云南省峨山彝族自治縣高中物理第六章萬有引力與航天教案(打包7套)新人教版必修2.zip
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6.3萬有引力定律一、教學(xué)目標(biāo)(一)知識和技能 1.知道萬有引力是一種普遍存在的力。知道萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)過程,了解科學(xué)研究的一般過程。 2.知道萬有引力定律的表達(dá)式,知道萬有引力定律是平方比定律,知道G的含義。3.了解卡文迪許實驗中扭秤的測量微小力的巧妙構(gòu)思,知道卡文迪許實驗的意義在于直接驗證萬有引力定律。(二)過程和方法1.以學(xué)習(xí)萬有引力定律為載體,培養(yǎng)學(xué)生搜集、組織信息的能力,掌握理論探究的基本方法。2.以學(xué)習(xí)萬有引力定律為載體,通過展現(xiàn)思維程序“提出問題猜想與假設(shè)理論分析實驗觀測驗證結(jié)論”培養(yǎng)學(xué)生探究思維能力。 3. 認(rèn)識物理模型、理想實驗和數(shù)學(xué)工具在物理學(xué)發(fā)展過程中的作用。(三)情感、態(tài)度和價值觀 1.領(lǐng)略自然界的奇妙與和諧,蘊涵其中的規(guī)律之簡潔,發(fā)展對科學(xué)的好奇心與求知欲。2.體驗牛頓在前人基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)萬有引力的思考過程,說明科學(xué)研究的長期性、連續(xù)性、艱巨性,體現(xiàn)科學(xué)精神與人文精神的結(jié)合。 二、學(xué)情分析教學(xué)對象分析:本節(jié)課的教學(xué)對象為高一年級學(xué)生。本節(jié)課使用的教材是人民教育出版社出版的普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書物理(必修),第六章第二、第三節(jié)的相關(guān)內(nèi)容。將這兩節(jié)內(nèi)容進(jìn)行整合,有利于學(xué)生經(jīng)歷完整的探究過程。這兩節(jié)內(nèi)容準(zhǔn)備兩課時完成,本節(jié)課主要是引領(lǐng)學(xué)生,用自己的手和腦,重新“發(fā)現(xiàn)”萬有引力定律。經(jīng)歷將近兩個學(xué)期的高中學(xué)習(xí),學(xué)生已經(jīng)基本掌握了高中物理的學(xué)習(xí)方法,具有一定的抽象思維能力和概括能力。另外,處于十七、八歲的他們,人生觀、世界觀正逐步形成,需要教師正確引導(dǎo)。教學(xué)任務(wù)分析:本節(jié)課以天體運動為線索,通過猜想、建模、歸納、演繹、理想實驗、檢驗等方法、運用牛頓運動定律、勻速圓周運動及向心力的知識,揭示萬有引力定律。通過對科學(xué)簡史和科學(xué)人物的介紹,突出了萬有引力的發(fā)現(xiàn)過程,體現(xiàn)了科學(xué)精神和人文精神的結(jié)合。卡文迪許實驗的介紹,說明任何科學(xué)發(fā)現(xiàn)都必須接受實驗的驗證。教學(xué)設(shè)計思路:學(xué)生普遍感覺“萬有引力”部分知識的學(xué)習(xí)為他們打開了探索宇宙的一扇天窗。但是,這部分知識的學(xué)習(xí)過程可以用:“難”、“繁”兩字來概括。因此本節(jié)課采取了與以往不同的教授過程,在以往的接受式學(xué)習(xí)中融入了探究的學(xué)習(xí)方式,利用各種媒體的整合,使得課堂與課外,傳統(tǒng)媒體與現(xiàn)代媒體、獨立學(xué)習(xí)與協(xié)作學(xué)習(xí)結(jié)合在一起。學(xué)生成為了課堂的主體。啟發(fā)學(xué)生,激發(fā)學(xué)生的興趣,在完成教材要求的同時,充分展現(xiàn)學(xué)生的活力,體現(xiàn)出他們的獨立思考和團(tuán)隊互助與合作的能力。教師在教學(xué)中力爭做到:“以學(xué)生為本”,依據(jù)知識結(jié)構(gòu),依據(jù)學(xué)生認(rèn)識規(guī)律的順序,把握住教學(xué)過程,讓學(xué)生在快樂、興奮的狀態(tài)下,完成教學(xué)目標(biāo)。 三、教學(xué)重點和難點 教學(xué)重點:萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)。 教學(xué)難點:學(xué)生在參與重新“發(fā)現(xiàn)”萬有引力定律的過程中,利用自身的物理知識體系架起溝通天體運動和萬有引力定律的橋梁;學(xué)生將搜集到的有效信息及自己的思考?xì)w納整理并向他人表述。四、學(xué)習(xí)資源和器材設(shè)備電腦,實物投影儀,激光筆,平面鏡,相關(guān)課件。五、教學(xué)過程 教 學(xué) 過 程 備課札記引入新課: 新浪科技訊:北京時間2012年09月24日消息,據(jù)每日郵報報道, 2012年8月30日發(fā)射升空的美國宇航局的姊妹衛(wèi)星輻射帶風(fēng)暴探測器捕捉到地球發(fā)出的啁啾聲和口哨聲,這是地球傳入深空的歌聲。(播放視頻動畫,讓學(xué)生聆聽地球歌聲的同時,觀察地球繞太陽的運動。)當(dāng)代科技已經(jīng)能夠使人類走向太空,但是,其依據(jù)的基本原理卻是在牛頓時代奠定的。新課教學(xué):一:歷史的回顧 (板書) 開普勒發(fā)表了行星運動的三個定律,解決了描述行星運動的問題,但好奇的人們,面向天穹,深情地叩問:是什么力支配著行星繞著太陽做和諧而有規(guī)律的運動呢?伽利略:一切物體都有合并的趨勢,這種趨勢導(dǎo)致物體做圓周運動;開普勒:受到了來自太陽的類似于磁力的作用。 笛卡兒:在行星的周圍有旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)作用在行星上,使得行星繞太陽運動。牛頓時代的科學(xué)家,如胡克、哈雷等對這個問題有了更進(jìn)一步的認(rèn)識,胡克等人認(rèn)為行星繞太陽運動是因為受到了太陽對它的引力,甚至證明了行星軌道如果為圓形,它所受到引力的大小跟行星到太陽距離的二次方成反比。但是由于關(guān)于運動和力的清晰的概念是在他們以后由牛頓建立的,當(dāng)時沒有這些概念,因此他們無法深入研究。牛頓利用他的運動定律把行星的向心加速度與太陽對它的引力聯(lián)系起來了。不僅如此,牛頓還認(rèn)為,這種引力存在于所有物體之間,從而闡述了普遍意義下的萬有引力定律。本節(jié)課,我們將追尋牛頓的足跡,用自己的手和腦,重新“發(fā)現(xiàn)”萬有引力定律。二、太陽與行星間引力 (板書)(一)行星繞太陽運動的原因 (板書) 大陽系的八大行星:水,金,地球,火,木、土,天王星、海王星。這八大行星都是以橢圓軌道繞著太陽轉(zhuǎn),這是德國天文學(xué)家。物理學(xué)家開普勒經(jīng)過二十多年的研究發(fā)現(xiàn)的。問題:行星在橢圓軌道上運動是否需要力?這個力是什么力提供的?學(xué)生:行星在橢圓軌道上運動需要力,這個力可能是太陽與行星之間引力提供的。問題:行星的實際運動是橢圓運動,但我們還不知道求出橢圓運動加速度的運動學(xué)公式,我們現(xiàn)在怎么辦?學(xué)生:可以簡化為圓周運動。(猜測)教師:多媒體展示八大行星的軌道數(shù)據(jù):行星軌道半長軸(106km)軌道半短軸(106km)水星57.956.7金星108.2108.1地球149.6149.5火星227.9226.9木星778.3777.4土星1427.01424.8天王星2882.32879.1海王星4523.94523.8觀察八大行星的軌道半長軸與半短軸的區(qū)別并結(jié)合開普勒第二定律的內(nèi)容得到結(jié)論:行星繞太陽的運動可以看作是勻速圓周運動。(簡化模型)太陽與行星之間引力提供其做圓周運動的向心力。(板書)(二)太陽對行星的引力 (板書)1猜想:F與r的定量關(guān)系。 2建模:簡化模型,按“圓”處理。 3演繹與推理 設(shè)行星的質(zhì)量為m,速度為,行星到太陽的距離為r,則行星繞太陽做勻速圓周運動的向心力F天文觀測中難以直接得到行星運動的速度,但可以得到行星公轉(zhuǎn)的周期T,它們之間的關(guān)系為把這個結(jié)果代入上面的向心力的表達(dá)式,整理后得到F教師:要尋找F跟r的關(guān)系,那么表達(dá)式中就不應(yīng)該出現(xiàn)周期T,所以要設(shè)法消去上式中的T,應(yīng)該怎么消呢?學(xué)生:可以把開普勒第三定律變形為,代入上式得到: F (1) (板書)在這個式子中,等號右邊除了m、r以外,其余都是常量,對于任何行星來說都是相同的。因此,上面表達(dá)式可以寫成F (板書)教師:如果中心天體的質(zhì)量發(fā)生變化,引力F變不變呢?理想實驗1:太陽質(zhì)量為M時,其對行星的引力為F,如果太陽的質(zhì)量增加為2M時,其對行星的引力為2F,顯然,F(xiàn)還應(yīng)與中心天體的質(zhì)量M有關(guān),它們之間有什么關(guān)系呢?怎樣研究F與M的關(guān)系呢?(三)行星對太陽的引力 (板書)上面我們選擇行星為研究對象,研究的結(jié)果中并沒有出現(xiàn)太陽質(zhì)量M。下面我們不妨嘗試以太陽為研究對象,看看行星對太陽的引力什么特征?對于太陽對行星的引力,太陽是施力物,而根據(jù)牛頓第三定律,太陽也要受到行星大小相等,方向相反的引力作用,對于這個引力,太陽又是受力物。對稱性是許多物理規(guī)律的一個重要特性。如果太陽與行星,行星與衛(wèi)星間的引力是同種性質(zhì)的力,那么行星對太陽的引力是不是也應(yīng)該與太陽的質(zhì)量成正比呢?如果這個猜想是正確的,那么行星對太陽的引力又可以表示成什么呢? (2) (板書) 由牛頓第三定律得出(大膽假設(shè)) (板書)(四)太陽與行星間的引力 (板書)根據(jù)牛頓第三定律可知,F(xiàn)和的大小相等,由(1)、(2)可以得到km=即=C (3) 將(3)代入(1)、(2)可以得到F (4)可以用令G=(4)式的結(jié)論也可以寫成F (5) (板書)式中G是比例系數(shù),與太陽、行星都沒有關(guān)系。太陽與行星間引力的方向沿著二者的連線。三、月地檢驗 (板書) (一)萬有引力的猜想 (板書)問題:“天上”的引力與“人間”的重力是否可能為同一性質(zhì)的力?理想實驗2:設(shè)想有一個蘋果大小的月球非常接近地球,以至于幾乎觸及地球上的最高的山頂,那么使這個小月球保持軌道的向心力當(dāng)然就應(yīng)該等于它在山頂處所受的的重力。如果小月球突然停止做軌道運動,它就應(yīng)該山頂處的物體一樣以相同的速度下落。如果它所受的向心力不是重力,那么它就將在這兩種力的共同作用下以更大的速度下落,這與我們的經(jīng)驗不符??梢?,重力和月球所受的向心力是同一性質(zhì)的力。(二)月地檢驗 (板書)學(xué)生1:計算月球繞地球做勻速運動圓周運動的向心加速度a=g。分析并綜合:地面物體所受地球的引力與月球所受地球的引力,確實是同一種力。 學(xué)生2:向全班同學(xué)講述牛頓、蘋果和萬有引力的的故事。要點:蘋果在地面上加速下落是由于受重力的原因:月亮繞球地球作圓周運動是由于受地球引力的原因,行星繞太陽作圓月運動是由于受太陽引力的原因。 牛頓從一只蘋果領(lǐng)悟到了自然界中有萬有引力存在,從伽利略的慣性理論和拋物運動理論得到了月球繞地球運動的原理,將此理論推及整個太陽系。 討論:在太陽與行星系統(tǒng)中F;在地球與月球系統(tǒng)中F,如何檢驗兩種力是同一種性質(zhì)的力?四、萬有引力定律 (板書)內(nèi)容:自然界中任何兩個物體都相互吸引,引力的方向在它們的連線上,引力的大小與物質(zhì)的質(zhì)量M和m的乘積成正比,與它們之間距離r的二次方成反比。 (板書)方向:沿著兩個物體的連線的方向。 大小:跟兩個物體的質(zhì)量M和m的乘積成正比,與它們之間的距離r的二次方成反比。 表達(dá)式:F (板書) 適用條件:兩個質(zhì)點之間的相互作用。但當(dāng)兩個物體間的距離遠(yuǎn)大于物體本身的大小時,物體可以視為質(zhì)點,同樣適用。(板書)意義:(1)第一次揭示了自然界中的一種基本相互作用規(guī)律(2)使人們建立了信心:人類有能力理解天地間各種事物。 討論:如何使兩物體間的萬有引力減小為原來的 ? 學(xué)生發(fā)揮想象,各抒己見。 雖然牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律,卻沒能在實驗室直接驗證出萬有引力的存在及其規(guī)律,人們也沒有辦法計算出兩個物體閩萬有引力的大小。萬有引力定律正確性受到了懷疑。五、引力常量 (板書) 牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力定律之后100多年,即1798年,終于由卡文迪許第一個精確測量得到了上述表達(dá)式中缺少的比例系數(shù)萬有引力常量。 學(xué)生:向全班同學(xué)講述卡文迪許是如何利用他巧妙的裝置扭秤測出萬有引力常量。要點:卡文迪許實驗的原理,扭秤的巧妙構(gòu)思(利用動畫與實驗說明。)實驗:利用激光筆和平面鏡演示光杠桿的放大原理。G為萬有引力常量,G=6.6710-11N.m2kg2。 (板書) 意義:兩個質(zhì)量各為一千克的物體相距一米,它們間的萬有引力為6.6710-11N。 G的測量證明了萬有引力的存在,“開創(chuàng)了測量弱力的新時代”,使得萬有引力定律有了真正的實用價值。 練習(xí):估算同桌之間的萬有引力大小。 萬有引力對于科學(xué)文化發(fā)展起到了積極的推動作用,給人們探索自然的奧秘建立了極大的信心,人類有能力揭開宇宙神秘面紗的一角。 牛頓的著作自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理是科學(xué)發(fā)展歷史過程中一個重要的里程碑,它不僅奠定了天體力學(xué)的基礎(chǔ),而且使經(jīng)典力學(xué)形成一個體系完整、結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)钠毡榈睦碚擉w系,被稱之為17世紀(jì)的物理、數(shù)學(xué)百科全書。 但是,絕對的真理是不存在的。在牛頓的時代,偉大的科學(xué)家不知原子、分子論,不知中子星、白矮星這樣大的物體,也不知元素周期表。 因此,牛頓力學(xué)在高速度,大尺寸,強(qiáng)引力情況下不適用。小結(jié): 經(jīng)過這節(jié)課的學(xué)習(xí),我們了解了萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)過程,知道了什么是萬有引力定律,想要進(jìn)一步應(yīng)用萬有引力定律來解決天體運動的問題,且聽下回分解。 作業(yè): P41 2,3 創(chuàng)設(shè)情景,引起學(xué)生學(xué)習(xí)新知識的興趣。 提出問題,引導(dǎo)學(xué)生閱讀、討論,發(fā)表見解。由問題引導(dǎo)學(xué)生探究行星的運動所需要的向心力的來源,為萬有引力的教學(xué)做好鋪墊。引導(dǎo)學(xué)生在做出符合實際的理想化假設(shè)基礎(chǔ)上,應(yīng)用學(xué)過的牛頓定律、圓周運動知識進(jìn)行演繹推理,得出太陽與行星間的引力。猜想建模理論分析與推導(dǎo)。 學(xué)生自主推導(dǎo),梳理推理的思路。思考及推導(dǎo)的過程中你覺得有什么精妙的地方?思考及推導(dǎo)的過程中你覺得有什么疑問?理想實驗定性分析,月地檢驗定量驗證。 提出引力減小為原來的的問題,進(jìn)一步幫助學(xué)生認(rèn)識平方反比關(guān)系,加深對定律的理解。且本題不設(shè)定確定的答案,讓學(xué)生列舉各種方法,一方面體會控制變量的思想,另一方面培養(yǎng)學(xué)生開放的解題思堆。做一個小實驗,演示平面鏡的光杠桿放大原理,使學(xué)生對這一原理的理解更加清晰。 通過介招牛頓力學(xué)的局限性,懂得真理的相對性,“終極真理”是不存在的,培養(yǎng)學(xué)生辯證唯物主義觀點。六、板書設(shè)計3、萬有引力定律一:歷史的回顧二、太陽與行星間引力(一)行星繞太陽運動的原因太陽與行星之間引力提供其做圓周運動的向心力。(二)太陽對行星的引力F F (三)行星對太陽的引力 (四)太陽與行星間的引力F三、月地檢驗 (一)萬有引力的猜想重力和月球所受的向心力是同一性質(zhì)的力。(二)月地檢驗四、萬有引力定律內(nèi)容:自然界中任何兩個物體都相互吸引,引力的方向在它們的連線上,引力的大小與物質(zhì)的質(zhì)量M和m的乘積成正比,與它們之間距離r的二次方成反比。 表達(dá)式:F 適用條件:兩個質(zhì)點之間的相互作用。五、引力常量G=6.6710-11N.m2kg2。- 10 -
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