高中物理 第二節(jié) 太陽與行星間的引力-1教案 新人教版必修2

1、高中物理 第二節(jié) 太陽與行星間的引力-1教案 新人教版必修2科目物理年級高一班級時(shí)間2009年 3月 日課題：（人教必修2）第六章第二節(jié)：太陽與行星間的引力教學(xué)目標(biāo)1.知識與技能（1）了解關(guān)于行星繞太陽運(yùn)動的不同觀點(diǎn)和引力思想形成的歷程。（2）在開普勒行星運(yùn)動定律、勻速圓周運(yùn)動知識和牛頓運(yùn)動定律的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)得到太陽與行星間的引力的表達(dá)式，并初步理解其物理意義。2.過程與方法（1）追尋得出太陽與行星間引力的科學(xué)探究過程，認(rèn)識科學(xué)探究中交流和獨(dú)創(chuàng)的意義。（2）了解物理學(xué)的研究方法，認(rèn)識物理模型和數(shù)學(xué)工具在物理學(xué)發(fā)展過程中的作用。（3）通過推導(dǎo)太陽與行星間的引力公式，體會邏輯推理在物理學(xué)中的重要性

2、3.情感態(tài)度與價(jià)值觀（1）感受太陽與行星間的引力關(guān)系，從而體會大自然的奧秘領(lǐng)略自然界的奇妙與和諧，蘊(yùn)涵其中的規(guī)律之簡潔，發(fā)展對科學(xué)的好奇心與求知欲，樂于探究自然界的奧秘，體驗(yàn)探索自然規(guī)律的艱辛與喜悅。（2）通過探究體驗(yàn)“發(fā)現(xiàn)”的樂趣體驗(yàn)邏輯推理的樂趣，提高分析問題、解決問題。3）培育與他人合作的精神，將自己的見解與他人交流的愿望，和勇于修正錯誤的科學(xué)精神。教 材分析重點(diǎn)：太陽與行星間引力的推導(dǎo)。突出教學(xué)重點(diǎn)的方法：通過有效問題的設(shè)置，引導(dǎo)學(xué)生動手參與推導(dǎo)過程，關(guān)注學(xué)生推導(dǎo)細(xì)節(jié)并及時(shí)交流和反饋，總結(jié)推導(dǎo)步驟；過程中突出層次關(guān)系，抓住關(guān)鍵。難點(diǎn)：太陽與行星間引力的推導(dǎo)。突破教學(xué)難點(diǎn)的策略：有效設(shè)置

3、問題，啟發(fā)和引導(dǎo)學(xué)生思考并界定問題、預(yù)定目標(biāo)，明確達(dá)成目標(biāo)過程中的每一步的研究對象、物理模型、物理規(guī)律和數(shù)學(xué)工具。教學(xué)過程設(shè)計(jì)  一、新課引入：在有些人看來，物理是枯燥、難懂的，其實(shí)物理學(xué)是優(yōu)美的，不過它的美表現(xiàn)在基本物理規(guī)律的簡潔和普遍性，并且是含蓄的，隱蔽的，因此有時(shí)很難讓人所領(lǐng)會。萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)堪稱一部逐步揭示物理規(guī)律簡潔美的壯麗史詩。上窮碧落下黃泉，天上人間，凡有引力參與的一切復(fù)雜現(xiàn)象，無不歸結(jié)為一條簡潔的定律，真可謂“囊括萬殊，裁成一相”。因此從本節(jié)課開始，我們來探索萬有引力定律的美之所在。首先，讓我們從回顧開普勒行星運(yùn)動定律開始本節(jié)課的探究之旅。1、開普勒行

4、星運(yùn)動定律的內(nèi)容是什么？從運(yùn)動的描述角度看，分別描述了什么物理情景？第一定律：所有行星繞太陽運(yùn)動的軌道都是橢圓，太陽處在橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上； 第一定律指明了研究行星運(yùn)動的參考系、及行星運(yùn)動的軌跡；  第二定律：對任意一個(gè)行星來說，它與太陽的連線在相等的時(shí)間內(nèi)掃過相等的面積；第二定律揭示了行星在橢圓軌道上運(yùn)動經(jīng)過不同位置的快慢情況，近日點(diǎn)附近速度大，遠(yuǎn)日點(diǎn)附近速度小； 第三定律：所有行星的軌道的半長軸的三次方跟它的公轉(zhuǎn)周期的二次方的比值都相等。第三定律：揭示了不同行星雖然橢圓軌道和環(huán)繞周期不同，但由于中心天體相同，所以共同遵循軌道半長軸的三次方與周期的二次方比值相同的規(guī)律。二、新課講授：

5、1、探究引力的存在問：開普勒行星運(yùn)動定律揭示了行星的運(yùn)動規(guī)律，回答了人們千百年來一直追尋的 “行星怎樣運(yùn)動”的問題。然而好奇的人們，卻并不滿足，他們面向天穹，深情地叩問：行星為什么要這樣運(yùn)動？是什么力量支配著行星繞著太陽做如此和諧而有規(guī)律的運(yùn)動呢？學(xué)生猜想是什么原因，并根據(jù)自己已有的知識和經(jīng)驗(yàn)初步說出理由。經(jīng)過若干個(gè)學(xué)生的發(fā)言、補(bǔ)充后，組織學(xué)生理出邏輯順序：橢圓運(yùn)動（至少速度變方向）變速運(yùn)動加速度（由牛頓第二定律）合外力引力評價(jià)：大家之所以能順利地確定引力存在是由于我們所處的時(shí)代，是由于上一章我們學(xué)過的圓周運(yùn)動的知識，你知道幾百年前科學(xué)剛剛萌芽發(fā)展的時(shí)代科學(xué)家們（不是一般民眾）怎樣回答的這個(gè)問

6、題嗎？閱讀媒體素材：了解歷史上人們關(guān)于行星運(yùn)動原因的猜想簡單介紹開普勒、笛卡兒、胡克、哈雷、牛頓等人的觀點(diǎn)，其中開普勒認(rèn)為是太陽發(fā)出的磁力；笛卡兒認(rèn)為是流質(zhì)渦旋帶動；胡克、哈雷認(rèn)為是太陽引力，甚至證明了如果行星軌道是圓形的，引力大小跟軌道半徑的平方成反比（但對于橢圓軌道他們無法證明）；牛頓支持胡克、哈雷的觀點(diǎn)，而且對橢圓軌道也做了嚴(yán)格的證明。（圖片：流質(zhì)渦旋帶動可以以一個(gè)水的漩渦形象替代）  評價(jià)：由于流質(zhì)渦旋帶動符合人們的生活經(jīng)驗(yàn)，所以當(dāng)時(shí)被廣泛接受，甚至牛頓都是在信仰這種學(xué)說中長大的，因此牛頓敢于堅(jiān)持引力說是需要很大的勇氣的。當(dāng)然這種勇氣也來自他廣泛汲取的別人的成就，包括歐幾里得

7、數(shù)學(xué)，阿基米德靜力學(xué)，開普勒定律，伽利略運(yùn)動理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，慣性概念，惠更斯的向心力等，同時(shí)亦來自于他自己的研究思考成果：后來出版的自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理的初步理論。下面我們就沿著牛頓的足跡來探究太陽及行星間的引力2、探究太陽對行星引力大小 問3：既然太陽對行星有一種引力，那么這個(gè)引力是由哪些因素決定的呢？大小、方向如何呢？1、猜想：請同學(xué)們猜一猜這個(gè)引力大小跟什么有關(guān)？不說根據(jù)。 學(xué)生能猜出距離、二者質(zhì)量，但很可能也會說出行星周期、線速度、角速度等。2、驗(yàn)證思路：有什么辦法來驗(yàn)證你的結(jié)論的正確性？ 學(xué)生討論出：由運(yùn)動情況（通過運(yùn)動學(xué)公式）加速度（通過牛頓第二定律）受力情況。（

8、即已知力的作用規(guī)律，可以推測物體的運(yùn)動規(guī)律；已知物體的運(yùn)動規(guī)律，也可以推測力的作用規(guī)律。開普勒行星運(yùn)動定律既然描述了行星繞太陽運(yùn)動的規(guī)律，那么就可以根據(jù)這個(gè)運(yùn)動規(guī)律，推測太陽對行星作用力的規(guī)律。簡單地說，就是把解決問題歸結(jié)為“已知運(yùn)動求力”的動力學(xué)問題。）牛頓運(yùn)動定律 運(yùn)動力 MmFr過渡介紹：在牛頓所處時(shí)代，行星的運(yùn)動情況觀測資料已經(jīng)相當(dāng)豐富，因此得出行星受到的引力的表達(dá)式是可能的，但是運(yùn)動軌跡橢圓難倒了胡克、哈雷等，也使牛頓困惑了許多年，直到他用自己發(fā)明的微積分解決了問題（歷史上是否如此呢？缺乏考證）。我們不會微積分，因此我們研究不了橢圓，但是多數(shù)行星的軌道十分接近圓，因此我們現(xiàn)

9、在就通過圓軌道用剛才的思路導(dǎo)出太陽對行星引力的表達(dá)式，驗(yàn)證我們的猜測，同時(shí)再現(xiàn)牛頓當(dāng)時(shí)的思維過程。 3、模型簡化：問：行星軌道按圓處理，開普勒定律怎樣表述？ （投影出答案） 4、驗(yàn)證推理：問：若已知某行星勻速圓周運(yùn)動軌道半徑為r，線速度為v，質(zhì)量為m行，則它需要的向心力多大？F需向=m行引導(dǎo)：天文觀測能直接得到行星的線速度嗎？能直接觀測出什么？應(yīng)該怎樣變化剛才的公式？ 將代入得F需向=引導(dǎo)：這是行星需要的向心力，我們要求的是太陽對行星的引力，這兩個(gè)力有何關(guān)系嗎？ F太陽對行星=F需向= 引導(dǎo)：我們知道引力應(yīng)該是某種性質(zhì)的力，不管行星運(yùn)

10、動還是靜止都應(yīng)該存在這個(gè)力，因此太陽對行星的引力大小應(yīng)該與行星的周期是無關(guān)的，僅與兩個(gè)星球本身情況有關(guān)，即以上得到的僅是太陽對行星的引力計(jì)算式，而不是決定式！為找到引力的決定式，我們必須將周期T去掉？怎么辦呢？ 引導(dǎo)：由開普勒第三定律得，代入得F太陽對行星=再共同分析出公式中除了m行、r2以外，其余都是常量，對任何行星都相同，這才是只跟距離以及天體本身有關(guān)的表達(dá)式，即太陽對行星引力的決定式。 總結(jié)上式的物理意義，并給出簡化式：F太陽對行星 3、探究行星對太陽引力大小 問：剛才我們猜測到太陽對行星的引力應(yīng)該與雙方的質(zhì)量均有關(guān)，直覺告訴我們這個(gè)猜測是正確的，

11、可是我們得出的結(jié)論好像只與行星質(zhì)量有關(guān)，難道我們猜測錯了嗎？引導(dǎo)學(xué)生觀察等式F太陽對行星=討論出結(jié)論：公式中的常數(shù)k是開普勒第三定律中的常數(shù)，此常數(shù)是一個(gè)與行星無關(guān)而與太陽有關(guān)的量，與太陽的什么有關(guān)，最可能就是質(zhì)量，因此說太陽對行星的引力與雙方的質(zhì)量均有關(guān)。問：那么與太陽質(zhì)量到底有什么關(guān)系呢？怎樣研究這一問題呢？ 引導(dǎo)學(xué)生討論得出研究思路：如果還是研究太陽對行星的引力，只能到上式為止，不可能再有什么突破，何不研究行星對太陽的引力呢？因?yàn)樘枌π行堑囊托行菍μ柕囊κ且粚ψ饔昧εc反作用力，二者同性質(zhì)且等大。（以上這兩個(gè)問題的設(shè)計(jì)目的就是為了由討論太陽對行星的引力向討論行星對太陽引

12、力進(jìn)行過渡，讓學(xué)生理解這種研究方向的轉(zhuǎn)變是一種思維的必然，同時(shí)也讓學(xué)生體會到牛頓能夠轉(zhuǎn)變這種研究方向，其思維技巧多么高超。）  問：行星對太陽的引力跟太陽的質(zhì)量有什么關(guān)系呢？ 引導(dǎo)學(xué)生討論。利用施力物與受力物互換的辦法得出：F行星對太陽。另一種應(yīng)該利用運(yùn)動相對性的辦法，行星圍繞太陽做勻速圓周運(yùn)動，若以行星為參考系，太陽也在繞行星做勻速圓周運(yùn)動，即若行星繞太陽轉(zhuǎn)了一周，以行星為參考系，太陽也繞行星轉(zhuǎn)了一周。  4、行星與太陽之間的引力大小 問：既然太陽對行星的引力與行星對太陽的引力是一對作用力與反作用力，二者同性質(zhì)且等大，那么它們的大小應(yīng)該是相同

13、的表達(dá)式，因此F太陽對行星與F行星對太陽應(yīng)該能合二為一，你能辦到嗎？組織討論得出F太陽與行星之間（學(xué)生可能得出r4，組織學(xué)生評價(jià)是否正確） 問：該式的物理意義，問能否寫成等式？ F太陽與行星之間G是比例系數(shù)，與行星和太陽質(zhì)量均無關(guān)。 （可將以上關(guān)鍵步驟列出投影出示）（以上各公式的腳標(biāo)只是為了強(qiáng)調(diào)物理意義，本節(jié)課是必需的，以后不是必需的）5、總結(jié)（一）將本節(jié)課的探究過程的幻燈片最后重新播放一遍，替代總結(jié)。  （二）點(diǎn)評邏輯思維的嚴(yán)謹(jǐn)與巧妙，提醒學(xué)生感悟、學(xué)習(xí)這種思維。6、課堂練習(xí)1、下列說法正確的是（ ）A.行星繞太陽的橢圓軌道可以近似的看作圓形軌道，其向心力來源于太陽對行星的引力；B太陽對行星的引力大于行星對太陽的引力，所以行星繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)而不是太陽繞行星運(yùn)轉(zhuǎn)；C太陽對行星的引力關(guān)系不適用于地球?qū)πl(wèi)星的作用力；D行星與衛(wèi)星之間的引力，地面上的物體所受的重力和太陽對行星的引力，是性質(zhì)不相同的力。2關(guān)于地球和太陽，下列說法正確的是（ ）A.地球?qū)μ柕囊Ρ忍枌Φ厍虻囊π?；B.地球繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)的向心力來源于太陽對地球的引力；C.太陽對地球的作用力有引力和向心力；D.在地球?qū)μ柕囊ψ饔孟?，太陽繞地球做圓周運(yùn)動。3.對于太陽對行