R的60倍，那么
①在月球轨道上的物体受到的引力F1是在它在地面附近受到的引力F2的几分之一？
②物体在月球轨道上的加速度a（月球公转的向心加速度）是它在地面附近下落的加速度g（重力加速度）的几分之一？
（3）通过创设的情境中数据，让学生进行定量计算。
①设物体的质量为m，在月球轨道上的物体受到引力false，物体在地面附近受到的力false ，则有false。
②设质量为m的物体在月球轨道上运动的加速度（月球公转的向心加速度）为a，则a=r?ｗ，false，r=60R，得false，代入数据解得false。
学生总结：用数据说明了上述设想的正确性，牛顿的设想经受了事实的检验，地球对月球的力、地球对地面物体的力真是同一种力。至此，平方反比律已经扩展到太阳与行星之间，地球与月球之间、地球对地面物体之间。
【设计意图】通过本环节的学习，重在培养学生逻辑思维能力和大胆猜想能力。通过启发式的设问，使牛顿的想法能够激发学生提出更多的问题。通过本环节的设计，让学生了解伟大的猜想还得经过事实的验证，通过创设情境，引导学生定量计算，用无可辩驳的事实证明猜想的正确性，增强学生的理性认识。
环节三：解放思想，进一步猜想
师：既然太阳与行星之间、地球与月球之间、地球与地面物体之间具有两个物体的质量成正比、跟它们距离的二次方成反比的引力。那么我们可以更大胆地设想：是否任何两个物体之间都存在这样的力？
很可能有，只是因为我们身边的物体质量比天体的质量小得多，不易察觉罢了，于是我们可以把这一规律推广到自然界中任意两个物体间，即具有划时代意义的万有引力定律。
让学生带着问题阅读教材
万有引力定律怎样反映物体之间相互作用的规律？其数学表达式如
何？并注明每个符号的单位和物理意义。
万有引力定律的适用条件是什么？
你认为万有引力定律的发现有何深远意义？
提出问题，引导学生根据问题阅读教材小标题“万有引力定律”部分。
教师引导总结：
（1）万有引力定律的内容是：宇宙间一切物体都是相互吸引的。两物体间的引力大小，跟它们质量的乘积成正比，跟它们间距离的平方成反比。
false式中各物理量的含义及单位：F为两个物体间的引力，单位为N；m1、m2分别表示两个物体的质量，单位为kg；r为两个物体间的距离，单位为m；万有引力常量为G=6.67×10-11 N·m?/kg?，它在数值上等于质量为1kg的两个物体相距1m时的相互作用力，单位为N·m?/kg?。
（2）万有引力定律只适用于两个质点间的引力，当物体之间的距离远大于物体本身时，物体可看成质点；当物体是质量分布均匀的球体时，它们间 的引力也可以直接用公式计算，但式中的r是指两球心间的距离。
教师强调对万有引力定律的几点理解。
普遍性：万有引力存在于任何两个物体之间，只不过一般物体的质量与星球相比太小了，他们之间的万有引力也非常小，完全可以忽略不计。
相互性：两个物体相互作用的引力是一对作用力与反作用力。
适用性：只适用于能看成质点的两个物体间的引力。
（3）万有引力定律的发现有着重要的物理意义：它对物理学、天文学的发展具有深远的影响；它把地面上物体运动的规律和天体运动的规律统一起来；对科学文化发展起到了积极的推动作用，解放了人们的思想，给人们探索自然的奥秘建立了极大信心，人们有能力理解天地间的各种事物。
师：请同学们考虑以下问题。
既然自然界中任何两个物体间都有万有引力，为什么当两个人接近时他们不会吸在一起？我们通常分析物体的受力时是否需要考虑物体间的万有引力？
（1）请估算两位同学相距1m时，他们间的万有引力多大（可设他们的质量均为50kg）？
（2）已知地球的质量约为6.0×1024kg，地球半径为6.4×106m，请估算其中一位同学和地球之间的万有引力又是多大？
（3）已知地球表面的重力加速度g=9.8m/s?，则其中这位同学所受重力是多少？并比较万有引力和重力。
以下解答应有学生给出，找两位同学上黑板分别解答。
根据情景中数据，学生进行估算。
（1）由万有引力定律得false代入数据得F=1.7×10-7N。
由此数据可看出，一般物体间的万有引力是非常小的，我们平常很那感觉到，所以在平时的计算中，我们可以忽略一般物体之间的万有引力，万有引力定律真正意义的应有是在天体之间。
（2）由万有引力定律得false，代入数据得F2=493N。
（3）G=mg=490N，万有引力比重力大。原因是在地球表面上的物体所受万有引力可分解为重力和自转所需的向心力。
环节四：伟大的猜想，巧妙的验证
教师提出问题，让学生阅读教材
（1）万有引力常量是由谁测出的？
牛顿发现了万有引力定律，却没有给出引力恒量的数值。由于一般物体间的引力非常小，用实验测定及其困难。直到一百多年之后，才由英国的卡文迪许用精巧的扭秤测出。
（2）万有引力常量的测定有何实际意义？
卡文迪许测定引力恒量G，表明万有引力定律适用于地面的任何两个物体，用实验的方法进一步证明了万有引力定律的普适性；同时使得包括计算星体体质量在内的关于万有引力定律的定量计算成为可能。
【设计意图】启发学生更大胆的猜想，并在教师设问中，自主阅读教材，做到有的放矢，最后引导学生讨论总结回答问题，在增强学生的科学表达能力的同时，让学生体会；物理学许多重大理论的发现，不是简单的实验结果的总结，它需要直觉和想象力、大胆的猜想和假设，这是，这是最后一步的猜想似乎简单，但牛顿当时的魄力、胆识、和惊人的想象力实在让人佩服，虽然这一步猜想无法得到事实验证，但可以通过实例创设情境，提出问题，真实的物理情境能够迅速吸引学生的注意力，调动其解决问题的兴趣，学生根据情境中的数据，进行估算和比较，锻炼估算能力，体会我们平时为什么对万有引力没有感觉以及引力和重力的差别.
环节五：自我总结，深化理解
让学生自己总结这节课学习的内容和方法，画出本节课的思维导图，写出牛顿发现、猜想、探索、检验的思路方法.
【设计意图】系统梳理知识和方法，加深理解和掌握.
教有所思
本节课在尊重历史事实的前提下，通过一些逻辑思维的铺垫，让学生带着现有的知识基础处身于历史背景下，经历一次自己‘发现’万有引力的过程，通过引导学生大胆地猜想，体会科学家的科学精神，也展现了科学发展过程中科学家们富有创造而又严谨的科学思维，很好的培养了学生的猜想、归纳、联想、直觉的思维能力，每一个环节都让学生积极思考，主动参与，设置情境调节课堂气氛，增强学生积极主动学习的兴趣，同时设置一些情境问题，让学生通过事实数据的简单运算，加深对万有引力定律的理解，从教学的过程看，本节课的课堂气氛活跃，学生对知识的了解比较到位，但是本节课的设计也存在着一些不足，因为万有引力定律的发现，基本是一个思维过程，在以前应试教育的教导下，学生对于这种教学方式不太适应，老师设置的有些环节也比较唐突，无法很好的衔接.