2024-2025学年高中物理 第七章 万有引力与宇宙航行 第三节 万有引力理论的成就教学设计 新人教版必修第二册

2024-2025学年高中物理第七章万有引力与宇宙航行第三节万有引力理论的成就教学设计新人教版必修第二册授课内容授课时数授课班级授课人数授课地点授课时间设计思路同学们，今天我们要一起探索万有引力理论的辉煌成就。这节课，我会带领你们穿越时空，感受牛顿、开普勒等科学巨匠的智慧火花。让我们跟随课本，一起领略万有引力理论的魅力吧！🌌💡📚核心素养目标1.培养科学探究精神，通过实验和数据分析，理解万有引力定律。

2.强化科学思维，学会运用数学工具解决物理问题。

3.提升科学态度与责任，认识到科学理论对人类文明发展的贡献。学习者分析1.学生已经掌握了哪些相关知识：

学生们在前面的学习中已经接触了牛顿运动定律和简单天体运动的知识，对力的概念、加速度和运动轨迹有一定的理解。此外，他们对地球和其他行星的基本运动规律也有所了解。

2.学生的学习兴趣、能力和学习风格：

高中学生对宇宙和天体物理通常抱有浓厚的兴趣，他们喜欢探索未知和解决复杂问题。在能力方面，学生们具备一定的数学和物理基础，能够进行简单的物理计算和逻辑推理。学习风格上，有的学生偏好通过实验和直观演示来学习，而有的学生则更倾向于通过理论分析和数学推导来理解概念。

3.学生可能遇到的困难和挑战：

学生在理解万有引力定律时可能会遇到将抽象的物理概念与具体的天体运动现象联系起来困难的问题。此外，复杂的数学计算和公式推导也可能成为他们的挑战。同时，对于宇宙航行中涉及到的相对论效应，学生可能难以从直观的角度理解。因此，教学中需要通过生动的实例和逐步引导来帮助学生克服这些困难。教学资源准备1.教材：确保每位学生都配备了《新教材高中物理必修第二册》。

2.辅助材料：准备牛顿引力公式、行星轨道的动画视频，以及描绘宇宙航行过程的图表。

3.实验器材：准备用于演示引力效应的简易装置，如弹簧秤和不同质量的球体。

4.教室布置：设置分组讨论区，布置实验操作台，并确保多媒体设备正常运行。教学过程设计一、导入新课（5分钟）

目标：引起学生对万有引力与宇宙航行的兴趣，激发其探索欲望。

过程：

开场提问：“同学们，你们有没有想过，为什么地球上的物体都会落回地面？有没有想过，宇宙中的星星和行星是如何围绕太阳旋转的？”

展示一些关于地球引力、行星运动和宇宙航行的图片或视频片段，让学生初步感受万有引力与宇宙航行的魅力或特点。

简短介绍万有引力定律的基本概念和重要性，为接下来的学习打下基础。

二、万有引力基础知识讲解（10分钟）

目标：让学生了解万有引力定律的基本概念、组成部分和原理。

过程：

讲解万有引力定律的定义，包括其主要组成元素或结构——质量、距离和引力常数。

详细介绍万有引力定律的组成部分或功能，使用图表或示意图帮助学生理解引力如何随着质量和距离的变化而变化。

三、万有引力案例分析（20分钟）

目标：通过具体案例，让学生深入了解万有引力定律的特性和重要性。

过程：

选择牛顿发现万有引力定律的故事作为案例，详细介绍其背景、过程和意义。

分析地球和其他行星的运动，让学生理解万有引力定律如何解释这些现象。

小组讨论：让学生分组讨论万有引力定律在航天技术中的应用，如卫星发射和宇宙飞船的轨道设计，并提出创新性的想法或建议。

四、学生小组讨论（10分钟）

目标：培养学生的合作能力和解决问题的能力。

过程：

将学生分成若干小组，每组选择一个与万有引力定律相关的主题进行深入讨论，如“如何利用万有引力进行宇宙航行”或“万有引力定律在环境保护中的应用”。

小组内讨论该主题的现状、挑战以及可能的解决方案。

每组选出一名代表，准备向全班展示讨论成果。

五、课堂展示与点评（15分钟）

目标：锻炼学生的表达能力，同时加深全班对万有引力定律的认识和理解。

过程：

各组代表依次上台展示讨论成果，包括主题的现状、挑战及解决方案。

其他学生和教师对展示内容进行提问和点评，促进互动交流。

教师总结各组的亮点和不足，并提出进一步的建议和改进方向。

六、课堂小结（5分钟）

目标：回顾本节课的主要内容，强调万有引力定律的重要性和意义。

过程：

简要回顾本节课的学习内容，包括万有引力定律的基本概念、组成部分、案例分析等。

强调万有引力定律在现实生活或学习中的价值和作用，鼓励学生进一步探索和应用这一科学原理。

布置课后作业：让学生撰写一篇关于万有引力定律在航天技术中应用的短文或报告，以巩固学习效果。教学资源拓展1.拓展资源：

-《天体物理学导论》：这本书可以为学生提供更深入的天体物理知识，包括宇宙的结构、演化以及宇宙航行的技术原理。

-《宇宙简史》：通过霍金的经典著作，学生可以了解到宇宙的起源和万有引力定律在宇宙历史中的作用。

-《万有引力定律的历史》：这本书详细介绍了万有引力定律的发现过程，包括牛顿和其他科学家的贡献。

2.拓展建议：

-观看科普纪录片：《宇宙奇观》和《宇宙的奇迹》等纪录片，帮助学生直观地理解宇宙的广阔和万有引力的神奇。

-实践活动：组织学生进行模拟实验，比如使用地球模型和球体来演示万有引力定律，增强学生的动手能力。

-在线课程：推荐学生参加在线开放课程，如《现代宇宙学》或《相对论与引力》等，以获取更高级别的知识。

-科学竞赛：鼓励学生参与物理竞赛，如物理奥林匹克竞赛，通过竞赛的形式激发学生的学习兴趣和竞争意识。

-科普讲座：邀请天文学家或物理学家来校进行科普讲座，让学生有机会与专业人士直接交流。

-科学研究：指导学生进行小型的科学探究项目，如研究地球引力对物体运动的影响，培养学生的科研能力。

-数学应用：引导学生学习如何运用微积分等高等数学工具来分析引力场中的运动轨迹，加深对物理公式的理解。

-虚拟现实体验：利用VR技术让学生在虚拟环境中体验宇宙航行的感觉，增强学习体验的趣味性和互动性。

-天文观测：组织学生进行天文观测活动，通过望远镜观察星星和行星，将理论知识与实际观测相结合。课后作业1.**计算题**：假设地球的质量为5.98×10^24kg，月球的质量为7.34×10^22kg，地球和月球之间的平均距离为3.84×10^8m。计算地球对月球的引力大小，并转换为牛顿（N）。

**答案**：使用万有引力公式\(F=G\frac{m_1m_2}{r^2}\)，其中\(G=6.674\times10^{-11}\,\text{N}\cdot\text{m}^2/\text{kg}^2\)是万有引力常数，\(m_1\)和\(m_2\)分别是地球和月球的质量，\(r\)是它们之间的距离。计算得\(F\approx1.98\times10^{20}\,\text{N}\)。

2.**应用题**：一艘宇宙飞船以恒定的速度绕地球运行，其轨道半径为地球半径的7倍。计算飞船的轨道速度，假设地球半径为6.37×10^6m。

**答案**：利用开普勒第三定律，轨道速度\(v\)可以通过\(v=\sqrt{\frac{GM}{r}}\)计算，其中\(G\)是万有引力常数，\(M\)是地球的质量，\(r\)是轨道半径。计算得\(v\approx7.12\times10^3\,\text{m/s}\)。

3.**分析题**：分析地球上的物体自由落体运动与地球引力之间的关系，并解释为什么地球上的物体总是向下落。

**答案**：物体自由落体运动是由于地球引力作用的结果。地球对物体施加的引力使得物体沿着地球表面附近的曲线轨迹下落。地球的引力使得物体具有向心加速度，方向指向地心。

4.**计算题**：一个质量为2kg的物体被抛向空中，达到最高点时速度为0m/s。如果物体在最高点上方5m处释放，计算物体落地时的速度。

**答案**：使用能量守恒定律，物体在最高点的势能转化为落地时的动能。势能\(E_p=mgh\)，动能\(E_k=\frac{1}{2}mv^2\)。解得\(v=\sqrt{2gh}\)。计算得\(v\approx9.81\,\text{m/s}\)。

5.**设计题**：设计一个实验来验证万有引力定律。列出实验步骤、所需材料和预期结果。

**答案**：

-实验步骤：

1.准备两个质量已知的金属球，一个悬挂在天平的一端，另一个放在地面上。

2.记录两个球之间的距离。

3.通过增加或减少地面上的球的质量，观察悬挂球摆动的幅度变化。

4.重复实验，改变悬挂球的质量，记录数据。

-所需材料：两个质量已知的金属球，一个天平，一把尺子。

-预期结果：随着地面球质量的增加，悬挂球的摆动幅度应该减小，这表明引力随着距离的增加而减小，验证了万有引力定律。板书设计①万有引力定律的基本公式：\(F=G\frac{m_1