《萬有引力理論的成就》教學(xué)設(shè)計

萬有引力理論的成就》教學(xué)設(shè)計萬有引力理論的成就》教學(xué)設(shè)計1一、內(nèi)容人教版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)試驗教科書物理必修2第六章第4節(jié)《萬有引力理論的成就》二、教學(xué)分析教材分析本節(jié)課是《萬有引力定律》之后的一節(jié)，內(nèi)容是萬有引力在天文學(xué)上的應(yīng)用。教材主要安排了“科學(xué)真是迷人”、“計算天體質(zhì)量”和“發(fā)現(xiàn)未知天體”三個標(biāo)題性內(nèi)容。學(xué)生通過這一節(jié)課的學(xué)習(xí)，一方面對萬有引力的應(yīng)用有所熟悉，另一方面通過卡文迪許“稱量地球的質(zhì)量”和海王星的發(fā)現(xiàn)，促進學(xué)生對物理學(xué)史的學(xué)習(xí)，并借此對學(xué)生進行情感、態(tài)度、價值觀的學(xué)習(xí)。2．教學(xué)過程概述本節(jié)課從宇宙中具有共同特點的幾幅圖片入手，對萬有引力提供天體圓周運動的向心力進行了復(fù)習(xí)引入萬有引力在天體運動中有什么應(yīng)用呢？接下來，通過“假設(shè)你成為了一名宇航員，駕駛宇宙飛船發(fā)現(xiàn)前方未知天體”，圍繞“你有什么辦法可以測出該天體的質(zhì)量嗎”全面展開教學(xué)。密度的計算以及海王星的發(fā)現(xiàn)自然過渡和涉及。在教材的處理上，既立足于教材，但不被教科書所限制，除了介紹教科書中重要的基本內(nèi)容外，關(guān)注科技新進展和我國天文觀測技術(shù)的發(fā)展，時代氣息濃厚，反映課改精神，著力于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。三、教學(xué)目標(biāo)知識與技能（1）通過“計算天體質(zhì)量”的學(xué)習(xí)，學(xué)會估算中數(shù)據(jù)的近似處理辦法，學(xué)會運用萬有引力定律計算天體的質(zhì)量；（2）通過“發(fā)現(xiàn)未知天體”，“成功預(yù)測彗星的回歸”等內(nèi)容的學(xué)習(xí)，了解萬有引力定律在天文學(xué)上的重要應(yīng)用。過程與方法運用萬有引力定律計算天體質(zhì)量，體驗運用萬有引力解決問題的基本思路和方法。情感、態(tài)度、價值觀（1）通過“發(fā)現(xiàn)未知天體”、“成功預(yù)測彗星的回歸”的學(xué)習(xí)，體會科學(xué)定律在人類探索未知世界的作用；（2）通過了解我國天文觀測技術(shù)的發(fā)展，激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣，養(yǎng)成熱愛科學(xué)的情感。四、教學(xué)重點中心天體質(zhì)量的計算；“稱量地球的質(zhì)量”和海王星的發(fā)現(xiàn)，加強物理學(xué)史的教學(xué)。五、 教學(xué)準(zhǔn)備實驗器材、PPT課件等多媒體教學(xué)設(shè)備六、 教學(xué)過程（一）、圖片欣賞復(fù)習(xí)引入通過幾張宇宙圖片的欣賞，學(xué)生體驗宇宙中螺旋的共同特點，萬有引力提供向心力是天體都遵循的規(guī)律。那么，萬有引力定律在天體運動中還有哪些具體的應(yīng)用呢？讓我們一起進入本章《萬有引力理論的成就》的學(xué)習(xí)。（二）、創(chuàng)設(shè)情境解決中心問題情境創(chuàng)設(shè)：假如你成為了一名宇航員，駕駛宇宙飛船航行在宇宙深處，突然，前方一美麗的天體出現(xiàn)在你的面前。你先關(guān)閉了宇宙的發(fā)動機，然后飛船剛好繞美麗天體做了完美的圓周運動，繞行一周后，飛船就平穩(wěn)的降落在了星球上。合作討論：你有什么辦法可以測得這一神秘天體的質(zhì)量嗎？（學(xué)生通過小組探究，教師巡回指導(dǎo)，形成自己本組的意見，由小組選出的代表來向全班展示自己思考的結(jié)果。）小組代表講解展示：思路一：測出宇宙飛船繞行一周的時間和軌道半徑，根據(jù)萬有引力提供向心力，即：從而得出星球（中心天體）的質(zhì)量思路二：根據(jù)宇航員降落在星球表面上后，重力近似等于萬有引力，即：得出在思路二完成之后，緊接著問題：如何測得星球表面的重力加速度g呢？（學(xué)生討論回答，現(xiàn)場教師展示借助小球的自由落體運動，通過現(xiàn)代技術(shù)“傳感器”現(xiàn)場完成重力加速度的測量。）設(shè)計說明：1.通過“學(xué)生成為宇航員駕駛宇宙飛船發(fā)現(xiàn)未知天體”的情境創(chuàng)設(shè)，圍繞”如何測得星球的質(zhì)量？”這一中心問題展開學(xué)生的討論活動，在讓學(xué)生覺得有趣味的同時，通過小組討論、合作學(xué)習(xí)來促使學(xué)生創(chuàng)造性的思考、解決本節(jié)課的中心問題。2.多媒體和現(xiàn)代測量方法——傳感器讓學(xué)生感受技術(shù)帶來的便捷。（三） 、物理學(xué)史展現(xiàn)人文魅力啟示：一旦測出了引力常量G,那么就可以利用公式得到地球的質(zhì)量了。1798年，卡文迪許通過自己設(shè)計的扭秤實驗，成功得到了引力常量的值。因此卡文迪許把自己的實驗說成是“稱量地球的重量”，是不無道理的。而正是這段故事，讓一個外行人、著名文學(xué)家馬克?吐溫滿懷激情的說：“科學(xué)真是迷人。根據(jù)零星的事實，增添一點猜想，竟能贏得那么多的收獲！”（四） 、課堂延伸一一如何得到這一天體的密度？設(shè)計說明：在這一問題中，老師提示了球體的體積公式，然后就把時間交給學(xué)生了。學(xué)生進行了積極的演算，可得到的答案有兩種，一種是帶有半徑的，而另一種則是把半徑約分掉的?！盀槭裁窗霃娇梢约s掉呢？”這一問題又再一次促進了學(xué)生的思考。而這也保證了課堂的開放性。（五） 、發(fā)現(xiàn)未知天體視頻：“海王星的發(fā)現(xiàn)”，一一展現(xiàn)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的足跡，注重學(xué)生進行科學(xué)態(tài)度和情感。諾貝爾物理學(xué)獎獲得者、物理學(xué)家馮勞厄說：“沒有任何東西像牛頓引力理論對行星軌道的計算那樣，如此有力的樹立起人們對年輕物理學(xué)的尊敬。從此以后，這門自然科學(xué)成了巨大的精神王國”（六） 、課堂小結(jié)與反饋簡單回顧本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容七、 板書設(shè)計：第4節(jié)《萬有引力理論的成就》一、 圖片欣賞，引入新課二、 測中心天體的質(zhì)量三、 卡文迪許――人文魅力四、 應(yīng)用測天體密度發(fā)現(xiàn)未知天體八、教學(xué)反思：本節(jié)課在教學(xué)設(shè)計上創(chuàng)造性的使用教材，通過“學(xué)生成為宇航員駕駛宇宙飛船發(fā)現(xiàn)未知天體”的情境創(chuàng)設(shè)，讓學(xué)生在極大的趣味中完成了本節(jié)中心內(nèi)容的教學(xué)。學(xué)生的學(xué)習(xí)過程脈絡(luò)清晰。物理學(xué)家的人文魅力學(xué)生也有一定的感知。《萬有引力理論的成就》教學(xué)設(shè)計2【教學(xué)目標(biāo)】（一）知識與技能1．了解萬有引力定律在天文學(xué)上的重要應(yīng)用。2．會用萬有引力定律計算天體質(zhì)量。3．理解并運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．通過萬有引力定律推導(dǎo)出計算天體質(zhì)量的公式。2．了解天體中的知識。（三）情感、態(tài)度與價值觀體會萬有引力定律在人類認(rèn)識自然界奧秘中的巨大作用，讓學(xué)生懂得理論來源于實踐?！窘虒W(xué)重點】1．行星繞太陽的運動的向心力是由萬有引力提供的。2．會用已知條件求中心天體的質(zhì)量。教學(xué)難點】根據(jù)已有條件求中心天體的質(zhì)量。教師啟發(fā)、引導(dǎo)，學(xué)生自主閱讀、思考，討論、交流學(xué)習(xí)成果?！窘虒W(xué)工具】課件、計算機、地球儀、投影儀等多媒體教學(xué)設(shè)備。【教學(xué)過程】一、引入新課教師活動：上節(jié)我們學(xué)習(xí)了萬有引力定律的有關(guān)知識，現(xiàn)在請同學(xué)們回憶一下，萬有引力定律的內(nèi)容及公式是什么？公式中的G又是什么？G的測定是誰完成的？學(xué)生活動：思考并回答上述問題：內(nèi)容：自然界中任何兩個物體都是相互吸引的，引力的大小跟這兩個物體的質(zhì)量的乘積成正比，跟它們的距離的平方成反比。公式：F=G.公式中的G是引力常量，它在大小上等于質(zhì)量為1kg的兩個物體相距1m時所產(chǎn)生的引力大小，經(jīng)測定其值為6.67X10—11N?m2/kg2。G的測定是由卡文迪許完成的。教師活動：(播音部分)牛頓(1643—1727)是英國著名的物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家和天文學(xué)家，是十七世紀(jì)最偉大的科學(xué)巨匠。牛頓一生對科學(xué)事業(yè)所做的貢獻，遍及物理學(xué)、數(shù)學(xué)和天文學(xué)等領(lǐng)域。牛頓在物理學(xué)上最主要的成就，是創(chuàng)立了經(jīng)典力學(xué)的基本體系，對于光學(xué)，牛頓致力于光的顏色和光的本性的研究，也作出了重大貢獻。牛頓在數(shù)學(xué)方面，總結(jié)和發(fā)展了前人的工作，提出了“流數(shù)法”，建立了二項式定理，創(chuàng)立了微積分。在天文學(xué)方面，牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律，創(chuàng)制了反射望遠(yuǎn)鏡，并且用它初步觀察到了行星運動的規(guī)律。上面用了兩個字“發(fā)現(xiàn)”，不是發(fā)明！正如幼兒園有一個小朋友造句：我爸爸發(fā)現(xiàn)了我的媽媽，然后發(fā)明了我。萬有引力發(fā)現(xiàn)后，再經(jīng)過了一百多年，才確定引力常量?？ㄎ牡显S扭秤的.主要部分是一個輕而堅固的T型架，倒掛在一根金屬絲的下端。T形架水平部分的兩端各裝一個質(zhì)量是m的小球，T形架的豎直部分裝一面小平面鏡M,它能把射來的光線反射到刻度尺上，這樣就能比較精確地測量金屬絲的扭轉(zhuǎn)。他測定了引力常量。這也提供了我們測量微小物體質(zhì)量的方法。古代，曹操的兒子曹沖利用浮力稱出了大象的質(zhì)量。那我們現(xiàn)在有沒有可能利用已知的知識來稱地球呢？二、進行新課（一）“科學(xué)真實迷人”教師活動：引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材“科學(xué)真實迷人”部分的內(nèi)容，思考問題［投影出示］：1．推導(dǎo)出地球質(zhì)量的表達式，說明卡文迪許為什么能把自己的實驗說成是“稱量地球的重量”？設(shè)地面附近的重力加速度g=9.8m/s2,地球半徑R=6.4X106m，引力常量G=6.67X10-llNm2/kg2,試估算地球的質(zhì)量。學(xué)生活動：閱讀課文，推導(dǎo)出地球質(zhì)量的表達式，在練習(xí)本上進行定量計算。教師活動：由于地球自轉(zhuǎn)非常慢，一天只轉(zhuǎn)了一圈，所以對應(yīng)的自轉(zhuǎn)偏向力很小。在這里，我們忽略不計。投影學(xué)生的推導(dǎo)、計算過程，一起點評。kg重力加速度與高度的變化：若物體靜止在距離地面高為h的高空（二）計算天體的質(zhì)量教師活動：（課件展示太陽系里面的星體的美麗圖片），《萬有引力理論的成就》教學(xué)設(shè)計引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材“天體質(zhì)量的計算”部分的內(nèi)容，同時考慮下列問題［投影出示］：應(yīng)用萬有引力定律求解天體質(zhì)量的基本思路是什么？求解天體質(zhì)量的方程依據(jù)是什么？學(xué)生活動：學(xué)生閱讀課文第一部分，從課文中找出相應(yīng)的答案。求解天體質(zhì)量的基本思路是：根據(jù)環(huán)繞天體的運動情況，求出其向心加速度，然后根據(jù)萬有引力充當(dāng)向心力，進而列方程求解.從前面的學(xué)習(xí)知道，天體之間存在著相互作用的萬有引力，而行星（或衛(wèi)星）都在繞恒星（或行星）做近似圓周的運動，而物體做圓周運動時合力充當(dāng)向心力，故對于天體所做的圓周運動的動力學(xué)方程只能是萬有引力充當(dāng)向心力，這也是求解中心天體質(zhì)量時列方程的根源所在。教師活動：引導(dǎo)學(xué)生深入探究請同學(xué)們結(jié)合課文知識以及前面所學(xué)勻速圓周運動的知識，加以討論、綜合，然后思考下列問題［投影出示］。學(xué)生代表發(fā)言。1．天體實際做何運動？而我們通?？烧J(rèn)為做什么運動？2．描述勻速圓周運動的物理量有哪些？3．根據(jù)環(huán)繞天體的運動情況求解其向心加速度有幾種求法？應(yīng)用天體運動的動力學(xué)方程 萬有引力充當(dāng)向心力求出的天體質(zhì)量有幾種表達式？各是什么？各有什么特點？應(yīng)用此方法能否求出環(huán)繞天體的質(zhì)量？學(xué)生活動：討論，得出答案。學(xué)生代表發(fā)言。天體實際運動是沿橢圓軌道運動的，而我們通常情況下可以把它的運動近似處理為圓形軌道，即認(rèn)為天體在做勻速圓周運動。在研究勻速圓周運動時，為了描述其運動特征，我們引進了線速度v,角速度3,周期T三個物理量。根據(jù)環(huán)繞天體的運動狀況，a心=4n2r/T2應(yīng)用天體運動的動力學(xué)方程——萬有引力充當(dāng)向心力，結(jié)合圓周運動向心加速度方程，即(3)F弓丨=G=F心二ma心二m即：G二m③從上述動力學(xué)方程的表述中，可得到相應(yīng)的天體質(zhì)量表達形式：M=4n2r3/GT2.同理可得：M=v2r/G或者M=s2r3/G.上述三種表達式分別對應(yīng)在已知環(huán)繞天體的線速度v,角速度3,周期T時求解中心天體質(zhì)量的方法。以上各式中M表示中心天體質(zhì)量，m表示環(huán)繞天體質(zhì)量，r表示兩天體間距離，G表示引力常量。從以上各式的推導(dǎo)過程可知，利用此法只能求出中心天體的質(zhì)量，而不能求環(huán)繞天體的質(zhì)量，因為環(huán)繞天體的質(zhì)量同時出現(xiàn)在方程的兩邊，已被約掉。師生互動：從上面的學(xué)習(xí)可知，在應(yīng)用萬有引力定律求解天體質(zhì)量時，只能求解中心天體的質(zhì)量，而不能求解環(huán)繞天體的質(zhì)量。而在求解中心天體質(zhì)量的三種表達式中，最常用的是已知周期求質(zhì)量的方程。因為環(huán)繞天體運動的周期比較容易測量。教師活動：投影例題：某宇航員駕駛航天飛機到某一星球，他使航天飛機貼近該星球附近飛行一周，測出飛行時間為4.5?103s,則該星球的平均密度是多少？學(xué)生活動：在練習(xí)本上分析計算，寫出規(guī)范解答：分析：航天飛機繞星球飛行，萬有引力提供向心力，所以：教師活動：投影學(xué)生求解過程，點評。（三）發(fā)現(xiàn)未知天體教師活動：請同學(xué)們閱讀課文“發(fā)現(xiàn)未知天體”部分的內(nèi)容，考慮以下問題［投影出示］：教學(xué)設(shè)計應(yīng)用萬有引力定律除可估算天體質(zhì)量外，還可以在天文學(xué)上有何應(yīng)用？應(yīng)用萬有引力定律發(fā)現(xiàn)了哪些行星？學(xué)生活動：閱讀課文，從課文中找出相應(yīng)的答案：應(yīng)用萬有引力定律還可以用來發(fā)現(xiàn)未知的天體。海王星、冥王星就是應(yīng)用萬有引力定律發(fā)現(xiàn)的。教師活動：投影海王星照片與它的地貌照片引導(dǎo)學(xué)生深入探究：人們是怎樣應(yīng)用萬有引力定律來發(fā)現(xiàn)未知天體的？發(fā)表你的看法。學(xué)生活動：討論并發(fā)表見解。人們在長期的觀察中發(fā)現(xiàn)天王星的實際運動軌道與應(yīng)用萬有引力定律計算出的軌道總存在一定的偏差，所以懷疑在天王星周圍還可能存在有行星，然后應(yīng)用萬有引力定律，結(jié)合對天王星的觀測資料，便計算出了另一顆行星的軌道，進而在計算的位置觀察新的行星。教師點評：萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)，為天文學(xué)的發(fā)展起到了積極的作用，用它可以來計算天體的質(zhì)量，同時還可以來發(fā)現(xiàn)未知天體．三、課堂總