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《万有引力定律》教学设计

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《万有引力定律》教学设计


【教材分析】

       万有引力定律是本章的核心,从内容性质与地位上看,本节内容是对上一节“太阳与行星间的引力”的进一步外推,即:从天体运动推广到地面上任何物体的运动;又是下一节掌握万有引力理论在天文学上应用的学习基础。教材在尊重历史事实的前提下,通过一些逻辑思维的铺垫,让学生以自己现有的知识基础,经历一次“发现”万有引力定律的过程。本节重点内容是理解万有引力定律的推导思路和过程,掌握万有引力定律的内容及表达公式,知道万有引力定律得出的意义,知道任何物体间都存在着万有引力,且遵循相同的规律。本节难点是物体间距离的理解。另外本节内容还注重是对学生“科学方法”教育和“情感态度与价值观”的教育:使学生认识科学研究过程中根据事实和分析推理进行猜想、假设和检验的重要性,培养学生的推理能力、概括能力和归纳总结能力;本节结合“月—地检验”,经历思维程序“提出问题→猜想与假设→理论推导→实际测量→验证结论”培养学生探究思维能力;使学生学习科学家们坚持不懈、勇往直前和一丝不苟的工作精神,培养学生良好的学习习惯和善于探索的思维品质。

【学情分析】

       上节内容中,学生用所学的“圆周运动”、“开普勒行星运动定律”和“牛顿运动定律”知识,经历了一系列科学探究过程,得出了太阳与行星间的引力特点,学生对天体运动的研究产生了极大的兴趣和求知欲。另一方面我国在航天事业上成就突出,捷报频传,极大的激发了学生学习有关宇宙、航天、卫星知识的兴趣。本节课教师再引导学生从太阳与行星间引力的规律出发,根据类比事实将“平方反比关系”的作用力进行猜想,假设和推广,从太阳对行星的引力到地球对月球的引力,再到任意物体间的吸引力都满足“平方反比的关系”。学生会带着好奇和探究意识以及必要的检验论证,一路探究下去,最终得出万有引力定律。使学生在理解掌握万有引力定律的基础上,培养了探究思维能力和良好的思维品质,为学生终身发展打下基础。

【教学目标】

一、知识与技能

1.理解万有引力定律的推导思路和过程。

2.理解掌握万有引力定律的内容及表达公式,知道万有引力定律得出的意义。

3.知道任何物体间都存在着万有引力,且遵循相同的规律。

二、过程与方法

1.认识科学研究过程中根据事实和分析推理进行猜想、假设和检验的重要性,训练学生的推理能力、概括能力和归纳总结能力。

2.结合“月—地检验”,经历思维程序“提出问题→猜想与假设→理论推导→实际测量→验证结论”训练学生探究思维能力。

三、情感态度与价值观

1.学习科学家们谦逊的美德,使学生在学习中互相协作、互相借鉴,培养团队精神。

2.认识天文观测、分析推理、归纳总结等科学意识和方法的重要性,培养学生尊重客观事实并透过现象看本质的认识观。

3.学习科学家们坚持不懈、勇往直前和一丝不苟的工作精神,培养学生良好的学习习惯和善于探索的思维品质。

【教学重点】

1.月-地检验的推导过程。

2.万有引力定律的内容及表达公式。

【教学难点】

1.对万有引力定律的理解。

2.使学生能把地面上的物体所受重力与月地之间存在的引力是同性质的力联系起来。

【教学方法】

启发式教学、发现学习教学、合作探究教学等。

【教学过程】

 、新课引入

教师活动

学生活动

自远古以来,当人们仰望星空时,天空中壮丽璀璨的景象便吸引了他们的注意。智慧的头脑开始探索星体运动的奥秘。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:表达式是怎样的?

这一节我们将继续追寻牛顿的足迹“发现”万有引力定律。

学生回答

 

 

 

 

二、教授新课

(一)万有引力的猜想

教师活动

学生活动

展示课件提问是什么原因使行星绕太阳公转而没有离开太阳?

思考:(1)是什么原因使月球绕地球公转而没有离开地球?

思考:(2)地面上的物体,被抛出去后总要落回地面,是什么原因使物体不离开地球呢?

猜想:地球和月球之间的吸引力会不会与地球吸引苹果的力是同一种力?

牛顿推想:如果苹果树长得很高,苹果会不会落地呢?即使在最高的建筑物上和最高的山顶上,也都会感受到重力的作用,那么,这个力必定延伸到很远的地方,会不会作用到月球上?但月球为何不像苹果那样落地呢?

如果从高山上把苹果水平抛出,在重力作用下将沿抛物线落到了地面,如果抛出的速度再大些呢?当抛出速度足够大时,苹果就会绕地球一圈、两圈、乃至永远绕地球作圆周运动而不落回到地面上。可见:

地球和月球之间的吸引力与地球吸引苹果的力可能是同一种力。

继续猜想:拉住月球使它绕地球运动的力,与拉着苹果使它下落的力,以及众行星与太阳之间的作用力也许真的是同一种力,遵循相同的规律?

牛顿的猜想:这些力是同一种性质的力,并且都遵从与距离的平方成反比的规律.

学生回答:太阳对行星的引力使行星绕太阳公转不能飞离太阳

学生猜想:(1)地球对月球的引力使月球绕地球公转而不飞离地球

学生猜想:(2)地球对地面上苹果的引力使苹果不离开地球

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

学生猜想是同一种力,都遵从相同规律

 

设计说明:通过苹果自由下落的物理情景,唤醒学生脑中当年由苹果落地而引起遐想进而发现万有引力定律的故事情景,从而启发学生设问,使牛顿的想法能够激发学生的兴趣与想像力

(二)万有引力的检验-----地检验

教师活动

学生活动

课件展示-地检验的目的是为了验证地球对地面上苹果的引力与地球对月球的引力应该同样遵从“平方反比”律,即 

猜想就要验证,不能实验,只能理论验证。引导学生探讨检验的思路是先假定猜想成立,理论推导,再看与实际测量的结果是否一致

课件展示当时已知的一些量:

      地表重力加速度:g = 9.8m/s2

      地球半径:      R = 6400×103m

      月球周期:      T =  27.3

      月球轨道半径:  r  60R 

通过这些已知条件如何来证明:苹果、月球受力也满足“ ”的关系呢?

提问:(1)月球做什么运动?地球对月球的吸引力有什么作用?请用牛顿第二定律表示此力

(2)苹果在地面附近受到的地球的吸引力表现为什么力?

(3)要验证这两个力是同种力会用到哪个物理量?

学生讨论,最后教师通过课件展示与学生共同整理思路。学会当不能直接验证物理量关系式可借助其他物理量进行间接验证。

如若这两个力是同种力,由已知条件,a和g应有什么关系?

课件展示:

1、先假定猜想成立,理论推导:

2、实际测量:

可见:用数据说明上述设想的正确性,牛顿的猜想经受了事实的检验,地球对月球的力,地球对地面物体的力真是同一种力。至此,平方反比规律已经扩展到太阳与行星之间,地球与月球之间、地球对地面物体之间。

既然天上的月球和地上的苹果受到同一种性质的力,遵循相同的规律,那么我们可以展开想象的翅膀,更大胆设想:是否宇宙中的一切物体间都有这样的力?

若地面上的两个物体间存在引力,为何两个物体没有在引力作用下紧靠在一起?

于是我们把这一规律推广到自然界中任意两个物体间。

 

 

 

 

 

讨论检验思路,培养探究思维能力。

 

 

 

    思考如何证明苹果、月亮受力也满足“平方反比”的关系

    学生回答:(1)月球做匀速圆周运动,地球对月球的吸引力提供了向心力。F地月=F=ma(在副板上书写)

(2)苹果在地面附近受到的地球的吸引力表现为重力。 F地苹=G=mg(在副板上书写)

(3)会用到加速度a(由以上两个表达式猜想)        

学生分组讨论研究a和g之间的关系,通过学生互评、老师点评理清思路,得出结论。 

亲身体验推导过程,猜想得到证实,学生的学习热情进一步提升。

 

 

 

 

    学生思考:很有可能

 

    学生思考: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



 

设计说明:通过创设情景,引导学生定量计算,用无可辩驳的事实证明猜想的正确性,增强学生的理性认识。

(三)万有引力定律的得出

教师活动

学生活动

牛顿认为自然界中任何两个有质量的物体间都存在引力.并于1687年在《自然哲学的数学原理》

一书中发表了著名的万有引力定律。

1.内容:自然界中任何两个物体都相互吸引,引力的方向在它们的连线上,引力的大小F与物体的质量m1和m2的乘积成正比,与它们的距离r的二次方成反比.

指导学生对新知识的学习要学会对重点字词的勾画,提取有用信息,加强理解。

万有引力定律的数学表达式如何?每个符号的单位和物理意义。 

教师在学生回答的基础上展示课件

2.公式:

     F---两个物体间的引力,单位:N.

  m1,m2 ---两物体的质量,单位:kg

  r ---两物体间的距离,单位:m

 G ---比例系数,叫引力常量,适用于任何物体,G的国际单位         

万有引力定律清楚地向人们提示,复杂运动的背后隐藏着简洁的科学规律;它明确地向人们宣告,天上和地下都遵循着完全相同的科学法则。

      虽然任何两物体间都存在引力,但万有引力定律却有其适用条件

3.公式的适用条件:

①(理想情况)两个质点间引力大小的计算。

②(实际情况)若两个物体间的距离远大于物体本身大小时,两个物体可看成质点。如:太阳与行星间、地球与月球间。

③  质量分布均匀的两个球体,可视为质量集中于球心。

进一步深入思考:

例.由公式 可知,当两物体之间的距离 ,两个物体可视为质点,公式适用,则两物体之间的引力 。当两物体间的距离 ,则两物体之间的引力 ,这种观点对么? 为什么?

万有引力定律是17世纪自然科学最伟大的成果之一,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;使人们建立了有能力理解天地间的各种事物的信心,解放了人们的思想,在科学文化的发展史上起了积极的推动作用。

牛顿虽然发现了万有引力定律,但却无法算出两个天体间的万有引力大小,因为他不知道引力常量G的值.直到一百多年后英国物理学家卡文迪许才完成了G值的测量。

 

 

 

 

 

 

 

学生阅读定律,寻找有用信息

 

 

       学生讨论回答教师提问

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

学生思考理解

 

 

 

 

学生讨论得出答案:当两物体间距离时,物体不能看成质点,公式 已不再适用。

 

 

学生感知万有引力定律的意义

设计说明:启发学生更大胆的猜想,并在教师设问中,自主阅读定律,做到有的放矢,自主学习,最后引导学生讨论总结回答问题,再增强学生的科学表达能力。

(四)万有引力定律的检验---引力常量G的测量实验 

教师活动

学生活动

很显然由万有引力定律看出引力常量G的测量思路:

由于一般物体间的引力非常小,用实验测定极其困难。1798年,英国物理学家卡文迪许巧妙地利用扭秤装置,第一次在实验室里对两个铅球间的引力大小F做了精确测量和计算,比较准确地测出了引力常量G的数值。

卡文迪许之所以会想到扭秤装置,是因为在18世纪80年代,库仑为定量研究电荷间的相互作用力而发明了扭秤装置,实现了对微小量的巧妙测量。卡文迪许则巧妙地利用和改进了扭秤装置,测出了引力常量G。难怪有人形象地称他们是“天才发明和天才借鉴”,我们在学习中互相协作、互相借鉴也是具有重要意义的。

引力常量通常取

G的含义—表示两质量m1 =m2=1kg的匀质小球,相距r=1m时万有引力的大小。

引导学生思考引力常量的测定有何实际意义?

 

 

 

 

  

 

学生体会在学习中互相协作、互相借鉴的意义。

 

 

引力恒量G的测定:1、用实验证明了万有引力的存在和万有引力定律的正确性;

2、使万有引力定律公式有了真正的实用价值

设计说明:通过图片展示和教师讲解,结合物理学史,让学生体会引力常量的测定重要实际意义,体会在学习中互相协作、互相借鉴的意义,寓德育教育于教学中。

(五)课堂小结

教师活动

学生活动

今天,我们从太阳与行星间引力的作用出发,根据类比事实将“平方反比关系”的作用力进行猜想和假设、检验和推广,从而得出万有引力定律。

请同学们互相讨论总结这节课有什么收获?

课件展示课堂总结。

 

 

 

学生踊跃发言,畅谈收获。

设计说明:学生自主讨论学习收获。

(六)布置作业

预习第四节,思考万有引力定律有哪些应用?

 

 


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