物理：魯科版 必修2 5.1 萬(wàn)有引力定律及引力常量的測(cè)定 （教案）

1、第1節(jié) 萬(wàn)有引力定律及引力常數(shù)的測(cè)定【知識(shí)目標(biāo)】 一、知識(shí)與技能 1 了解“地心說”和“日心說” 2 了解萬(wàn)有引力定律的發(fā)展過程 3 知道開普勒三個(gè)定律 4 理解萬(wàn)有引力定律 5 了解引力常數(shù) 二、過程與方法 1 通過課件模擬天體的運(yùn)動(dòng)說明開普勒三個(gè)定律 2 運(yùn)用圓周運(yùn)動(dòng)的知識(shí)理解天體運(yùn)動(dòng) 3 理解萬(wàn)有引力定律并會(huì)運(yùn)用其解釋天體現(xiàn)象 4 了解利用扭稱測(cè)量引力常數(shù)運(yùn)用探究方法 三、情感態(tài)度與價(jià)值觀 1 認(rèn)識(shí)發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力定律的重要意義 2 體會(huì)科學(xué)定律對(duì)人類探索未知世界的作用【知識(shí)重點(diǎn)】 1 開普勒三個(gè)定律 2 萬(wàn)有引力定律 3 卡文迪許的扭稱實(shí)驗(yàn)【知識(shí)難點(diǎn)】 1 理解萬(wàn)有引力定律及應(yīng)用 2 理解

2、卡文迪許的扭稱實(shí)驗(yàn)的科學(xué)理念【教學(xué)方法】 1 問題教學(xué)法【教學(xué)過程】：【歷史回顧】中國(guó)對(duì)天體認(rèn)識(shí)：距今2100多年的馬王堆西漢墓中，出土了嫦娥奔月的畫帛，（書上83面）畫中嫦娥贊乘坐飛龍飄然奔月。嫦娥奔月是個(gè)傳說，也可以說是個(gè)夢(mèng)想，它說明中國(guó)對(duì)天的研究早就有了。如果世界第八大奇跡秦始皇陵中的天穹據(jù)說是由夜明珠按星星的分布鑲嵌上的，中國(guó)對(duì)天體的追求早在秦朝之前就一定的嘗試。從戰(zhàn)國(guó)時(shí)期的楚國(guó)偉大詩(shī)人屈原的佳作天問就是對(duì)茫茫宇宙提出了一系列問題，體現(xiàn)了人類了解自然奧秘的渴望。但中國(guó)對(duì)天體的認(rèn)識(shí)由于種種原因沒能進(jìn)入實(shí)質(zhì)性，同樣的文明古國(guó)對(duì)這個(gè)問題有不同的探索。1古希臘人的探索：首先從星體的軌跡入手，最

3、早認(rèn)為天體圍繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)的說法（地心說），主要觀察到月球、太陽(yáng)、水星、金星、火星、土星等，還能做好火星繞地球黑心的軌跡圖，基于托密勒地心本輪理論的宇宙橫向發(fā)展（書上100面），從古至今人類孜孜不倦地探索天體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，天文學(xué)家托勒密設(shè)計(jì)一套非常復(fù)雜的體系，完善了地心本輪理論。這個(gè)學(xué)說持續(xù)了近2000年2文藝復(fù)興的撞擊：1943年天文學(xué)家哥白尼提出日心說，太陽(yáng)是宇宙中心，行星都繞太陽(yáng)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。日心說還太陽(yáng)系的真實(shí)感面貌，但還有不足：第谷觀察到a星體與計(jì)算結(jié)果不符b開普勒研究第谷測(cè)量數(shù)據(jù)得的緒論。第谷是個(gè)天文觀測(cè)家，他對(duì)星體進(jìn)行認(rèn)真系統(tǒng)的觀測(cè)，其測(cè)量的結(jié)果是托勒密和哥白尼的理論計(jì)算結(jié)果與觀測(cè)數(shù)

4、據(jù)不相符。開普勒研究第谷的觀測(cè)數(shù)據(jù)希望進(jìn)一步解釋哥白尼的行星圓形軌道，但是他的努力失敗，他相信不是第谷的粗心而是哥白尼的理論需要進(jìn)一步完善，開普勒開始研究行星非勻速非圓周的運(yùn)動(dòng)，終于提出三大定律。（通過對(duì)歷史回顧來讓學(xué)生了解人對(duì)未知世界的探究是艱辛的但卻是永無(wú)止境的，激起學(xué)生對(duì)人類探索未知世界的興趣）【課件演示】展現(xiàn)行星的運(yùn)動(dòng)軌及太陽(yáng)的位置，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)真觀察，加深學(xué)生對(duì)開普勒第一定律的認(rèn)識(shí)，說明行星運(yùn)動(dòng)軌跡是非圓周的運(yùn)動(dòng)。 請(qǐng)學(xué)生觀察行星在相等時(shí)間內(nèi)掃過面積相等，讓學(xué)生了解開普勒第二定律，行星在同一軌道上越接近太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)就越快，說明行星運(yùn)動(dòng)是非勻速運(yùn)動(dòng)。 要求學(xué)生掌握開普勒第三定律，行星繞太陽(yáng)運(yùn)

5、行軌道半長(zhǎng)軸r的立方與其公轉(zhuǎn)周期T的平方成比： 引導(dǎo)學(xué)生自學(xué)信息窗，通過學(xué)習(xí)行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的有關(guān)數(shù)據(jù)加深學(xué)生對(duì)開普勒三大定律的理解?！緞?chuàng)設(shè)問題】開普勒三大定律只說明行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律，沒有說明為什么會(huì)如此運(yùn)轉(zhuǎn)？為什么即不會(huì)脫離太陽(yáng)又不會(huì)墜向太陽(yáng)？人在空中停留一下都很思想觀念，越高越思想觀念，但行星這么高卻一點(diǎn)也不思想觀念？ 請(qǐng)同學(xué)們回答行星做什么運(yùn)動(dòng)？行星做曲線運(yùn)動(dòng)。 請(qǐng)同學(xué)分析一下行星是否受到力的作用呢？根據(jù)曲線運(yùn)動(dòng)條件，行星必然受到一個(gè)與運(yùn)動(dòng)方向成一定角度力的作用，這就說明了太陽(yáng)的行星之間有存在著力的作用。 從開普勒第二定律可知行星在同一軌道上越接近太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)就越快，根據(jù)圓周運(yùn)動(dòng)離心現(xiàn)象，如運(yùn)動(dòng)速

6、度增大，而向心力不變情況下，就會(huì)出現(xiàn)離心現(xiàn)象，運(yùn)動(dòng)行星不但不出現(xiàn)離心現(xiàn)象反而做向心運(yùn)動(dòng)，請(qǐng)同學(xué)分析原因：說明太陽(yáng)與行星之間作用力跟距離有關(guān)，距離越小時(shí)作用力就越大。 引導(dǎo)學(xué)生自學(xué)拓展一步的內(nèi)容，從而了解到太陽(yáng)與行星之間作用力跟太陽(yáng)和行星質(zhì)量有關(guān)。 從上面幾個(gè)方面初步了解太陽(yáng)與行星之間存在相互作用力，定性知道力跟什么因素有關(guān)。牛頓運(yùn)用開普勒三大定律和自己在力學(xué)、數(shù)學(xué)方面的研究成果從定量的角度提出萬(wàn)有引力定律（具體過程有潛力的同學(xué)可以過后在書中自習(xí)研究）： 自然界中任何兩個(gè)物體都是相互吸引的，引力方向沿兩物體的連線，引力的大小F與兩個(gè)物體質(zhì)量乘積成正比，與這兩個(gè)物體距離r的平均成反比。 【公式說明

7、】 兩個(gè)物體只能是質(zhì)點(diǎn)。 r是兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)之間的距離（若是勻質(zhì)球體則是兩球心的距離）。 G是引力常數(shù)。 自然界中任何兩個(gè)物體存在引力。 可以從三個(gè)方面說明： 太陽(yáng)與行星之間作用滿足萬(wàn)有引力定律；地球附近物體也受地球吸引也是滿足萬(wàn)有引力定律；通過例題可知地球上的兩個(gè)物體之間同樣存在引力作用也是滿足萬(wàn)有引力定律，這就說明萬(wàn)有引力定律適應(yīng)自然界中任何兩個(gè)物體。 牛頓萬(wàn)有引力定律只提出引力與兩個(gè)物體質(zhì)量和之間距離有關(guān)，卻沒能給出準(zhǔn)確的引力常數(shù)，如何準(zhǔn)確測(cè)量引力常數(shù)成為物理界普遍關(guān)心的重大課題?！敬嬖诶щy】請(qǐng)同學(xué)分析引力常數(shù)與什么因素有關(guān)？與物體質(zhì)量、物體間距離有關(guān)，這兩方面在實(shí)驗(yàn)中要準(zhǔn)確他們數(shù)值不會(huì)很困難的，當(dāng)然還跟引力有關(guān)，由于引力比較微小，這必然給實(shí)驗(yàn)測(cè)量引力帶來困難。【克服困難】英國(guó)物理學(xué)家卡文迪許運(yùn)用正確實(shí)驗(yàn)方法和思路，巧妙利用力矩平衡條件和微量放大法設(shè)計(jì)出扭稱，將于精確測(cè)出兩個(gè)鉛球之間微小的引力，從而證明萬(wàn)有引力定律的正確性，由此得到精確度很高的引力常數(shù)G=6.65×12-11m3/(kg.s2)?！菊n件演示】通過對(duì)卡文迪許實(shí)驗(yàn)原理課件演示，讓學(xué)生對(duì)卡文迪許扭稱實(shí)驗(yàn)原理的更加了解。倒梯形架對(duì)稱地拉動(dòng)扭轉(zhuǎn)比拉伸的形變大得多，更容易測(cè)量極小的力；利用小鏡面反射的光起到示數(shù)放大和極小質(zhì)量指針的作用。【例題解答】 請(qǐng)同學(xué)運(yùn)用萬(wàn)有引力