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高中物理万有引力定律教学设计

2020-10-06 19:20  作者:admin  
本页关键词:高中万有引力定律,

  作为一名教职工,常常要根据教学需要编写教学设计,借助教学设计可以提高教学效率和教学质量。我们该怎么去写教学设计呢?以下是小编精心整理的高中物理万有引力定律教学设计,欢迎阅读,希望大家能够喜欢。

  1、在开普勒第三定律的基础上,推导得到万有引力定律,使学生对此定律有初步理解;

  3、使学生能认识到万有引力定律的普遍性(它存在宇宙中任何有质量的物体之间,不管它们之间是否还有其它作用力)。

  2、使学生能应用万有引力定律和圆周运动知识解决行星绕恒星和卫星绕行星运动的天体问题。

  1、使学生在学习万有引力定律的过程中感受到万有引力定律的发现是经历了几代科学家的不断努力,甚至付出了生命,最后牛顿总结了前人经验的基础上才发现的。让学生在应用万有引力定律的过程中应多观察、多思考。

  万有引力定律的内容固然重要,让学生了解发现万有引力定律的过程更重要。建议教师在授课时,应提倡学生自学和查阅资料。教师应准备的资料应更广更全面。通过让学生阅读“万有引力定律的发现过程”,让学生根据牛顿提出的几个结果自己去猜测万有引力与那些量有关。教师在授课时可以让学生自学,也可由教师提出问题让学生讨论,也可由教师展示出开普勒三定律和牛顿的一些故事引导学生讨论。

  十七世纪中叶以前的漫长时间中,许多天文学家和物理学家(如第谷、哥白尼,伽利略和开普勒等人),通过了长期的观察、研究,已为人类揭示了行星的运动规律。但是,长期以来人们对于支配行星按照一定规律运动的原因是什么。却缺乏了解,更没有人敢于把天体运动与地面上物体的运动联系起来加以研究。

  伟大的物理学家牛顿在哥白尼、伽利略和开普勒等人研究成果的基础上,进一步将地面上的动力学规律推广到天体运动中,研究、确立了《万有引力定律》。从而使人们认识了支配行星按一定规律运动的原因,为天体动力学的发展奠定了基础。那么:

  2、通过举例分析,引导学生粗略领会牛顿研究、确立《万有引力定律》的科学推理的思维方法。

  牛顿将上述各运动联系起来研究后提出:这些力是属于同种性质的力,应遵循同一规律;并进一步指出这种力应存在于宇宙中任何具有质量的物体之间。

  (2)万有引力定律:宇宙间的一切物体都是相互吸引的。两个物体间的引力大小,跟他们之间质量的乘积成正比,跟它们的距离的平方成反比。(板书)

  式中: 为万有引力恒量 ; 为两物体的中心距离。引力是相互的(遵循牛顿第三定律)。

  学生中存在这样的问题:既然宇宙间的一切物体都是相互吸引的,哪为什么物体没有被吸引到一起?(请学生带着这个疑问解题)

  例题1、两物体质量都是1kg,两物体相距1m,则两物体间的万有引力是多少?

  例题2、已知地球质量大约是 ,地球半径为 km,地球表面的重力加速度 。

  (3)比较结果万有引力比重力大。原因是在地球表面上的物体所受万有引力可分解为重力和自转所需的向心力。

  教师请学生作课本中的练习,教师引导学生审题,并提示使用万有引力定律公式解题时,应注意因单位制不同, 值也不同,强调用国际单位制解题。请学生同时到前面,在黑板上分别作1、2、3题。其它学生在座位上逐题解答。此时教师巡回指导学生练习随时注意黑板上演算的情况。

  1、万有引力存在于宇宙中任何物体之间(天体间、地面物体间、微观粒子间)。天体间万有引力很大,为什么?留学生去想(它是支配天体运动的原因)。地面物体间,微观粒子间:万有引力很小,为什么?它不足以影响物体的运动,故常常可忽略不计。

  2、应用万有引力定律公式解题, 值选 ,式中所涉其它各量必须取国际单位制。

  组织学生编写相关小论文,通过对资料的收集,了解万有引力定律的发现过程,了解科学家们对知识的探究精神,下面就是相关的题目。

  万有引力定律这一节是本章的重点,是对前两节课内容的延伸,也是下节课教学内容的基础。教材在尊重历史事实的前提下,通过一些逻辑思维的铺垫,通过月—地检验让学生体会万有引力定律的推导过程,亲自证实了天上的力和地上的力遵守相同的规律——万有引力定律。

  通过对万有引力定律内容的分析学习,让学生知道万有引力定律的性质和适用条件,重点学会用定律解决相关题型。为下一节打好坚实的基础。

  学生已经学习了与本节内容相关的知识。如牛顿运动定律、圆周运动、开普勒三定律等,理论上已经具备了接受万有引力定律的能力。同时,近几年我国在航天事业上成就突飞猛进,这对学生学习关与宇宙、航天、卫星等相关知识有极大的促进作用。

  通过上一节课的探究学习, 学生已经知道了太阳与行星间引力的规律,为本节课打下了基础,同时激发了学生对天体运动知识的学习兴趣,挑起了学生的求知欲望。

  1、知道万有引力定律得出的思路和过程,通过月—地检验证明了天上行星之间的引力和地球上物体的重力是同种性质的力。

  1、通过万有引力定律的学习,使学生体会在科学规律发现过程猜想与求证的重要性。

  1、通过学习牛顿发现万有引力定律的思考过程及证明过程,说明科学研究的长期性,连续性及艰巨性,培养学生持之以恒的精神。同时感受物理严谨有趣的逻辑思维。

  通过本节课学习,将让学生继续进行“发现之旅”———追寻牛顿的足迹。为此整个教学流程如下:通过回忆行星与太阳间的引力规律对比苹果落地引起猜想———或许这是同一性质的力。再通过教师引导,学生亲自计算通过月—地检验得出结论:行星与太阳间引力和物体重力是同一种性质的力。然后通过合理的、更大胆的猜想总结出万有引力定律。最后通过学习卡文迪许的扭称实验测定引力常量G理解该常量的重大物理意义。

  通过苹果落地引起猜想——月—地检验理论推导——卡文迪许的扭称实验检验过程,让学生在学习物理中主动的参与知识的构建过程,体会这种充满着大胆的设想、巧妙的验证和从中体现着的科学探索的精神与方法。同时通过实验对万有引力定律的验证,强调物理实验在学习过程中的重要性。

  教师总结:是的,我和大家的想法是一样的。苹果是水果届之王,不仅在通讯领域地位显赫,在物理学上也有很重要的地位。科学巨人牛顿在他的后花园与一枚苹果的对话揭示了一条伟大的定律。万有引力定律。这条定律是如何总结出?本节课我们一起学习。

  通过上一节的学习,我们已经知道了太阳与行星间的引力规律,提问:规律是什么?

  学生集体答:太阳与行星间的引力与它们质量的乘积成正比,与他们距离的二次方成反比即 F=GMmr2。

  牛顿运用它超凡的数学能力证明了行星与太阳之间的引力关系,那么是什么力使得苹果不能离开地球而总是落回地面呢?地球吸引苹果的力和地球吸引月球的力会不会是同一种力呢?

  学生活动一:学生阅读课文39页小组讨论如何从理论上证明地球吸引月球的力与地球吸引苹果的力是同一种性质的力?(已知r月=60R地)

  观点一 假如这两个力是同一种性质的力,那么都应满足太阳与行星间引力关系式 F=GMmr2。为了避免物体质量对力大小的影响,我们可以将同一个苹果放到月球轨道上来 替代月球。这样只需求出两个引力的大小,再比较F月F地=13600即可。

  观点二 由 F=GMmr2 结合牛顿第二定律 F=ma=GMmr2 知在计算过程中可以将月球和苹果的质量约掉,只需求出它们的加速度 a=GMr2 。然后比较两个加速度的大小a月a地=13600即可证明它们是同一种性质的力。

  教师小结:加速度之比与轨道半径成反比,只需要证明a月a地=R2r2=13600即可证明地球吸引苹果的力与地球吸引月球的力是同种性质的力

  在牛顿时代,已经能测出月球到地球的距离, 月球公转周期27.3天,还有地球上物体的加速度即重力加速度g=9.8m/s2同学们能否根据以上数据验证前面的猜想呢?

  学生活动二:请学生们分小组讨论计算验证猜想,然后小组选代表讲述验证过程。

  月球绕地球运动可看出圆周运动,月球轨道上的加速度就是向心加速度可以用以下公式求出这个向心加速度再与地球上物体的加速度比之即可验证。

  结论:地球对月球的引力、地球对地面上物体的引力以及太阳与行星间的引力,确实是同一种性质的力,遵守相同的规律。

  【设计思想】让学生自己动手推导,得出结论。用无可辩驳的事实证明猜想的正确性,有更强的说服力。

  顺着这个思路继续想,既然天上的力和人间的力遵守相同的规律,那么是不是任意两个物体之间都存在这样的力呢?

  很可能,只是我们身边的物体质量比天体质量小的多,我们感觉不到而已。于是,牛顿大胆把以上规律推广到了宇宙中一切物体之间,就得到了著名的万有引力定律。

  1、内容:自然界中任何两个物体之间都存在相互作用的引力,引力的大小跟这两个物体的质量和 的乘积成正比,跟两物体之间的距离的平方成反比。

  【教师补充】 ②两物体是质量均匀分布的球体时,也可直接用公式计算,r指两球心间距。

  ③一个物体可看成质点,另一个为质量分布均匀的球体时,r取质点到球心间距。

  学生活动三:问题:当两物体间的距离 时,则两物体之间的引力 ,这种观点对么?

  如果两个物体不能看做质点,就不能用这个公式计算,但是物体间的万有引力依然存在的。

  (1).普遍性:万有引力是普遍存在于宇宙中的任何有质量的物体(大到天体小到微观粒子)间的相互吸引力,它是自然界的物体间的基本相互作用之一。

  (2).相互性:两个物体相互作用的引力是一对作用力与反作用力,符合牛顿第三定律。

  (3).宏观性:通常情况下,万有引力非常小,只有在质量巨大的天体间或天体与物体间它的存在才有宏观的物理意义.在微观世界中,粒子的质量都非常小,粒子间的万有引力很不显著,万有引力可以忽略不计。

  通过这一小节的学习我们知道了万有引力定律是如何从天上降落到了人间。也体会到了物理严谨有趣的逻辑思维。在灿烂的星空下,那些已知或未知的天体都是在万有引力定律的指挥下有条不紊的运行,多么神奇,这也体现了物理的统一、和谐之美。

  牛顿虽然发现了万有引力定律,却没有给出引力常量G的数值。由于一般物体间的引力非常小,用实验测定极其困难。直到一百多年之后,才由英国的物理学家卡文迪许用精巧的扭秤测出。课件展示图片(教材中没有,补充给学生)并介绍构造、实验过程,引导学生一起分析原理。

  扭秤的主要部分是:一个T字形轻而结实的框架,倒挂在一根石英丝下。在T形架的两端各固定一个小球,再在每个小球的附近各放一个大球,根据万有引力定律,大球会对小球产生引力,T形架会随之扭转,只要测出其扭转的角度,就可以测出引力的大小。

  由于引力很小,这个扭转的角度会很小。怎样才能把这个角度测出来呢?卡文迪许在T形架上装了一面小镜子,用一束光射向镜子,经镜子反射后的光射向远处的刻度尺,当镜子与T形架一起发生一个很小的转动时,刻度尺上的光斑会发生较大的移动。这样,就起到一个化小为大的。

  1、了解万有引力定律得出的思路和过程,知道地球上的重物下落与天体运动的统一性。

  2、知道万有引力是一种存在于所有物体之间的吸引力,知道万有引力定律的适用范围。

  3、会用万有引力定律解决简单的引力计算问题,知道万有引力定律公式中r的物理意义,了解引力常量G的测定在科学历史上的重大意义。

  1、通过演绎牛顿当年发现万有引力定律的过程,体会在科学规律发现过程中猜想与求证的重要性。

  2、通过演绎牛顿当年发现万有引力定律的过程和卡文迪许测定万有引力常量的实验,让学生体会科学家们勇于探索、永不知足的精神和发现真理的曲折与艰辛。

  如果行星的运动轨道是圆,则行星将作匀速圆周运动。根据匀速圆周运动的条件可知,行星必然要受到一个引力。牛顿认为这是太阳对行星的引力,那么,太阳对行星的引力F提供行星作匀速圆周运动所需的向心力。

  师生总结:由上式可得出结论:太阳对行星的引力跟行星的质量成正比,跟行星到太阳的距离的二次方成反比。即:F∝

  教师:牛顿根据其第三定律:太阳吸引行星的力与行星吸引太阳的力是同性质的作用力,且大小相等。于是提出大胆的设想:既然这个引力与行星的质量成正比,也应跟太阳的质量M成正比。即:F∝写成等式就是F=G (其中G为比例常数)

  教师:牛顿得到这个规律以后是不是就停止思考了呢?假如你是牛顿,你又会想到什么呢?

  猜想一:既然行星与太阳之间的力遵从这个规律,那么其他天体之间的力是否也遵从这个规律呢?(比如说月球与地球之间)

  师生: 因为其他天体的运动规律与之类似,根据前面的推导所以月球与地球之间的力,其他行星的卫星和该行星之间的力,都满足上面的规律,而且都是同一种性质的力。

  猜想二:地球与月球之间的力,和地球与其周围物体之间的力是否遵从相同的规律?

  已知:地球半径R=6.37×106m , 月球绕地球的轨道半径r=3.8×108 m ,月球绕地球的公转周期T=27.3天, 重力加速度g=9.8

  但此等式是在以上假设成立的基础上得到的,反过来若能通过其他途径证明此等式成立,也就证明了前面的假设是成立的。代人数据计算:

  即a/g=R2 / r2 成立,从而证明以上假设是成立的,说明地球与其周围物体之间的力也遵从相同的规律,即F’=G。

  这就是牛顿当年所做的著名的“月—地”检验,结果证明他的猜想是正确的。从而验证了地面上的重力与地球吸引月球、太阳吸引行星的力是同一性质的力,遵守同样的规律。

  牛顿在研究了这许多不同物体间的作用力都遵循上述引力规律之后。于是他大胆地把这一规律推广到自然界中任意两个物体间,于1687年正式发表了具有划时代意义的万有引力定律。

  自然界中任何两个物体都是相互吸引的,引力的大小跟这两个物体的质量的乘积成正比,跟它们的距离的二次方成反比。

  如果用m1和m2表示两个物体的质量,用r表示它们的距离,那么万有引力定律可以用下面的公式来表示 (其中G为引力常量)

  a、对于相距很远因而可以看作质点的物体,公式中的r 就是指两个质点间的距离;

  b、对均匀的球体,可以看成是质量集中于球心上的质点,这是一种等效的简化处理方法。

  教师:牛顿虽然得到了万有引力定律,但并没有很大的实际应用,因为当时他没有办法测定引力常量G的数值。直到一百多年后英国的另一位物理学家卡文迪许才用实验测定了G的数值。

  扭秤的主要部分是这样一个T字形轻而结实的框架,把这个T形架倒挂在一根石英丝下。若在T形架的两端施加两个大小相等、方向相反的力,石英丝就会扭转一个角度。力越大,扭转的角度也越大。反过来,如果测出T形架转过的角度,也就可以测出T形架两端所受力的大小。现在在T形架的两端各固定一个小球,再在每个小球的附近各放一个大球,大小两个球间的距离是可以较容易测定的。根据万有引力定律,大球会对小球产生引力,T形架会随之扭转,只要测出其扭转的角度,就可以测出引力的大小。当然由于引力很小,这个扭转的角度会很小。怎样才能把这个角度测出来呢?卡文迪许在T形架上装了一面小镜子,用一束光射向镜子,经镜子反射后的光射向远处的刻度尺,当镜子与T形架一起发生一个很小的转动时,刻度尺上的光斑会发生较大的移动。这样,就起到一个化小为大的效果,通过测定光斑的移动,测定了T形架在放置大球前后扭转的角度,从而测定了此时大球对小球的引力。卡文迪许用此扭秤验证了牛顿万有引力定律,并测定出万有引力恒量G的数值。这个数值与近代用更加科学的方法测定的数值是非常接近的。

  卡文迪许测定的G值为6.754×10—11 N·m2/kg2,现在公认的G值为6.67×10—11 N·m2/kg2。由于万有引力恒量的数值非常小,所以一般质量的物体之间的万有引力是很小的,我们可以估算一下,两个质量50kg的同学相距0.5m时之间的万有引力有多大(可由学生回答:约6.67×10—7N),这么小的力我们是根本感觉不到的。只有质量很大的物体对一般物体的引力我们才能感觉到,如地球对我们的引力大致就是我们的重力,月球对海洋的引力导致了潮汐现象。而天体之间的引力由于星球的质量很大,又是非常惊人的:如太阳对地球的引力达3.56×1022N。

  17世纪自然科学最伟大的成果之一,它把地面上的物体运动的规律和天体运动的规律统一了起来,对以后物理学和天文学的发展具有深远的影响,而且它第一次揭示 了自然界中的一种基本相互作用的规律,在人类认识自然的历史上树立了一座里程碑。

  二、课型:概念课(物理按教学内容课型分为:规律课、概念课、实验课、习题课、复习课)

  1、理解万有引力定律的含义并会用万有引力定律公式解决简单的引力计算问题。

  (二)过程与方法:在万有引力定律建立过程的学习中,学习发现问题、提出问题、猜想假设与推理论证等方法。

  1、培养学生研究问题时,抓住主要矛盾,简化问题,建立理想模型的处理问题的能力。

  2、通过牛顿在前人的基础上发现万有引力定律的思考过程,说明科学研究的长期性,连续性及艰巨性,提高学生科学价值观。

  2、学生能把地面上的物体所受重力与其他星球与地球之间存在的引力是同性质的力联系起来。

  回顾以前对月—地检验部分的学习,明确既然太阳与行星之间,地球与月球之间、地球对地面物体之间具有与两个物体的质量成正比,跟它们的距离的二次方成反比的引力。这里进一步大胆假设:是否任何两个物体之间都存在这样的力?

  引发学生思考:很可能有,只是因为我们身边的物体质量比天体的质量小得多,我们不易觉察罢了,于是我们可以把这一规律推广到自然界中任意两个物体间,即具有划时代意义的万有引力定律.然后在学生的兴趣中进行假设论证。

  教师引导总结:万有引力是普遍存在于宇宙中任何有质量的物体之间的相互吸引力。日对地、地对月、地对地面上物体的引力都是其实例。

  2、万有引力定律怎样反映物体之间相互作用的规律?其数学表达式如何?并注明每个符号的单位和物理意义。

  教师引导总结:万有引力定律的内容是:宇宙间一切物体都是相互吸引的。两物体间的引力大小,跟它的质量的乘积成下比,跟它们间的距离平方成反比. 式中各物理量的含义及单位:F为两个物体间的引力,单位:N.m1、m2分别表示两个物体的质量,单位:kg,r为两个物体间的距离,单位:m.G为万有引力常量:G=6.67×10—11 N·m2/kg2,它在数值上等于质量是1Kg的物体相距米时的相互作用力,单位:N·m2/kg2。

  教师引导总结:只适用于两个质点间的引力,当物体之间的距离远大于物体本身时,物体可看成质点;当两物体是质量分布均匀的球体时,它们间的引力也可直接用公式计算,但式中的r是指两球心间的距离。

  教师引导总结:万有引力定律的发现有着重要的物理意义:它对物理学、天文学的发展具有深远的影响;它把地面上物体运动的规律和天体运动的规律统一起来;对科学文化发展起到了积极的推动作用,解放了人们的思想,给人们探索自然的奥秘建立了极大信心,人们有能力理解天地间的各种事物。

  在完成上述问题后,小组讨论,学生在教师的引导下进一步深化对万有引力定律的理解,即:

  1、普遍性:万有引力存在于任何两个物体之间,只不过一般物体的质量与星球相比太小了,他们之间的万有引力也非常小,完全可以忽略不计。

  4、适用性:只适用于两个质点间的引力,当物体之间的距离远大于物体本身时,物体可看成质点;当两物体是质量分布均匀的球体时,它们间的引力也可直接用公式计算,但式中的r是指两球心间的距离。

  请两名学生上讲台做个游戏:两人靠拢后离开三次以上。创设情境,加深学生对本节知识点的印象和运用,请一位同学上台展示计算结果,师生互评。

  1、请估算这两位同学,相距1m远时它们间的万有引力多大?(可设他们的质量为50kg)

  2、已知地球的质量约为6.0×1024kg,地球半径为6.4×106m,请估算其中一位同学和地球之间的万有引力又是多大?

  3、已知地球表面的重力加速度,则其中这位同学所受重力是多少?并比较万有引力和重力?

  比较结果为万有引力比重力大,原因是因为在地球表面上的物体所受万有引力可分解为重力和自转所需的向心力。

  小结:学生在教师引导下认真总结概括本节内容,完成多媒体呈现的知识网络框架图,并把自己这节课的体会写下来、比较黑板上的小结和自己的小结,进行生生互评。