万有引力定律教学设计

1、万有引力定律教学设计 浙江省苍南县灵溪第二高级中学陈和锋 【教材分析】 万有引力定律的发现过程犹如一部壮丽的科学史诗，它歌颂了前辈科学家的科学精神，也展现了科 学发展过程中科学家们富有创造性而又严谨的科学思维，是发展学生思维能力难得的好材料，本节 课内容充分利用这些材料发展学生的科学思维能力。 教科书在尊重历史事实的前提下，通过一些逻 辑思维的铺垫，让学生以自己现有的知识基础身于历史的背景下，经历一次“发现”万有引力的过 程： T行星运动 现察方法義得规律;行星运动的开普勒定律地球使地面上物体下落的力，与太阳使行星运动的 力是不是同一种力？ 弟万有藉想得到检验:月-地检验 引力定律臾大解地猜憩

2、:自然界住意两个物体之可是否都有这样的力？ 得到万有引力定律。 从上述物理学史进程中，可以看出万有引力定律这节内容是对上两节课教学内容的进一步 推演，并与之构成本章的第一单元内容。 同时，本节内容也是下节课教学内容的基础，是本章的教 学重点，在高中物理中占有重要地位。 【学生分析】 从知识结构来看，在学习万有引力定律前，学生已经对力、重力、向心力、太阳对行星的引力、力卩 速度、重力加速度（即自由落体运动的加速度）、向心加速度等概念有了较好的理解，并且掌握自 由落体运动和圆周运动等运动规律，能熟练运动牛顿运动定律解决动力学问题。已经完全具备深入 探究和学习万有引力定律的起点能力。 从知识建构的历

3、史进程来看，在上一节中学生经历了太阳与行星间引力的探究过程， 从中向学 生渗透了发现问题、提出问题、猜想假设、推理论证等方法思想，依照学生的认知心理特点，同时 根据上节课“说一说”中的问题，很容易在他们脑中形成这样一个问题：太阳与行星间引力规律是 否适用于我们与地球间的相互作用？从而为我们进一步演绎万有引力定律“发现之旅”，确定了转 接点，也引入本节新课内容。 然高一学生其思维方式容易停滞在知识接受层面，而忽视概念间、规律间的相互联系，且很多 学生不能建立明确的动态的物理图像或物理情景，进而无法通过同化和顺应，完成知识的建构过程。 因此，在教学过程中要注重从学生实际入手，依据学生认知规律，注重

4、创设物理情景，创造和谐、 民主、自由课堂气氛，进行探究教学。 【教学目标】 一、知识与技能 1、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。 2、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。 3、知道万有引力定律公式的适用范围。 4、理解万有引力常量的意义及测定方法，了解卡文迪许实验室。 二、过程与方法 1、在万有引力定律建立过程的学习中， 学习发现问题、提出问题、猜想假设与推理论证等方法。 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 1、通过牛顿在前人的基础上发现万有引力定律的思考过程，说

5、明科学研究的长期性，连续性及 艰巨性，提高学生科学价值观。 2、经过万有引力常量测定的学习，让学生体会科学的方法论和物理常量数量级的重要性 【教学重点】 1、月- 地检验的推到过程。 2、万有引力定律的内容及表达公式。 【教学难点】 1、对万有引力定律的理解。 2、使学生能把地面上的物体所受重力与其他星球与地球之间存在的引力是同性质的力联系起 来。 【教学设计思想】 在本节课教学，将让学生继续经历上节课的万有引力定律 “发现之旅”，为此使整个教学流程力图 体现如下规律发现过程 : 学生活动 （引导学生回答，教师及时纠正补 充） 行星为什么能够绕太阳运转而不会飞离 太阳？ 行星与太阳间的引力提供

6、作为行星 绕太阳近似圆周运动的向心力，从而 使得行星不能飞离太阳。 进一步嚣毎:利夭上的力对人阖神的力可能岀于冋一本源了 月电秽釐:迖个大脛的杷法要由事实检验。 更大或地猜想:是蕃任意商个物体之间邪存在这样的引力亍 怪到有引力龙律,戸二G牛严CG駅I力常量h 检越*常弓I力定律釣着运性乂卡丈迪许测定万有别力常量匚 通过这个假想一一理论推导一一实验检验过程， 让学生在物理情景中主动的参与知识的构建过 程，体会这种充满着大胆的设想、巧妙的验证和从中体现着的科学探索的精神与方法。 【教学设计过程】 、新课引入 教师活动 通过上节的分析，我们已经知道了我们太 阳与行星间的引力规律，那么： 行星与太阳间

7、的引力与什么因素有关? 可以根据哪些已知规律推导出推出太阳 与行星间的引力遵从的是什么样的规 律？ 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、第二定律和牛顿第 三定律推出太阳与行星间的引力遵 公式中的G是比例系数，F是太阳和行星 之间的引力，正是太阳和行星之间的引力 使得行星不能飞离太阳。那么大家想到 过，又是什么力使得地面的物体不能离开 地球，总要落回地面呢？ 为了研究这个问题，下面我们继续来体 验一下：牛顿发现万有引力定律的思维过 程。 设计说明：通过上述回忆性问题，旨在让学生回忆上节课内容，回顾万有引力定律“发现之旅”前 半程，从而为

8、下半程“之旅”奠定基础，进而引出新课。 、教授新课 （一）进一步猜想 教师活动 学生活动 演示：将塑料制成且内部空心的苹果置于 （观察苹果的运动，启发学生提出问 某位学生头顶不远处，静止释放。 题，并进行思考讨论） 诱思： 1.由于重力方向竖直向下，苹果在 其重力作用下，在这位同学头顶正上 方可认为做竖直向下的自由落体运 1苹果为什么只砸向这位同学，而不是 动。 砸向其他同学呢？ 2.由于地球对平果的吸引力而产生 2那么受到重力又是怎么产生的呢？ 的。 3.地球对苹果的引力和太阳对行星的引 3.可能是同一种丿J。 力是否根本就是同一种力？若是这样，物 体离地面越远，其受到地球的引力就应该 越小

9、，比如我们爬到高山上时，察觉到我 没有明显减弱，可能因为还不够远。 们受到重力减小了？为什么？ 4.可能这个物体会象月球那样绕着 4.这样的高度比起天体之间的距离来说， 简直太小了。如果我们再往远处设想，物 体延伸到月球那么远，物体将会怎么样运 动？ 地球运动。 于是我们可以提出这样的 猜想：太阳对行 星的引力，地球对月球的力，地球对地面 上物体的力，也许真是同一种力，遵循相 同的规律？ 设计说明：通过苹果自由下落的物理情景，唤醒学生脑中当年由苹果落地而引起遐想进而发现 万有引力定律的故事情景，从而启发学生设问，使牛顿的想法能够激发学生的兴趣与想像力。 （二）月-地检验 教师活动 学生活动 假

10、疋上述猜想成立，月球和平果的地位相 当，则地球对月球的力与地球对平果的力 应该同样遵从“平方反比”律，即 r ，那么月球轨道上的物体受到 的引力比他在地面附近受到的引力要小。 创设情景： 在牛顿时代，重力加速度g、月-地的距 离r、月球的公转周期T都能精确的测定， 已知 r=3 . 8X 108m T=27 . 3天， g=9. 8m/s2，月球轨道半径即月-地的距 离r为地球半径R的60倍，那么： 在月球轨道上的物体受到的引力 Fi是 它在地面附近受到的引力F2的几分之 一? 物体在月球轨道上的加速度a （月球公 转的向心加速度）是它在地面附近下洛的 加速度g重力加速度（重力加速度）的几 分

11、之一？ 可见：用数据说明上述设想的正确性，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 （通过创设情景中数据，让学生进行 定量计算） 设物体的质量为m在月球轨道上 % = G七 的物体受到的引力r，物 体在地面附近受到的R2 ， f 则有码/ 设质量为m的物体在月球的轨道 上运动的加速度（月球公转的向心加 2开 速度）为a,则二血，T， 4打， j = 60Z?, r =60R,得严，代入数据解 a1 得g加 I物体之间 设计说明：通过创设情景，引导学生定量计算，用无可辩驳的事实证明猜想

12、的正确性，增强学生 的理性认识。 （三）万有引力定律 教师活动 学生活动 既然太阳与行星之间，地球与月球之间、 地球对地面物体之间具有与两个物体的 质量成正比，跟它们的距离的二次方成反 比的引力。那么我们可以更大胆设想：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，我们不易觉察罢 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. 提出问题，阅读教材： 1什么是万有引力？并举出实例。 2万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。 3万有引力定律的

13、适用条件是什么？ 4.你认为万有引力定律的发现有何深远 意义？ 对万有引力定律的理解： （提出问题，引导学生根据问题阅读 教材P70-71，教师引导总结） 1. 万有引力是普遍存在于宇宙中任 何有质量的物体之间的相互吸引力。 日对地、地对月、地对地面上物体的 引力都是其实例。 2. 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，跟它们的质量的乘积成 下比，跟它们间的距离平方成反 比. / 式中各物理量的含义及单位： F为两个物体间的引力，单位：N. mi、m2分别表示两个物体的质量，单 位：kg r为两个物体间的距离，单位：m A、普遍性：万有引力存在于任何两个物

14、 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。 G为万有引力常量：G=6 67X1011 N mVkg，它在数值上等于质量是 1Kg的物体相距米时的相互作用力， B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。 单位：N m/kg 2 C特殊性：两个物体间的万有引力和物 体所在的空间及其他物体存在无关。 3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；当两物体是质量分 布均匀的球体时，它们间的引力也可 直接用公式计算，但式中的r是指两 球心间的距离。 D适用性：只适用于两个质点间的引力， 当物体之间

15、的距离远大于物体本身时，物 体可看成质点；当两物体是质量分布均匀 的球体时，它们间的引力也可直接用公式 计算，但式中的r是指两球心间的距离。 4 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。 设计说明：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

16、单的实验总结，它需要直觉和想像力、大胆的猜想和假设，再引入合理的模型，深 刻的洞察力、严谨的数学处理和逻辑思想，常常是一个充满曲折和艰辛的过程。 （四）万有引力常量 教师活动 学生活动 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，用实验测定极其困难。直到 一百多年之后，才由英国的卡文迪许用 （观察动画，阅读课本，思考问题， 学生代表发表见解） 精巧的扭秤测出 动画展示：（教材中没有，补充给学生, 如右图）并介绍构造、演示实验过程 引导学生一起分析原理。 1 用扭秤的方法卡文迪许测定引力 恒量比较精确。该实验精巧之处：将 不易观察的微小变化量，转化为容易 观

17、察的显著变化量，再根据显著变化 量与微小量的关系，算出微小变化 量。 根据上述资料结合教材，思考问题: 2.卡文迪许在测定引力恒量 G,表明 万有引力定律适用于地面的任何两 个物体，用实验方法进一步证明了万 有引力定律的普适性；同时使得包括 测引力（极小）转化为测引力矩，再转 化为测石英丝扭转角度，最后转化为光 点在刻度尺上移动的距离（较大）。根 据预先求出的石英丝扭转力矩跟扭转角 度的关系，可以证明出扭转力矩，进而 求得引力，确定引力恒量的值 G=6 754 x 10-11 N mVkg 2。 1 试比较卡文迪许测定引力常量的值 G 和现代引力常量G并尝试说明卡文迪许 在测G值时巧妙在哪里？

18、 2引力常量的测定有何实际意义? 设计说明：通过动画展示和教师讲解，在教师设问下，组织学生进行讨论和分析，使学生体会到 卡文迪许扭称实验精巧的方法，同时锻炼学生的信息处理能力。 （五）实践探究 教师活动 学生活动 活动： 叫两名学生上讲台做个游戏：两人靠拢后 离开三次以上。 活动：两位同学靠拢后离开三次以 上. 学生思考回答：万有引力太小。 设问：既然自然界中任何两个物体间都有 万有引力，那么在日常生活中，我们各自 之间或人与物体之间，为什么都对这种作 用没有任何感觉呢？ 创设情景： 根据情景中数据，学生进行估算： 1.请估算这两位同学，相距1m远时它们 间的万有引力多大？（可设他们的质量为

19、1.由万有引力定律得： 50kg) 2.已知地球的质量约为6. 0X 1024kg， 地球半径为6. 4X 106m,请估算其中一位 同学和地球之间的万有引力又是多大？ 代入数据得：Fi=1. 7X 10-7N 3.已知地球表面的重力加速度 S = 98m/S，则其中这位同学所受重力 F-G , 2.由万有引力定律得：Ra 是多少？并比较万有引力和重力？ 代入数据得：F2=493N 本题小结：由此可见通常物体间的万有引 力极小，一般不易感觉到。而物体与天体 间的万有引力（如人与地球）就不能忽略 了。 3. G二咙= 490N，比较结果万有 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

20、分解为重力 和自转所需的向心力。 设计说明：通过学生活动，使增加课堂的趣味性，调节气氛，进而顺利创设出一个物理情景，学 生根据这个情景中的数据，进行估算和比较，从中锻炼学生的估算能力，体会万有引力常量数量级 的重要性以及引力和重力差别。 【课堂小结】 教师活动： 让学生概括根据教师在黑板上预设各知识点框架（如下图），用箭头连接成知识网络框架图， 从而总结本节的内容。请一个同学到黑板上总结，其他同学在笔记本上总结，然后请同学评价黑板 上的小结内容。 卫毘锐行星公转的向起 力是行星灯卫星的乳力 地面上物休所受重力来 自址球対瀚休的乳力 Mm 一切瀚体问香存在和力（万有引力定律）F =G Mm 行星

21、锐太X 。公转的向心力摩太阳对秆 星的了1力 测定万有了I力常量C 学生活动： 认真总结概括本节内容，完成知识网络框架图（如下图），并把自己这节课的体会写下来、 比较黑板上的小结和自己的小结，进而进行生生互评。 学生体会： 发现万有引力定律的思维过程：假想一一理论推导一一实验检验 设计说明：通过黑板或多媒体展示本节课知识，在教师引导下，在学生讨论与互评中总结所学内 容，从而帮助他们构建自己的知识框架，进而培养学生概括总结能力，以及交流、评估、协助的能 力。 本节知识网络图： 行星嶽丸阳心特的向心力壷衣阳对行 星的引力 ta 卫星蜒称星公转的向心 力是柠星对卫星的耳|力 H OC M 跌 大曙总

22、 地面上输体所費重力来 自地侏才帥体药引力 月0C如 一切勒体间都将扈弓I力（万有引力定惮） F =G 一 证 测定方有引力常量C 【布置作业】 课后完成P71 “问题与练习”中的问题。 查找阅读牛顿生平相关资料。 【教学设计后记】 本节课由于内容限制，对牛顿发现过程通过创设情景、启发学生思考，从而体会牛顿的伟大以及了 解科学家分析问题，解决问题的方法和技巧。 为能够吸引学生，引课时设计了一些学生习以为常的但又没有细致思考过的问题。 教学过程 中以物理学史为主线，让学生以科学家的角度分析、 思考问题。力争抓住这节课的有利时机， 渗透 “没有绝对特殊的物体”这一引起物理学几次革命性突破的辩证唯物主义观点。培养学生的猜想、 归纳、联想、直觉思