萬有引力理論的成就教學(xué)設(shè)計(jì)

1、萬有引力理論的成就教學(xué)設(shè)計(jì)周東升浙江省江山中學(xué)教材版本】普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理2（必修）第六章第四節(jié)，人民教育出版社2010年 4月第 3 版。教材分析】本節(jié)教材簡要介紹了萬有引力理論在天文學(xué)上的重要應(yīng)用，即“計(jì)算天體的質(zhì)量” ，“發(fā)現(xiàn)未知天體”。教材首先通過“科學(xué)真是迷人”，在不考慮地球自轉(zhuǎn)影響的情況下，認(rèn)為地面上的物體所受重力和引力相等， 進(jìn)而得到只要知道了地球表面的重力加速度v 和引力常量G,即可計(jì)算出地球的質(zhì)量。這種設(shè)計(jì)思路既給出了應(yīng)用萬有引力定律解決問題的一種思路, 也展示了萬有引力理論的魅力“稱量地球的質(zhì)量”。教材隨后作為示范， 以計(jì)算太陽質(zhì)量為例，給出了運(yùn)用萬有引力定

2、律計(jì)算天體質(zhì)量的方法，思路清晰，表述規(guī)范。最后從科學(xué)史的角度， 簡要介紹了亞當(dāng)斯和勒維耶發(fā)現(xiàn)海王星的過程，都顯示了萬有引力理論的巨大成就。因此， 通過這一節(jié)課的學(xué)習(xí)， 一方面要使學(xué)生了解運(yùn)用萬有引力定律解決問題的思路和方法，另一方面還要能體會(huì)到科學(xué)定律對(duì)人類探索未知世界的作用，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和對(duì)科學(xué)的熱愛之情。學(xué)情分析】學(xué)生在學(xué)習(xí)本節(jié)內(nèi)容之前，已經(jīng)學(xué)習(xí)了勻速圓周運(yùn)動(dòng)的相關(guān)知識(shí)，知道勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力由合外力提供， 初步掌握了利用牛頓第二定律和向心力表達(dá)式處理勻速圓周運(yùn)動(dòng)的方法。在前一節(jié)又學(xué)習(xí)了萬有引力定律， 但不熟悉運(yùn)用萬有引力定律解決實(shí)際問題的思路和方法。學(xué)生對(duì)天文學(xué)的研究方法相對(duì)比較陌生，

3、不了解萬有引力理論所取得的成就。教學(xué)設(shè)計(jì)思想】在本節(jié)課的教學(xué)中，有兩條主線：一是引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生通過“稱量地球的質(zhì)量”，算天體的質(zhì)量” 的學(xué)習(xí)， 明晰萬有引力定律運(yùn)用的思路和方法。 這是學(xué)生需要掌握的最基本的知識(shí)與技能。二是通過“發(fā)現(xiàn)未知天體”、 成功預(yù)測彗星的回歸”和“我國天文觀測的也讓他們感覺到科學(xué)的成就” 等史實(shí)材料的展示， 提供給學(xué)生豐富的感性認(rèn)識(shí)， 讓他們體會(huì)在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的 現(xiàn)時(shí)代， 前輩科學(xué)家所做的巨大貢獻(xiàn)和已經(jīng)取得的成就的奠基作用， 美妙與科學(xué)定律發(fā)現(xiàn)的意義和價(jià)值， 培養(yǎng)學(xué)生對(duì)科學(xué)的熱愛。 這也是本教學(xué)設(shè)計(jì)的亮點(diǎn)所在，整體而言， 教學(xué)著眼即最大限度地關(guān)注學(xué)生科學(xué)情感態(tài)度的培養(yǎng)

4、和樹立正確的科學(xué)價(jià)值觀。于學(xué)生的發(fā)展，注重三維目標(biāo)的達(dá)成。學(xué)習(xí)目標(biāo)】一、知識(shí)與技能 1）會(huì)用萬有引力定律計(jì)算天體的質(zhì)量。2）理解并運(yùn)用萬有引力定律處理天體問題的思路和方法。二、過程與方法 1）通過合作探究天體質(zhì)量和天體密度的計(jì)算，理解稱量天體質(zhì)量和計(jì)算天體密度的方法。2）通過天體質(zhì)量的計(jì)算、未知天體的發(fā)現(xiàn)，明確萬有引力定律的應(yīng)用。三、情感、態(tài)度與價(jià)值觀1 ）通過天體質(zhì)量的計(jì)算、未知天體的預(yù)測的學(xué)習(xí)活動(dòng)，體會(huì)萬有引力定律對(duì)人類探索和認(rèn)識(shí)未知世界的作用。2）通過對(duì)天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)，了解科學(xué)發(fā)展的曲折性，感悟科學(xué)是人類進(jìn)步的動(dòng)力?！緦W(xué)習(xí)重難點(diǎn)】重點(diǎn)：掌握求解天體質(zhì)量和密度的一般方法。難點(diǎn)：（1 ）

5、求解天體質(zhì)量和密度的方法。（2 ）應(yīng)用萬有引力定律求解天體問題的基本思路?！窘虒W(xué)方法】探究式教學(xué)、問題導(dǎo)向式教學(xué)法?！窘虒W(xué)過程設(shè)計(jì)】教學(xué)環(huán)節(jié)教師活動(dòng)學(xué)生活動(dòng)設(shè)計(jì)意圖【知識(shí)回顧】回憶天體做圓周運(yùn)動(dòng)創(chuàng)設(shè)情的向心力來源并且復(fù)境，激發(fā)1.行星圍繞太陽做近似圓周運(yùn)動(dòng)的向心力由誰提供?習(xí)圓周運(yùn)動(dòng)知識(shí)和萬有引力知識(shí)。學(xué)習(xí)興趣。2 .重力與萬有引力有什么關(guān)系?（以上兩個(gè)問題由學(xué)生復(fù)習(xí)回答。）3 .卡文迪許測量萬有引力常量G有何重要意 義？證明了萬有引力定律的普適性；同時(shí)使得包括計(jì)算星體質(zhì)量在內(nèi)的關(guān)于萬有引力定律的定量計(jì)算成為可能；推動(dòng)了天文學(xué)的發(fā)展。前兩個(gè)意義大家已經(jīng)有了體會(huì)，但如何推動(dòng)天文學(xué)的發(fā)展，需要我們

6、這一節(jié)課的學(xué)習(xí)進(jìn)一步深入地體會(huì)。提出問題:英國物理學(xué)家卡文迪許在實(shí)驗(yàn)室測出了引力常量，成為 稱”出地球質(zhì)量的第一人。 他是怎么做的?活動(dòng)一：測量地球的質(zhì)量已知地面的重力加速度為g,地球半徑為R,萬有引力常量為G,求地球的質(zhì)量 M？學(xué)生自主計(jì)算完畢后，展示學(xué)生計(jì)算結(jié)果,進(jìn)行分析小結(jié): mgR根據(jù)公式來看只要知道重力加速度g、地球半徑R和萬有引力常量即可算出地球質(zhì)量。在卡文迪許測出了引力常量之后，可以具體計(jì)算出地球的質(zhì)量來，因此，卡文迪許將自己的實(shí)驗(yàn)稱之為“稱量地球質(zhì)量”的實(shí)驗(yàn)。提出問題：剛剛我們用了如此精妙的方法，稱出了地球的質(zhì)量。太陽的質(zhì)量更大，怎樣測量太陽的質(zhì)量呢？用剛才的辦法可以嗎?活動(dòng)二

7、：若某行星的質(zhì)量為m，繞太陽運(yùn)行的軌跡近似與圓周，軌道半徑為r,公轉(zhuǎn)周期為T，求太陽的質(zhì)量。引發(fā)思考，激發(fā)學(xué)生自主探究，寫出測量過程，相互交流展示結(jié)果。體會(huì)卡文迪許將自己測得引力常量的實(shí)驗(yàn)稱之為“稱量地球質(zhì)量”的原因。體會(huì)物理模型及其重要性。探究積極性。通過實(shí)例，學(xué)會(huì)運(yùn)用萬有引力定律計(jì)算天體的質(zhì)量;明確計(jì)算天體質(zhì)量的方法和思路。利用萬有引力定律和(幫助學(xué)生構(gòu)建物理模型)在行星運(yùn)動(dòng)模型中，將太陽可以看成中心 天體，行星看成環(huán)繞天體。環(huán)繞天體繞中 心天體做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，中心天體對(duì)環(huán)繞 天體的萬有引力提供向心力。舉出幾個(gè)中心天體和環(huán)繞天體的例子。 要求學(xué)生利用這一模型推導(dǎo)出計(jì)算太陽質(zhì)量的表達(dá)式。教師

8、總結(jié)評(píng)估。思考:(1)應(yīng)用此方法能否求出行星的質(zhì)量？為什么?(2)不同行星繞太陽運(yùn)動(dòng)的軌道半徑r、公轉(zhuǎn)周期T不同，這種方法能否保證用不同行星計(jì)算出的太陽質(zhì)量必須是一樣的?小結(jié)：應(yīng)用萬有引力定律計(jì)算天體質(zhì)量的兩種思路：知道中心天體的半徑和表面的重力加速度，利用重力和萬有引力相等計(jì)算。知道環(huán)繞天體運(yùn)動(dòng)的情況和軌道半徑，利用萬有引力提供向心力計(jì)算。特別地，這兩種方法只能計(jì)算中心天體的質(zhì)量?；顒?dòng)三：測量月球的質(zhì)量暢想一下，假如2024年你被選為宇航員被送到月球上，給你的任務(wù)之一是測量月球的質(zhì)量,請(qǐng)你設(shè)計(jì)一份能完成這次任務(wù)的實(shí)施方案。向心力表達(dá)式列方程、計(jì)算:-MmGpr得:m(*)2r加深對(duì)萬有引力提

9、供向心力的理解，引出中心天體和環(huán)繞天體的理解?；仡欓_普勒第三定律中的k,只取決于中心天體的質(zhì)量。加深知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系。開放性的探究活動(dòng)，融入合作小組成員之間的交流，綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)處理遇到的實(shí)際問題。綜合運(yùn)用所學(xué)萬有引力定律知識(shí)和密度、球體體積公式處理問題,活動(dòng)四:求天體的平均密度天體的質(zhì)量求出來了，能否求天體的平均密度？如何求？寫出其計(jì)算表達(dá)式（友情提示：球體的體積公式活動(dòng)五:發(fā)現(xiàn)未知天體培養(yǎng)綜合運(yùn)用知識(shí)的能力。學(xué)生閱讀教材內(nèi)容。學(xué)生之間進(jìn)行討論，交流。通過“發(fā)認(rèn)識(shí)到：海王星的發(fā)現(xiàn)現(xiàn)未知閱讀教材“發(fā)現(xiàn)未知天體”部分的內(nèi)容，同時(shí)思考下列問題1 .海王星為什么被稱為“筆尖上發(fā)現(xiàn)的行星”？2 .應(yīng)用萬有引力定律發(fā)現(xiàn)的星體有哪些?有何意義?今天我們從計(jì)算天體的質(zhì)量、發(fā)現(xiàn)未知天體等幾個(gè)側(cè)面，學(xué)習(xí)了萬有引力理論的成就。可以說，牛頓萬有引力理論的發(fā)現(xiàn)，天文觀測手段的改進(jìn)，極大地促進(jìn)了天文學(xué)的發(fā)展，擴(kuò)展了人類的視野。也為我們今天的天文學(xué)發(fā)展奠定了