資源簡(jiǎn)介

人教版高中物理必修2《7.2萬(wàn)有引力定律》的教學(xué)設(shè)計(jì)
一、設(shè)計(jì)思想
指導(dǎo)思想:萬(wàn)有引力定律建立過(guò)程，要按照科學(xué)探究的思路來(lái)展開(kāi)：牛頓猜想→推導(dǎo)與精心計(jì)算→月地檢驗(yàn)→最后合理推廣，最終得到萬(wàn)有引力定律。通過(guò)本節(jié)課教學(xué)能進(jìn)行一次生動(dòng)的科學(xué)思維和科學(xué)方法的教育。
理論依據(jù):科學(xué)探究的要素包括：對(duì)現(xiàn)象的一般觀(guān)察→提出假設(shè)→運(yùn)用邏輯（包括數(shù)學(xué)）得出推論→通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)推論進(jìn)行檢驗(yàn)→對(duì)假設(shè)進(jìn)行修正和推廣。
設(shè)計(jì)特色:在尊重歷史事實(shí)的前提下，通過(guò)一些邏輯思維的鋪墊，讓學(xué)生以自己現(xiàn)有的知識(shí)基礎(chǔ)處身于歷史的背景下，經(jīng)歷一次自己“發(fā)現(xiàn)”萬(wàn)有引力定律的過(guò)程。
二、教材分析
本課內(nèi)容的共分四部分：①牛頓對(duì)重物下落與天體運(yùn)動(dòng)所受引力統(tǒng)一性的猜想。②月-地檢驗(yàn)。③萬(wàn)有引力定律的得出、內(nèi)容、適用范圍。④卡文迪許測(cè)定引力常量G。在必修2模塊學(xué)習(xí)中，它上承圓周運(yùn)動(dòng)的知識(shí)，下啟天文學(xué)應(yīng)用、宇宙航行等知識(shí)，對(duì)加深已有知識(shí)的理解，較好解決后面衛(wèi)星（飛船）運(yùn)動(dòng)問(wèn)題學(xué)習(xí)有十分重要作用；教材內(nèi)容安排上重點(diǎn)講述了牛頓發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力定律過(guò)程中猜想、求證與推理的過(guò)程，既含豐富的物理學(xué)史，又有很好的方法教育的功能。
三、學(xué)情分析
1．本節(jié)課之前，學(xué)生應(yīng)該對(duì)力、質(zhì)量、速度、加速度、向心力、向心加速度等概念有較好的理解，并且掌握自由落體、拋體和勻速圓周運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律，知道“牛頓從蘋(píng)果落地受到啟發(fā)發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力定律”的故事。卡文迪許扭秤實(shí)驗(yàn)測(cè)定引力常量G中相關(guān)的杠桿知識(shí)及光的反射知識(shí)。從能力看，學(xué)生能熟練運(yùn)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律解決動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，知道觀(guān)察、猜想、類(lèi)比、邏輯推理、驗(yàn)證、推廣是科學(xué)研究的重要方法。所以萬(wàn)有引力定律的學(xué)習(xí)對(duì)于運(yùn)動(dòng)和力這部分知識(shí)起到進(jìn)一步深化和綜合運(yùn)用的作用。
2．可能遇到的困難和問(wèn)題：學(xué)習(xí)牛頓的月-地檢驗(yàn)環(huán)節(jié)中，該部分內(nèi)容有較強(qiáng)的邏輯性、綜合性，運(yùn)用了推理、類(lèi)比、驗(yàn)證等思想方法，運(yùn)算過(guò)程也較繁瑣，學(xué)生會(huì)碰到一定的困難。
3．分析學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中可能采取的各種學(xué)習(xí)策略：本節(jié)課學(xué)生可能會(huì)先自主預(yù)習(xí)，思考交流、合作學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)策略。
四、教學(xué)目標(biāo)
知道萬(wàn)有引力是一種存在于一切物體之間的吸引力，知道其表達(dá)式和用范圍
理解萬(wàn)有引力定律推導(dǎo)過(guò)程，認(rèn)識(shí)在科學(xué)規(guī)律發(fā)現(xiàn)過(guò)程中猜想與求證的重要性
會(huì)用萬(wàn)有引力定律解決簡(jiǎn)單的引力計(jì)算問(wèn)題 。知道引力恒量的測(cè)定在科學(xué)史上的重大意義
五、重點(diǎn)難點(diǎn)
重點(diǎn)：牛頓發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力定律的兩次重大突破；萬(wàn)有引力定律內(nèi)容、公式、各物理量的含義及定律的適用條件。
難點(diǎn)：領(lǐng)會(huì)月- 地檢驗(yàn)的證明過(guò)程；理解萬(wàn)有引力定律的適用條件。
六、教學(xué)策略與手段
教學(xué)模式：萬(wàn)有引力定律教學(xué)屬于理論規(guī)律教學(xué)。由科學(xué)的推理，得出的新的物理規(guī)律。因此，采用“理論推導(dǎo)法”，即觀(guān)察→提出假設(shè)→運(yùn)用邏輯（包括數(shù)學(xué)）得出推論→通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)推論進(jìn)行檢驗(yàn)→對(duì)假設(shè)進(jìn)行修正和推廣。
教學(xué)策略：在教學(xué)中，通過(guò)啟發(fā)式的設(shè)問(wèn)，使牛頓的想法能夠激發(fā)學(xué)生的興趣與想像力，引發(fā)學(xué)生提出更多的問(wèn)題。通過(guò)交流、討論，師生互動(dòng)順著科學(xué)探究的一般過(guò)程，經(jīng)歷萬(wàn)有引力定律的發(fā)現(xiàn)過(guò)程。
教學(xué)手段：多媒體圖片展示，小組合作，板演等。
七、課前準(zhǔn)備
1．學(xué)生的學(xué)習(xí)準(zhǔn)備：復(fù)習(xí)前一節(jié)“太陽(yáng)與行星間的引力”，計(jì)算工具。
2．教師的教學(xué)準(zhǔn)備：?jiǎn)栴}設(shè)計(jì)，制作ppt課件.
3．教學(xué)環(huán)境的設(shè)計(jì)與布置：四人小組合作學(xué)習(xí)。
4．教學(xué)用具的設(shè)計(jì)和準(zhǔn)備：月球繞地球動(dòng)畫(huà)，相關(guān)圖片。
八、教學(xué)過(guò)程
一、牛頓的思考與猜想：
思考：既然太陽(yáng)與行星之間作用力使得行星不能飛離太陽(yáng)，那么是什么力使得地面的物體不能離開(kāi)地球，總要落回地面呢？（例：蘋(píng)果被拋出后總要落回地面，是什么力使蘋(píng)果不能離開(kāi)地球？）
猜想1：地球?qū)Φ孛嫔衔矬w的引力和太陽(yáng)對(duì)行星的引力是不是同一種性質(zhì)的力？
如果是，物體受地球的引力應(yīng)該隨離地面越遠(yuǎn)就越小，但物體的重力為什么沒(méi)有隨離地高度的增加而明顯減弱呢？
可能是因?yàn)槲矬w離地高度比起天體間的距離來(lái)不夠遠(yuǎn)，所以物體的重力沒(méi)有隨離地高度的增加而明顯減弱。
猜想2：如果如上所說(shuō)，那么地球?qū)Φ孛嫔衔矬w的引力必定可以延伸到遠(yuǎn)得多的地方，它會(huì)不會(huì)作用到月球上？也就是說(shuō)，月球繞地球運(yùn)動(dòng)的力、地球?qū)Φ乇砦矬w的重力、行星與太陽(yáng)間的作用力是不是同一種性質(zhì)的力呢？
猜想3： 蘋(píng)果與月亮受到的力可能是同一種力!
可能是地球表面的重力延伸到月亮。
它們都是類(lèi)似太陽(yáng)行星間的引力，它們都應(yīng)遵從“與距離平方成反比”的關(guān)系。
（引力公式第一次外推）
實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)想法的正確性要有實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)。
點(diǎn)評(píng)： 質(zhì)疑的精神，科學(xué)的猜想，邏輯的推理往往是科學(xué)重大發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵，牛頓的這一猜想非常大膽，將天上和人間連接在了一起！ 牛頓正是在這樣的思考中獲得了突破
二、月-地檢驗(yàn)
當(dāng)時(shí)已知的一些量： 地表重力加速度：g = 9.8m/s2
地球半徑： R = 6400×103m
月球繞地球周期：T = 27.3天≈2.36×106s
月地間距離： r ≈ 60R=3.84×108m
（1）由猜測(cè)推導(dǎo)月球繞地球運(yùn)動(dòng)的向心加速度：
把引力公式大膽外推，地球?qū)υ虑虻囊吞?yáng)與行星的引力都是同一種性質(zhì)的力，滿(mǎn)足.
月球繞地球的運(yùn)動(dòng)可以似看成勻速圓周運(yùn)動(dòng)，地球?qū)υ虑虻囊μ峁┰虑蚶@地球運(yùn)動(dòng)的向心力，即
----------（1）
地面上的物體受到地球的引力和太陽(yáng)與行星的引力都是同一種性質(zhì)的力： ----------（2）
由（1）（2）兩式得： 。
（2）根據(jù)天文觀(guān)察實(shí)際計(jì)算月球繞地球運(yùn)動(dòng)的向心加速度
由向心加速度公式得：。兩者的結(jié)果完全一致。
結(jié)論：太陽(yáng)與行星間、地球與月球間、地球與地面物體間的作用力是同一種性質(zhì)的力。引力的大小與兩者質(zhì)量成正比，與兩者的距離平方成反比。即：，引力的方向在兩者的連線(xiàn)上。
三、萬(wàn)有引力定律
思考：既然行星與太陽(yáng)之間、地球與月球之間，以及地球與地面物體之間具有“與兩個(gè)物體的質(zhì)量成正比，與它們之間距離的二次方成反比”的吸引力，那么這種吸引力產(chǎn)生的原因是什么？
交流：物體具有質(zhì)量。
更大膽地猜想：自然界任意兩個(gè)物體之間是否也有這樣的吸引力？
交流：宇宙中一切物體間都有這種引力。
思考：你和你的同桌之間有這種引力嗎？為什么我們并沒(méi)有覺(jué)察到？
交流：生活中兩個(gè)物體間的這種引力因?yàn)槲矬w質(zhì)量小而不明顯。
牛頓的第二次外推：宇宙中一切物體間都有這種引力，引力的大小與兩者質(zhì)量成正比，與兩者的距離平方成反比，這種引力稱(chēng)為萬(wàn)有引力，滿(mǎn)足公式，G為與M、m無(wú)關(guān)的比例系數(shù)。
經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)，上述關(guān)系適用于自然界任意兩個(gè)物體間，即為萬(wàn)有引力定律(law of universal gravitation)，它是科學(xué)史上最偉大的定律之一，1687年發(fā)表在牛頓的傳世之作《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中。
（1）萬(wàn)有引力定律內(nèi)容：自然界中任何兩個(gè)物體都相互吸引，引力的大小與物體的質(zhì)量m1和m2的乘積成正比，與它們之間距離r的二次方成反比。
（2）數(shù)學(xué)表達(dá)式：F=，式中G是比例系數(shù)，叫引力常量（gravitational constant），m1和m2表示兩個(gè)物體的質(zhì)量，用r表示它們的距離。
（3）萬(wàn)有引力定律表達(dá)式的適用條件：物體是指可以看成質(zhì)點(diǎn)的物體，不能隨意應(yīng)用于一般物體，因?yàn)閞很難確定。
a.對(duì)于相距很遠(yuǎn)因而可以看作質(zhì)點(diǎn)的物體，公式中的r 就是指兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)間的距離。
b.對(duì)質(zhì)量分布均勻的球體，可以看成是質(zhì)量集中于球心上的質(zhì)點(diǎn)，公式中的r 就是指兩個(gè)球心間的距離。
點(diǎn)評(píng)：
三、 引力常量G的測(cè)定
思考1：測(cè)量原理是什么？
由萬(wàn)有引力定律可得：，只要測(cè)出m1、m2、F、r就可以了。
思考2：在實(shí)驗(yàn)條件下m1、m2、r可以測(cè)量，但兩個(gè)物體間的萬(wàn)有引力F太小，無(wú)法測(cè)量，英國(guó)的物理學(xué)家卡文迪許用什么裝置解決了這個(gè)問(wèn)題？
簡(jiǎn)單介紹卡文迪許扭秤裝置
思考3：你能說(shuō)出在扭秤實(shí)驗(yàn)中測(cè)微小量的思想方法嗎？
兩次放大思想。
第一次：扭秤裝置把微小力轉(zhuǎn)變成較大的力矩來(lái)反映（力臂可以加大）。
第二次：扭轉(zhuǎn)角度通過(guò)光標(biāo)的移動(dòng)來(lái)反映（光距越長(zhǎng)越明顯），從而確定物體間的萬(wàn)有引力。
思考4：請(qǐng)說(shuō)出測(cè)量的過(guò)程？
T形架在兩端質(zhì)量為m的兩個(gè)小球受到質(zhì)量為m’的兩大球的引力作用下發(fā)生扭轉(zhuǎn)，引力的力矩為FL。同時(shí)，金屬絲發(fā)生扭轉(zhuǎn)而產(chǎn)生一個(gè)相反的力矩kθ，當(dāng)這兩個(gè)力的力矩相等時(shí)，T形架處于平衡狀態(tài)，此時(shí)，金屬絲扭轉(zhuǎn)的角度θ可根據(jù)小鏡從上的反射光在刻度尺上移動(dòng)的距離求出，由平衡方程：Kθ=FL
　
L為兩小球的距離，k為扭轉(zhuǎn)系數(shù)可測(cè)出，r為小球與大球的距離。
結(jié)論：卡文迪許利用扭秤多次進(jìn)行測(cè)量，得出引力常量G=，與現(xiàn)在公認(rèn)的值非常接近
思考5：引力常量G的測(cè)定有什么意義？
1．證明了萬(wàn)有引力的存在的普遍性。
2．使得萬(wàn)有引力定律有了真正的實(shí)用價(jià)值，可測(cè)定遠(yuǎn)離地球的天體的質(zhì)量、密度等。
3．扭秤實(shí)驗(yàn)巧妙地利用等效法合理地將微小量進(jìn)行放大，開(kāi)創(chuàng)了測(cè)量弱力的新時(shí)代。
四、萬(wàn)有引力定律的理解
（1）萬(wàn)有引力的普遍性：萬(wàn)有引力不僅存在于星球間，任何客觀(guān)存在的有質(zhì)量的物體之間都存在這種相互吸引的力
（2）萬(wàn)有引力的相互性：兩個(gè)物體相互作用的引力是一對(duì)作用力和反作用力，它們大小相等，方向相反，分別作用于兩個(gè)物體上。
（3）萬(wàn)有引力的宏觀(guān)性：在通常情況下，萬(wàn)有引力非常小，只有在質(zhì)量巨大的星球間或天體與天體附近的物體間，它的存在才有實(shí)際的物理意義，故在分析地球表面物體受力時(shí)，不考慮地面物體對(duì)地球的萬(wàn)有引力，只考慮地球?qū)Φ孛嫖矬w的引力。
（4）萬(wàn)有引力的特殊性：兩物體間的萬(wàn)有引力只與他們本身的質(zhì)量有關(guān)，與它們間的距離有關(guān)，而與所在空間的性質(zhì)無(wú)關(guān)，也與周?chē)袩o(wú)其他物體無(wú)關(guān)。
五、萬(wàn)有引力定律建立的重要意義
17世紀(jì)自然科學(xué)最偉大的成果之一，它把地面上的物體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律和天體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律統(tǒng)一了起來(lái)，對(duì)以后物理學(xué)和天文學(xué)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)的影響，而且它第一次揭示了自然界中的一種基本相互作用的規(guī)律，在人類(lèi)認(rèn)識(shí)自然的歷史上樹(shù)立了一座里程碑。
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