高中物理課萬(wàn)有引力定律教學(xué)設(shè)計(jì)
【教材分析】
物理學(xué)的發(fā)端始于人類對(duì)理解星體運(yùn)行的追求。三百多年前，萬(wàn)有引力定律的發(fā)現(xiàn)堪稱人類文明與理性探索進(jìn)程中最壯麗的詩(shī)篇，其所體現(xiàn)出的科學(xué)智慧的震撼力， 至今仍為世人所嘆服，它第一次把看似毫不相關(guān)的地上與天上運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一起來(lái)，第一次揭示大自然的對(duì)稱和諧與物理規(guī)律表達(dá)簡(jiǎn)潔而含蓄的內(nèi)在美，并作為牛頓的“從 運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象研究自然力”的又一個(gè)科學(xué)思辨范例，而不斷為歷代科學(xué)家所效仿。從物理學(xué)史進(jìn)程中，可以看出《萬(wàn)有引力定律》這節(jié)內(nèi)容是對(duì)上兩節(jié)課教學(xué)內(nèi)容的進(jìn)一 步推演，并與之構(gòu)成本章的第一單元內(nèi)容。同時(shí)，本節(jié)內(nèi)容也是下節(jié)課教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)，是本章的教學(xué)重點(diǎn)，在高中物理中占有重要地位。因此萬(wàn)有引力定律的教學(xué) 絕不能僅限于具體知識(shí)的講解、記憶與實(shí)際的應(yīng)用，更應(yīng)強(qiáng)調(diào)人類對(duì)天體運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)以及建立萬(wàn)有引力定律的探究過(guò)程，把教學(xué)重點(diǎn)放在“引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)萬(wàn)有引力定 律發(fā)現(xiàn)過(guò)程中的思路和方法”上。然而，除了教材與教參已有的介紹外，我們對(duì)物理學(xué)史上這段輝煌史實(shí)真正了解多少？我們能否把握整個(gè)發(fā)現(xiàn)過(guò)程中的探索脈絡(luò)， 并將從中領(lǐng)悟到的思想精髓介紹給學(xué)生？由此看來(lái)，要教好新教材中的萬(wàn)有引力定律一章，適當(dāng)擴(kuò)展相應(yīng)的知識(shí)背景，了解有關(guān)牛頓引力理論的現(xiàn)代評(píng)述，就顯得十 分必要了。
【學(xué)生分析】
從知識(shí)結(jié)構(gòu)來(lái)看，在學(xué)習(xí)萬(wàn)有引力定律前，學(xué)生已經(jīng)對(duì)力、重力、向心力、太陽(yáng)對(duì)行星的引力、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。
從知識(shí)建構(gòu)的進(jìn)程來(lái)看，在上一節(jié)中學(xué)生經(jīng)歷了太陽(yáng)與行星間引力的探究過(guò)程，從中向?qū)W生滲透了發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題、猜想假設(shè)、推理論證等方法思想，依照 學(xué)生的認(rèn)知心理特點(diǎn)，播放兩個(gè)視頻片段月球繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)和蘋果落地，很容易在他們腦中形成這樣一個(gè)問(wèn)題：地球?qū)υ虑虻囊偷厍驅(qū)μO果的引力會(huì)不會(huì)就是同一 種力呢？從而為進(jìn)一步探究萬(wàn)有引力定律的發(fā)現(xiàn)過(guò)程，確定了切入點(diǎn)。
然而高一學(xué)生其思維方式容易停滯在知識(shí)接受層面，而忽視概念間、規(guī)律間的相互聯(lián)系，且很多學(xué)生不能建立明確的動(dòng)態(tài)的物理圖像或物理情景，進(jìn)而無(wú)法通過(guò)同化 和順應(yīng)，完成知識(shí)的建構(gòu)過(guò)程。因此，在教學(xué)過(guò)程中要注重從學(xué)生實(shí)際入手，依據(jù)學(xué)生認(rèn)知規(guī)律，注重創(chuàng)設(shè)物理情景，創(chuàng)造和諧的課堂氛圍，進(jìn)行互動(dòng)討論探究式教 學(xué)。
【教學(xué)目標(biāo)】
1.知識(shí)和技能目標(biāo)
（1）掌握月—地檢驗(yàn)。
（2）知道萬(wàn)有引力定律的內(nèi)容、表達(dá)式和適用條件，會(huì)解決簡(jiǎn)單的引力計(jì)算問(wèn)題。
2.過(guò)程和方法目標(biāo)
學(xué)習(xí)物理規(guī)律提出猜想—理論推導(dǎo)—實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的科學(xué)研究方法。
3.情感、態(tài)度和價(jià)值觀目標(biāo)
�。�1）經(jīng)歷萬(wàn)有引力定律的發(fā)現(xiàn)過(guò)程，激發(fā)學(xué)生科學(xué)探究的興趣。
（2）通過(guò)引力常量的測(cè)量簡(jiǎn)介，說(shuō)明科學(xué)研究的長(zhǎng)期性，提高學(xué)生的科學(xué)價(jià)值觀。
【教學(xué)重點(diǎn)】
萬(wàn)有引力定律及適用條件。
【教學(xué)難點(diǎn)】
月地檢驗(yàn)的思路。
【教學(xué)設(shè)計(jì)思想】
通過(guò)提出猜想—理論推導(dǎo)—實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)過(guò)程，讓學(xué)生在物理情景中主動(dòng)的參與知識(shí)的構(gòu)建過(guò)程，體會(huì)這種大膽的猜想、已有理論的應(yīng)用、巧妙的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)和從中體現(xiàn)著的科學(xué)探索的精神與方法。
【教學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程】
一、新課引入
通過(guò)上節(jié)課的學(xué)習(xí)，我們已經(jīng)知道了太陽(yáng)與行星間的引力遵從平方反比律： 。
公式中的G是比例系數(shù)，F(xiàn)是太陽(yáng)和行星之間的引力，提供行星繞太陽(yáng)近似圓周運(yùn)動(dòng)的向心力，正是這個(gè)引力使得行星不能飛離太陽(yáng)。
『設(shè)計(jì)說(shuō)明』：通過(guò)上述介紹，旨在讓學(xué)生回憶上節(jié)課內(nèi)容，回顧萬(wàn)有引力定律發(fā)現(xiàn)過(guò)程的前一半，從而為接下來(lái)的研究奠定基礎(chǔ)，進(jìn)而引出新課。
二、教授新課
（一）提出猜想
觀察視頻，提出問(wèn)題。（引導(dǎo)學(xué)生回答，教師及時(shí)糾正補(bǔ)充）
月球?yàn)槭裁蠢@地球做圓周運(yùn)動(dòng)？
由于月球受到地球?qū)λ奈Α?/p>
蘋果為什么向下運(yùn)動(dòng)而不向上運(yùn)動(dòng)？
蘋果在其重力作用下落向地面。
那么受到的重力又是怎么產(chǎn)生的呢？
由于地球?qū)μO果的吸引力而產(chǎn)生的。
我們很自然的想到，地球?qū)υ虑虻囊偷厍驅(qū)μO果的引力會(huì)不會(huì)就是同一種力呢？
按照我們物理學(xué)的研究規(guī)律，為了解釋某種現(xiàn)象，提出猜想，這是理論，然后再去檢驗(yàn)是否正確。物理學(xué)就是在不斷的檢驗(yàn)完善中前進(jìn)的。同樣我們的猜想是否正確也需要事實(shí)的檢驗(yàn)。那么請(qǐng)同學(xué)們思考下面幾個(gè)問(wèn)題。
『設(shè)計(jì)說(shuō)明』：通過(guò)月球繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)和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(wàn)有引力定律的故事情景，激發(fā)學(xué)生的興趣與想像力。
（二）月地檢驗(yàn)
創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，學(xué)生討論，教師引導(dǎo)，互動(dòng)探究。
檢驗(yàn)天上和地上的力是否是同一種力，需要選誰(shuí)為研究對(duì)象？
假定設(shè)想成立，天上和地上是同一種力，遵循相同的規(guī)律—平方反比律，那么蘋果和月球受到的力該如何表示呢？
（這是理論猜想）
實(shí)際上月球受到的力可以如何求解呢？
�。ㄌ崾荆和ㄟ^(guò)天文觀測(cè)，我們已經(jīng)知道了月球繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)，能不能利用圓周運(yùn)動(dòng)的知識(shí)來(lái)求解呢？）
而蘋果受到的力我們已經(jīng)知道為 。
接下來(lái)，請(qǐng)同學(xué)們思考，要驗(yàn)證我們的猜想，我們需要測(cè)量什么物理量？驗(yàn)證什么表達(dá)式呢？
（學(xué)生回答，教師引導(dǎo)總結(jié)。）
我們猜想天上地上是同一種力，天上的力是猜想，是理論，地上的力是實(shí)際，是檢驗(yàn)，我們就是要驗(yàn)證猜想和實(shí)際是否相等。只選擇一個(gè)研究對(duì)象月球或蘋果，因比 例系數(shù)G未知，所以無(wú)法檢驗(yàn)。我們可以選取兩個(gè)研究對(duì)象，研究它們的比值關(guān)系，實(shí)際就是月球和蘋果的加速度關(guān)系，來(lái)完成實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)，這就是著名的月地檢 驗(yàn)。我們一起來(lái)看一下檢驗(yàn)的思路。
檢驗(yàn)思路
�、偻ㄟ^(guò)猜想利用引力的平方反比律和牛頓第二定律計(jì)算地球表面蘋果的加速度和月球的向心加速度。
�、谕ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，利用已有規(guī)律，得到月球的向心加速度和地球表面蘋果的加速度。
�、劬C合以上結(jié)果，看加速度比值關(guān)系，比較猜想與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的數(shù)據(jù)，得出結(jié)論。
好，請(qǐng)同學(xué)們開(kāi)始驗(yàn)證。展示學(xué)生的推導(dǎo)過(guò)程。
結(jié)論：在誤差允許的范圍內(nèi)，理論推導(dǎo)與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)得到的結(jié)果是相等的。
『設(shè)計(jì)說(shuō)明』：通過(guò)創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情景，引導(dǎo)學(xué)生討論探究檢驗(yàn)思路，進(jìn)行定量計(jì)算，掌握月地檢驗(yàn)，用無(wú)可辯駁的事實(shí)證明猜想的正確性，增強(qiáng)學(xué)生的理性認(rèn)識(shí)，學(xué)習(xí)物理規(guī)律提出猜想—理論推導(dǎo)—實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的`科學(xué)研究方法，同時(shí)經(jīng)歷萬(wàn)有引力定律的發(fā)現(xiàn)過(guò)程，激發(fā)學(xué)生科學(xué)探究的興趣。
�。ㄈ┤f(wàn)有引力定律
猜想：宇宙中一切物體之間會(huì)不會(huì)都存在這樣的力呢？
現(xiàn)在我們提到萬(wàn)有引力似乎是老生常談，但是，牛頓當(dāng)時(shí)的魄力、膽識(shí)和驚人的想象力實(shí)在讓我們佩服。這最后一步假設(shè)，雖然無(wú)法得到直接驗(yàn)證，但是我們也沒(méi)有反駁它的理由，而且，以后的無(wú)數(shù)事實(shí)都支持了這一點(diǎn)—萬(wàn)有引力定律。請(qǐng)同學(xué)們看課本了解定律的內(nèi)容。
1.內(nèi)容
自然界中任何兩個(gè)物體都相互吸引，引力的大小與物體的質(zhì)量m1和m2的乘積成正比，與它們之間距離r的二次方成反比。即
――《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》1687年牛頓著
式中各物理量的含義及單位：F為兩個(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)物體間的距離，單位：m；G為萬(wàn)有引力常量。
2.引力常量
牛頓得出了萬(wàn)有引力與物體質(zhì)量及它們距離的關(guān)系，但卻無(wú)法算出兩個(gè)天體之間萬(wàn)有引力的大小，因?yàn)樗恢酪ΤＡ縂的值。這個(gè)問(wèn)題在一百多年以后，才被英 國(guó)的物理學(xué)家卡文迪許（1731年－1810年）在實(shí)驗(yàn)室里通過(guò)扭秤對(duì)幾個(gè)鉛球之間的萬(wàn)有引力測(cè)量而解決，測(cè)出了引力常量G。（展示課件圖片，簡(jiǎn)單講解實(shí)驗(yàn)的原理與思想：鉛球之間的引力使T形架轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)金屬絲扭轉(zhuǎn)，我們可以利用力矩平衡的知識(shí)來(lái)計(jì)算鉛球之間的萬(wàn)有引力的大小。因金屬絲的扭轉(zhuǎn)程度很小，不易觀察測(cè)量，所以在T形架上安裝了一個(gè)小鏡，讓激光器照出的激光經(jīng)小鏡反射后落在標(biāo)尺上，小鏡轉(zhuǎn)動(dòng)后，測(cè)量光點(diǎn)在標(biāo)尺上移動(dòng)的距離，利用光放大的原理確定金屬絲的扭轉(zhuǎn)程度，進(jìn)而測(cè)出引力，確定引力常量。）
目前推薦的標(biāo)準(zhǔn)值為G＝6.67259×10－11N·m2/Kg2，通常取G＝6.67×10－11N·m2/Kg2，（板書：引力常量G＝6.67×10－11N·m2/Kg2）它在數(shù)值上等于質(zhì)量是1Kg的物體相距1米時(shí)的相互作用力，單位：N·m2/kg2。 （強(qiáng)調(diào)掌握物理常量數(shù)量級(jí)的重要性）和以后我們將學(xué)習(xí)的靜電力常量一樣，引力常量是自然界中少數(shù)幾個(gè)最重要的物理常量之一。完成扭秤試驗(yàn)后，卡文迪許又測(cè) 量了多種物體間的引力，所得結(jié)果與利用引力常量G按萬(wàn)有引力定律計(jì)算所得結(jié)果相同。所以，引力常量的普適性成為萬(wàn)有引力定律正確性的見(jiàn)證，它為萬(wàn)有引力定 律的普遍意義奠定了強(qiáng)有力的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。在導(dǎo)學(xué)案上，給大家準(zhǔn)備了引力常量測(cè)定的資料介紹，希望同學(xué)們課下自己閱讀，了解其實(shí)驗(yàn)的原理與思想。
萬(wàn)有引力定律我們已經(jīng)得到。
問(wèn)題：如何使用萬(wàn)有引力定律進(jìn)行簡(jiǎn)單的計(jì)算呢？學(xué)生討論回答。
好，請(qǐng)看問(wèn)題！兩個(gè)質(zhì)量均為50Kg的人互相接觸時(shí)的萬(wàn)有引力如果用定律計(jì)算，結(jié)果好像是無(wú)窮大，那么這兩個(gè)人永遠(yuǎn)不會(huì)分開(kāi)了。是我們好不容易得到的定律錯(cuò)了？還是我們?cè)谑褂枚蓵r(shí)忽視了什么呢？這就是我們要繼續(xù)學(xué)習(xí)的萬(wàn)有引力定律的適用條件。
3.適用條件
�。�1）萬(wàn)有引力定律只適用于質(zhì)點(diǎn)間引力大小的計(jì)算。當(dāng)兩物體間的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于每個(gè)物體的尺寸時(shí)，物體可以看成質(zhì)點(diǎn)，直接使用萬(wàn)有引力定律計(jì)算。（模型）
研究相互接觸的兩個(gè)人之間的萬(wàn)有引力時(shí)，不能把他們看作質(zhì)點(diǎn)。
�。�2）當(dāng)兩物體是質(zhì)量均勻分布的球體時(shí)，它們間的引力也可直接用公式計(jì)算，但式中的r是指兩球心間距離。
研究太陽(yáng)和地球之間的萬(wàn)有引力，可以把它們看作質(zhì)量均勻的球體。
當(dāng)研究物體不能看成質(zhì)點(diǎn)時(shí)，可以把物體假想分割成無(wú)數(shù)個(gè)質(zhì)點(diǎn)，求出兩個(gè)物體上每個(gè)質(zhì)點(diǎn)與另一物體上所有質(zhì)點(diǎn)的萬(wàn)有引力，然后求合力，這是微積分的思想。
萬(wàn)有引力定律產(chǎn)生于對(duì)太陽(yáng)系行星運(yùn)動(dòng)的研究，但它對(duì)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的適用性卻要廣泛得多�？梢赃@樣說(shuō)，宇宙中凡有引力參與的一切復(fù)雜的現(xiàn)象，無(wú)不要?dú)w結(jié)到這樣一條十分簡(jiǎn)潔的定律之中，這不能不使人驚嘆宇宙萬(wàn)物超乎尋常的和諧及人類理性思考所具有的統(tǒng)攝力。
4.實(shí)踐探究
創(chuàng)設(shè)情景：既然自然界中任何兩個(gè)物體間都有萬(wàn)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(duì)這種作用沒(méi)有任何感覺(jué)呢？
根據(jù)情景中數(shù)據(jù)，學(xué)生進(jìn)行估算：
�、僬�(qǐng)估算兩位同學(xué)，相距5m遠(yuǎn)時(shí)它們間的萬(wàn)有引力多大？（可設(shè)他們的質(zhì)量為50kg）
解：由萬(wàn)有引力定律得：
代入數(shù)據(jù)得：F1=6.67×10-9N
②已知地球的質(zhì)量約為6.0×1024kg，地球半徑為6.4×106m，請(qǐng)估算其中一位同學(xué)和地球之間的萬(wàn)有引力又是多大？
解：由萬(wàn)有引力定律得：
代入數(shù)據(jù)得：F2=489N
小結(jié)：由此可見(jiàn)通常物體間的萬(wàn)有引力極小，一般不易感覺(jué)到。而物體與天體間的萬(wàn)有引力（如人與地球）就不能忽略了。
5.對(duì)萬(wàn)有引力定律的理解
①普遍性：萬(wàn)有引力存在于任何兩個(gè)物體之間。
�、谙嗷バ裕簝蓚�(gè)物體相互作用的引力是一對(duì)作用力與反作用力。
�、厶厥庑裕簝蓚�(gè)物體間的萬(wàn)有引力和物體所在的空間及其他物體存在無(wú)關(guān)。
�、苓m用性：只適用于兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)間的引力。
6.意義
萬(wàn)有引力定律的發(fā)現(xiàn)對(duì)物理學(xué)、天文學(xué)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)的影響；以前上千年才能觀測(cè)到一顆行星，通過(guò)萬(wàn)有引力定律的指導(dǎo)，我們?cè)谥付ㄎ恢煤芸炀桶l(fā)現(xiàn)了新的行星，給人們探索自然的奧秘建立了極大信心。
『設(shè)計(jì)說(shuō)明』：讓學(xué)生知道萬(wàn)有引力定律的內(nèi)容、表達(dá)式和使用條件，體會(huì)物理學(xué)許多重大理論的發(fā)現(xiàn)，不是簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)總結(jié)，它需要直覺(jué)、想像 力、大膽的猜想和假設(shè)。通過(guò)閱讀材料，使學(xué)生體會(huì)卡文迪許扭秤實(shí)驗(yàn)精巧的實(shí)驗(yàn)方法，知道科學(xué)研究的長(zhǎng)期性，提高學(xué)生的科學(xué)價(jià)值觀。通過(guò)題目練習(xí)，學(xué)生進(jìn)行 估算和比較，從中鍛煉學(xué)生的估算能力，體會(huì)萬(wàn)有引力常量數(shù)量級(jí)的重要性，加深對(duì)萬(wàn)有引力定律的理解。
【課堂小結(jié)】
學(xué)生體會(huì)：發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力定律的思維過(guò)程：提出猜想──理論推導(dǎo)──實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)
『設(shè)計(jì)說(shuō)明』：通過(guò)黑板或多媒體展示本節(jié)課知識(shí)，在教師引導(dǎo)下，幫助學(xué)生構(gòu)建自己的知識(shí)框架。
【布置作業(yè)】
1.閱讀資料，了解引力常量的測(cè)量原理和方法。
2.課本問(wèn)題與練習(xí)2、3題。
『設(shè)計(jì)說(shuō)明』：通過(guò)學(xué)生課下閱讀引力常量的測(cè)量簡(jiǎn)介資料，說(shuō)明科學(xué)研究的長(zhǎng)期性，提高了學(xué)生的科學(xué)價(jià)值觀。
【教學(xué)設(shè)計(jì)后記】
本節(jié)課我對(duì)牛頓發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力定律的過(guò)程，通過(guò)創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情景，讓學(xué)生以科學(xué)家的角度分析、思考問(wèn)題，經(jīng)歷萬(wàn)有引力定律的發(fā)現(xiàn)過(guò)程，激發(fā)學(xué)生科學(xué)探究的興趣，體會(huì)牛頓的偉大，了解科學(xué)家提出猜想—理論推導(dǎo)—實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的科學(xué)研究方法。
在本節(jié)課的教學(xué)中，我通過(guò)精心設(shè)計(jì)問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生從選擇研究對(duì)象入手，設(shè)計(jì)檢驗(yàn)過(guò)程，基本解決了學(xué)生對(duì)月地檢驗(yàn)的理解困難，用事實(shí)引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷萬(wàn)有引力定律的得出過(guò)程，加深了學(xué)生對(duì)萬(wàn)有引力定律的認(rèn)識(shí)。
總體說(shuō)來(lái)，教學(xué)目標(biāo)基本實(shí)現(xiàn)。
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