高中物理 万有引力定律教学设计 新人教版必修2 (2)

用心 爱心 专心1 万有引力定律万有引力定律 教学设计教学设计 一 学习者分析一 学习者分析 一 学习者起始知识技能分析 刚刚学完行星运动 通过史事了解了人们对天体运动的认识过程 知道开普勒发现的 三条定律 前一章学习了曲线运动 从而知道圆周运动需要向心力 能够用角速度 线速 度 周期等物理量描述圆周运动 并且能够用牛顿第二定律分析圆周运动的向心力和向心 加速度 但是在上述物理理论基础上运用数学工具得到太阳与行星之间引力的数学关系 尚存在一定的困难 因此建立万有引力的表达式将成为本节课的难点 根据皮亚杰的图式理论 所有被习得的技能组织成一个联系的网络 知识图式 而 且这个网络中存在着空格 原有的图式结构决定学习者学习过程中对空格的填充方式和内 容 二 学习者学习过程方法的分析 在学习质点和牛顿第一定律时 学习者了解了在物理学习的过程中 为了简化问题 会用到理想的物理模型 然而这种外显行为还没有内化成学习者的内在知识 遇到椭圆 的天体轨道便束手无策了 即便有部分学习者课前预习 知道用到了圆周运动的知识 也是知其然 不知其所以然 这就要求在教学的过程中给予言语指导 帮助学习者在 发现 万有引力定律的过程中建立圆形轨道的物理模型 三 学习者情感态度价值观的分析 自古以来 人们对宇宙的奥秘一直保持着浓厚的兴趣 大部分学习者对本章的学习 兴趣较高 试图通过本章学习了解天体运动及航天 成为航天员是很多男生的梦想 其 在学习过程中常表现出场独立型 更关注有关天体运动的相关资料 而女生对天体运动 感兴趣的程度比之男生有所不及 多数人养成了善于吸收的学习风格 不善于想象和推 理 此外大部分学习者还惯于用眼睛学习 即视觉学习 在当前的形势下 59 2 的学生学习物理动机来自外部 包括高考压力和教师的赏识等 而内部学习动机相对缺乏 只有 32 4 的学生对学习有浓厚兴趣 张学明 高中生物 理学习中主体性体现调查 分析及对策 物理通报 2006 年第 1 期 因此在教学过程中 教育者要注意在万有引力定律得出过程中 让学习者体会复杂运动后面隐藏着简洁的科 学规律 无论是得出规律的过程还是规律本身都饱含科学之美 通过对科学美的展示可 以唤醒学习者的内在学习动机 二 学习任务分析二 学习任务分析 一 学习内容 万有引力定律人民教育出版社 2004 年 6 月第一版 第二次印刷 全日制普通高级中学教科 书 必修 物理第一册 第六章第二节 二 学习内容的类型 根据教育心理学家和教学设计专家 加涅提出的的五种学习结果类型 言语信息 智慧 技能 认知策略 动作技能和态度 本节的目标 智慧技能中的高级规则和态度 不同 类型的学习结果都有其不同的内部条件和外部条件作为支撑 教学就是安排一组被精心设 计来支持内部学习过程的外部事件 智慧技能中高级规则 万有引力定律 学习所需要的外部条件为智慧技能中高级规则 万有引力定律 学习所需要的外部条件为 1 言语教学 刺激学 习者对牛顿定律和圆周运动 相关规则 的回想 2 提出问题 牛顿怎样建立万有引力定 律的呢 策略指导 简化物理模型的应用 3 设置情境 把学习者沉浸到与万有引力定 用心 爱心 专心2 律有关的事情中去 态度学习所需要的外部条件为 态度学习所需要的外部条件为 1 在学习万有引力定律的过程中带有情绪色彩的替代性 经验 2 对牛顿 榜样 发现万有引力定律过程的了解 三 过程任务分析 高级规则是学习者为了解决问题而将不同内容领域的两个或两个以上的规则给予组合 所 以智慧技能的终点通常有两个或更多个次级技能及较简单技能组成 对智慧技能的分析是 从终点技能开始 逆向进行的 如下是万有引力定律的学习层级图 万有引力定律是问题解决的高级规则 是由开普勒三定律 规则 和圆周运动向心力 规则 组合后 经过推广而来 在开普勒定律和向心力组合的过程中需要建立简化的物 理模型 圆轨道 并且需要逻辑思维发挥作用 得到太阳与行星的作用力 这就是本节课 的难点和重点 在得到了太阳和行星之间的作用力 地球和月球之间的作用力属同种性质 的力的基础上 大胆地猜想所有物体间的作用力都符合这条规律需要很大的魄力 进而体 味科学的本质 是本节课重要的情感目标 三 学习策略的制定三 学习策略的制定 一 告知学习者目标 1 知道万有引力定律 2 知道万有引力的普遍性 让他们明白这 节课后应达到的终点技能 二 刺激回忆 根据学习者的能力和特质以及信息加工理论 首先提示学习者有关开普 勒三定律和圆周运动向心力的前提技能 使学习者的思维指向与学习万有引力有关的刺激 用心 爱心 专心3 三 提供学习指导 根据万有引力学习结果的类型所需要的外部条件 以及学习者知识 图式中的空格 加强言语指导 帮助学生建立简化了的行星圆形轨道物理模型 激活学习 者思维 使其追寻牛顿的研究足迹用自己的手和脑重新 发现 万有引力定律 四 强化 根据学习者的学习风格和兴趣 在指导学习者建立出万有引力定律以后 在 多媒体的支持下 重现简化了的牛顿发现万有引力定律的过程 给学习者以视觉刺激 也 给善于吸收的学习者提供营养支持 此外 任何技能习得的外部条件都需要适当练习 创 设新的物理情境 使学生的思维沉浸在有关万有引力的问题之中 运用万有引力定律解决 问题 四 教学目标的阐述四 教学目标的阐述 一 知识技能目标 1 有意义的接受万有引力定律 2 认识到万有引力定律的普遍性 它存在宇宙中任何有质量的物体之间 不管它们之 间是否还有其它作用力 二 过程与方法目标 1 从实际问题 行星的椭圆运动 出发 建立合理的物理简化模型 圆周运动 2 经历牛顿 发现 万有引力定律的类似过程 3 尝试进行大胆的假设和有根据的推广 三 情感态度价值观 1 在 发现 万有引力定律的过程中 体味科学规律的简洁美和物理学法则的普适性 2 领略天上和地面科学规律的统一性 增强探究未知的欲望和信心 3 胆识 教学重点教学重点 有意义的接受万有引力定律 体味科学本质 教学难点教学难点 万有引力定律的建立 五 教学设计实施过程五 教学设计实施过程 教学设计流程 告知学习者目标告知学习者目标 用心 爱心 专心4 刺激回忆刺激回忆 1 开普勒三定律 2 圆周运 动向心力 3 牛顿定律 加强指导加强指导 学生 发现 太阳与行星 之间的作用力 填充知识图式的空格 地月检验地月检验用事实检验苹果下落的力 地球对月球的引力是同一种力 增强 推广的勇气和信心 大胆推广 万有引力定律万有引力定律天上人间规律统一 强化强化用课件重现牛顿发现万有引力定 律的过程 反馈反馈设置新的物理情境 测量学习者 是否习得终点技能 修改教学计划 课堂总结课堂总结 布置作业布置作业 教学 内容 教师创设支持学习者学习的外部条件预设学生活动备注 告知学习者目标告知学习者目标解读教学目标将教学目标转 化为学习目标 新 课 引 入 刺激回忆刺激回忆 屏幕展示开普勒三定律 1 开普勒第一定律 所有行星绕太阳 运动轨道都是椭圆 太阳处椭圆的一 个焦点上 2 开普勒第二定律 对任意一个行星 来说 它与太阳的线在相等的时间内 扫过相等的面积 3 所有行星的轨道半径的长半轴的三 次方跟它的公转周期的二次方的比值 都相等 3 2 a k T 牛顿定律 牛顿第一定律 一切物体总保持匀速 直线运动状态或静止状态 直到有外 力迫使它改变这种状态为止 回忆已有知识 从知识图 式中激活有关开普勒定律 和牛顿三定律的信息 并 进行有机的组合 由开普勒定律得知行星绕 太阳做椭圆运动 由牛顿 定律知道行星做椭圆运动 一定受到力的作用 但是 受到的是什么力以及力的 方向和大小无从得知 帮助学习者将 开普勒定律 牛顿定律从长 时记忆中提取 到短时记忆 这样才能与圆 周运动加以结 合 知识图示的空 格 虽然接触过几 次建立简化 用心 爱心 专心5 牛顿第二定律 物体的加速度跟所受 的合力成正比 跟物体的质量成反比 加速度的方向跟合理的方向相同 Fma 牛顿第三定律 两个物体之间的作用 力和反作用力总是大小相等 方向相 反 作用在一条直线上 圆周运动向心力 2 mv F r 由圆周运动向心力的相关 知识知道作匀速圆周运动 的物体所受合力是指向圆 心的 大小为 2 mv F r 理想化 的 物理模型 但是遇到具体 情况仍然需要 言语指导加以 激活 提出问题提出问题 是什么力使行星绕太阳运 动 这个力如何定量表示 学生思考给 3 分钟的思 考时间 太 阳 与 行 星 间 的 引 力 言语指导 学生言语指导 学生 发现发现 太阳对行星太阳对行星 的作用力的作用力 言语指导 实际上 多数的大行星 的轨道与圆十分接近 所以在研究太 阳与行星作用力的过程中 行星运动 的轨道能够按圆来处理 因此开普 勒定律可简化为 1 多数大行星绕太阳运行的轨道十分 接近圆 太阳处在圆心 2 对某一行星来说 它绕太阳做圆周 运动的角速度不变 即行星做匀速圆 周运动 3 所有行星轨道半径的三次方跟它公 转周期的二次方比值都相等 行星绕太阳运动就可以简化成质点 的匀速圆周运动 知道了行星运动轨道近似看成是圆 轨道 大家能不能得出太阳对行星的 作用力 言语指导 每一个行星的质量轨道半 径以及运动周期各不相同 看看利 用开普勒第三定律 能不能减少表示 太阳对行星引力的物理量 由此可以得到太阳对行星的引力和 成正比 即可以表示成 2 m r 2 m F r 这表明太阳对不同行星的引力 与受 力物体 行星的质量成正比 与二 者之间距离的二次方成反比 板书 得知行星运动轨道可以按 圆处理 许多同学立即动 手寻找行星运动向心力的 定量表示 提取圆周运动的相关知识 分析得知 行星绕太阳作 圆周运动时 受到的力应 该是指向太阳的 而且只 能是太阳给行星的引力 根据向心力表达式 2 mv F r 以及推导太阳对 2 r v T 行星的作用力 得到 2 2 4mr F T 代入将上述公式变 3 2 a k T 形为 2 2 4 m Fk r 结合数学函数意义理解指 导者抽象出的 但 2 m F r 是不明白为什么要抽象成 这种形式 用 2 m F r 屏幕展示太阳 系行星运动轨 道的图片 和 简化了的开普 勒三定律 高一学生抽象 思维不很发达 还是习惯具体 运算 因此教 师将数学是进 行抽象 让学 生理解抽象的 意义即可 用心 爱心 专心6 太阳对行星之作用力 2 m F r 2 2 4 m Fk r 表示 不是更清楚更具体 吗 言语指导 学生言语指导 学生 发现发现 行星对太阳行星对太阳 的作用力的作用力 提示牛顿第三定律 两个物体之间的 作用力和反作用力总是大小相等 方 向相反 作用在一条直线上 言语指导 太阳受到行星的吸引力应 该怎样表示啊 行星受到太阳的引力 太阳也必定受 到行星的引力 F 并且 F 也应该和 太阳的质量 M 成正比和二者之间的 距离二次方成反比 即 2 M F r 板书 行星对太阳的作用力 2 M F r 回忆牛顿第三定律 在指导者帮助下发展理论 逻辑推导能力 顺理成章 的得出 2 M F r 仍有学生执意用 来表示 2 2 4 M Fk r 先让学生回忆 牛顿第三定律 然后教师再给 出 学生在提取出 了牛顿第三定 律的基础上 很容易从行星 受太阳的引力 经过 2 m F r 逻辑推理到太 阳受行星的引 力 2 M F r 言语指导 学生言语指导 学生 发现发现 太阳与行星太阳与行星 间的引力间的引力 言语指导太阳对行星的引力 和行星对太阳的引力 2 m F r 大小相等 那么太阳与 2 M F r 行星间的吸引力具体怎样表示呢 可以概括的说太阳与行星间的引力 与太阳的质量 行星的质量成正比 与二者的距离成反比即 2 Mm F r 就像学习牛顿第二定律时一样 写成 等式就是 其中 G 是 2 Mm FG r 比例系数 112 6 67 10 N mkg 板书 太阳与行星间的引力 2 Mm FG r 知道太阳对行星的引力 和行星对太阳的引 2 m F r 力 大小相等 2 M F r 自己仍然得不到二者之间 引力的表达式 经教师指 导能够接受太阳与行星间 引力为 2 Mm FG r 说到太阳和行 星之间的作用 力相等的时候 学生发现了用 和 2 m F r 表示 2 M F r 的妙处 点头 称是 假设 假设 验证 方法指导验证 方法指导 鼓励 鼓励 大胆推广 大胆推广 言语指导 太阳与行星间的作用力使得行星不飞 离太阳 那么是什么力使得物体不离 思考 为什么物体总会落 回地面 月亮绕着地球转 的力和使物体落回地面的 力是同种力吗 地月检验是万 有引力定律中 必不可少的环 节 为推广至 万有引力提供 用心 爱心 专心7 地 月 检 验 开地球 总要落回地面呢 也就是说 地球与太阳的吸引力会不会与地球吸 引苹果的力是不是同一种力 地球对 表面的物体有作用力 而且随着高度 的增加重力没有明显减弱 那么这个 力可能延伸到远方拉住月亮使其围绕 地球运动 来看看究竟拉着苹果下落 的力 地球与月球之间是否是同一种 力 方法 假设方法 假设 验证 验证 先 假 设 拉 着 苹 果 下 落 的 力 地 球 对 月 球 的 作 用 力 和 太 阳 与 行 星 之 间 的 力 是 同 一 种 力 让学生用事实进行验证 说 明 月球到地球的距离大约是地 球半径的 60 倍 月球的运转周期为 天 月球与地球之间的距 1 27 3 T 离 38 万千米 鼓励进行有胆略的推广鼓励进行有胆略的推广 行星和太 阳之间有相互吸引的力 地球和月亮 之间和地球上的万物之间有这种作用 力 那么任何两个物体之间是不是也 应该有这种作用力呢 在假设的前提下检验月亮 绕着地球转的力和使物体 落回地面的力是同种力 根据太阳与行星之间引力 的表达式和月 2 Mm FG r 球到地球的距离大约是地 球半径的 60 倍 得到地球 上物体的重力加速度 g0和 月球向心加速度 g 之间有 如下关系 再根据圆周向心力表达式 和以及 2 mv F r 2 r v T 月球的运转周期为 T 27 天 得到向心加速 度为 2 2 4 r T 32 2 72 10 m s 证明月亮绕着地球转的力 和使物体落回地面的力应 该是同种力 认为任何物体之间应该都 有引力的作用 了证据 增强 了信心 万有引力的推 广需要勇气和 魄力 学生带 有感情的经历 发现 万有 引力定律的类 似过程是培养 态度的外部条 件 万有引力定律 自 然 界 中 任 何 两 个 物 体 都 相 互 吸 引 引 力 的 大 小与 物 体 的 质 量 和 的 乘 积 成 正 比 与 他 们 之 间 的 距 离 的 二 次 方 成 反 比 即 板书 板书 12 2 Gm m F r 有意义的理解万有引力定 律 领略天地规律统一性 体 味科学的本质 万 有 引 力 定 律 屏幕展示牛顿发现万有引力定律的类 似过程 跟踪牛顿的足迹重新 发 现 万有引力定律 感受科学家的智慧与魄力 给学习者以视 觉刺激 也给 善于吸收的学 习者提供营养 32 0 22 9 8 2