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《萬有引力定律》教學設計

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《萬有引力定律》教學設計


【教材分析】

       萬有引力定律是本章的核心,從內容性質與地位上看,本節內容是對上一節“太陽與行星間的引力”的進一步外推,即:從天體運動推廣到地面上任何物體的運動;又是下一節掌握萬有引力理論在天文學上應用的學習基礎。教材在尊重歷史事實的前提下,通過一些邏輯思維的鋪墊,讓學生以自己現有的知識基礎,經歷一次“發現”萬有引力定律的過程。本節重點內容是理解萬有引力定律的推導思路和過程,掌握萬有引力定律的內容及表達公式,知道萬有引力定律得出的意義,知道任何物體間都存在著萬有引力,且遵循相同的規律。本節難點是物體間距離的理解。另外本節內容還注重是對學生“科學方法”教育和“情感態度與價值觀”的教育:使學生認識科學研究過程中根據事實和分析推理進行猜想、假設和檢驗的重要性,培養學生的推理能力、概括能力和歸納總結能力;本節結合“月—地檢驗”,經歷思維程序“提出問題→猜想與假設→理論推導→實際測量→驗證結論”培養學生探究思維能力;使學生學習科學家們堅持不懈、勇往直前和一絲不茍的工作精神,培養學生良好的學習習慣和善于探索的思維品質。

【學情分析】

       上節內容中,學生用所學的“圓周運動”、“開普勒行星運動定律”和“牛頓運動定律”知識,經歷了一系列科學探究過程,得出了太陽與行星間的引力特點,學生對天體運動的研究產生了極大的興趣和求知欲。另一方面我國在航天事業上成就突出,捷報頻傳,極大的激發了學生學習有關宇宙、航天、衛星知識的興趣。本節課教師再引導學生從太陽與行星間引力的規律出發,根據類比事實將“平方反比關系”的作用力進行猜想,假設和推廣,從太陽對行星的引力到地球對月球的引力,再到任意物體間的吸引力都滿足“平方反比的關系”。學生會帶著好奇和探究意識以及必要的檢驗論證,一路探究下去,最終得出萬有引力定律。使學生在理解掌握萬有引力定律的基礎上,培養了探究思維能力和良好的思維品質,為學生終身發展打下基礎。

【教學目標】

一、知識與技能

1.理解萬有引力定律的推導思路和過程。

2.理解掌握萬有引力定律的內容及表達公式,知道萬有引力定律得出的意義。

3.知道任何物體間都存在著萬有引力,且遵循相同的規律。

二、過程與方法

1.認識科學研究過程中根據事實和分析推理進行猜想、假設和檢驗的重要性,訓練學生的推理能力、概括能力和歸納總結能力。

2.結合“月—地檢驗”,經歷思維程序“提出問題→猜想與假設→理論推導→實際測量→驗證結論”訓練學生探究思維能力。

三、情感態度與價值觀

1.學習科學家們謙遜的美德,使學生在學習中互相協作、互相借鑒,培養團隊精神。

2.認識天文觀測、分析推理、歸納總結等科學意識和方法的重要性,培養學生尊重客觀事實并透過現象看本質的認識觀。

3.學習科學家們堅持不懈、勇往直前和一絲不茍的工作精神,培養學生良好的學習習慣和善于探索的思維品質。

【教學重點】

1.月-地檢驗的推導過程。

2.萬有引力定律的內容及表達公式。

【教學難點】

1.對萬有引力定律的理解。

2.使學生能把地面上的物體所受重力與月地之間存在的引力是同性質的力聯系起來。

【教學方法】

啟發式教學、發現學習教學、合作探究教學等。

【教學過程】

 、新課引入

教師活動

學生活動

自遠古以來,當人們仰望星空時,天空中壯麗璀璨的景象便吸引了他們的注意。智慧的頭腦開始探索星體運動的奧秘。通過上一節的學習,我們已經知道了太陽與行星間的引力規律,提問:表達式是怎樣的?

這一節我們將繼續追尋牛頓的足跡“發現”萬有引力定律。

學生回答

 

 

 

 

二、教授新課

(一)萬有引力的猜想

教師活動

學生活動

展示課件提問是什么原因使行星繞太陽公轉而沒有離開太陽?

思考:(1)是什么原因使月球繞地球公轉而沒有離開地球?

思考:(2)地面上的物體,被拋出去后總要落回地面,是什么原因使物體不離開地球呢?

猜想:地球和月球之間的吸引力會不會與地球吸引蘋果的力是同一種力?

牛頓推想:如果蘋果樹長得很高,蘋果會不會落地呢?即使在最高的建筑物上和最高的山頂上,也都會感受到重力的作用,那么,這個力必定延伸到很遠的地方,會不會作用到月球上?但月球為何不像蘋果那樣落地呢?

如果從高山上把蘋果水平拋出,在重力作用下將沿拋物線落到了地面,如果拋出的速度再大些呢?當拋出速度足夠大時,蘋果就會繞地球一圈、兩圈、乃至永遠繞地球作圓周運動而不落回到地面上。可見:

地球和月球之間的吸引力與地球吸引蘋果的力可能是同一種力。

繼續猜想:拉住月球使它繞地球運動的力,與拉著蘋果使它下落的力,以及眾行星與太陽之間的作用力也許真的是同一種力,遵循相同的規律?

牛頓的猜想:這些力是同一種性質的力,并且都遵從與距離的平方成反比的規律.

學生回答:太陽對行星的引力使行星繞太陽公轉不能飛離太陽

學生猜想:(1)地球對月球的引力使月球繞地球公轉而不飛離地球

學生猜想:(2)地球對地面上蘋果的引力使蘋果不離開地球

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

學生猜想是同一種力,都遵從相同規律

 

設計說明:通過蘋果自由下落的物理情景,喚醒學生腦中當年由蘋果落地而引起遐想進而發現萬有引力定律的故事情景,從而啟發學生設問,使牛頓的想法能夠激發學生的興趣與想像力

(二)萬有引力的檢驗-----地檢驗

教師活動

學生活動

課件展示-地檢驗的目的是為了驗證地球對地面上蘋果的引力與地球對月球的引力應該同樣遵從“平方反比”律,即 

猜想就要驗證,不能實驗,只能理論驗證。引導學生探討檢驗的思路是先假定猜想成立,理論推導,再看與實際測量的結果是否一致

課件展示當時已知的一些量:

      地表重力加速度:g = 9.8m/s2

      地球半徑:      R = 6400×103m

      月球周期:      T =  27.3

      月球軌道半徑:  r  60R 

通過這些已知條件如何來證明:蘋果、月球受力也滿足“ ”的關系呢?

提問:(1)月球做什么運動?地球對月球的吸引力有什么作用?請用牛頓第二定律表示此力

(2)蘋果在地面附近受到的地球的吸引力表現為什么力?

(3)要驗證這兩個力是同種力會用到哪個物理量?

學生討論,最后教師通過課件展示與學生共同整理思路。學會當不能直接驗證物理量關系式可借助其他物理量進行間接驗證。

如若這兩個力是同種力,由已知條件,a和g應有什么關系?

課件展示:

1、先假定猜想成立,理論推導:

2、實際測量:

可見:用數據說明上述設想的正確性,牛頓的猜想經受了事實的檢驗,地球對月球的力,地球對地面物體的力真是同一種力。至此,平方反比規律已經擴展到太陽與行星之間,地球與月球之間、地球對地面物體之間。

既然天上的月球和地上的蘋果受到同一種性質的力,遵循相同的規律,那么我們可以展開想象的翅膀,更大膽設想:是否宇宙中的一切物體間都有這樣的力?

若地面上的兩個物體間存在引力,為何兩個物體沒有在引力作用下緊靠在一起?

于是我們把這一規律推廣到自然界中任意兩個物體間。

 

 

 

 

 

討論檢驗思路,培養探究思維能力。

 

 

 

    思考如何證明蘋果、月亮受力也滿足“平方反比”的關系

    學生回答:(1)月球做勻速圓周運動,地球對月球的吸引力提供了向心力。F地月=F=ma(在副板上書寫)

(2)蘋果在地面附近受到的地球的吸引力表現為重力。 F地蘋=G=mg(在副板上書寫)

(3)會用到加速度a(由以上兩個表達式猜想)        

學生分組討論研究a和g之間的關系,通過學生互評、老師點評理清思路,得出結論。 

親身體驗推導過程,猜想得到證實,學生的學習熱情進一步提升。

 

 

 

 

    學生思考:很有可能

 

    學生思考:因為我們身邊的物體質量比天體的質量小得多,我們不易覺察罷了



 

設計說明:通過創設情景,引導學生定量計算,用無可辯駁的事實證明猜想的正確性,增強學生的理性認識。

(三)萬有引力定律的得出

教師活動

學生活動

牛頓認為自然界中任何兩個有質量的物體間都存在引力.并于1687年在《自然哲學的數學原理》

一書中發表了著名的萬有引力定律。

1.內容:自然界中任何兩個物體都相互吸引,引力的方向在它們的連線上,引力的大小F與物體的質量m1和m2的乘積成正比,與它們的距離r的二次方成反比.

指導學生對新知識的學習要學會對重點字詞的勾畫,提取有用信息,加強理解。

萬有引力定律的數學表達式如何?每個符號的單位和物理意義。 

教師在學生回答的基礎上展示課件

2.公式:

     F---兩個物體間的引力,單位:N.

  m1,m2 ---兩物體的質量,單位:kg

  r ---兩物體間的距離,單位:m

 G ---比例系數,叫引力常量,適用于任何物體,G的國際單位         

萬有引力定律清楚地向人們提示,復雜運動的背后隱藏著簡潔的科學規律;它明確地向人們宣告,天上和地下都遵循著完全相同的科學法則。

      雖然任何兩物體間都存在引力,但萬有引力定律卻有其適用條件

3.公式的適用條件:

①(理想情況)兩個質點間引力大小的計算。

②(實際情況)若兩個物體間的距離遠大于物體本身大小時,兩個物體可看成質點。如:太陽與行星間、地球與月球間。

③  質量分布均勻的兩個球體,可視為質量集中于球心。

進一步深入思考:

例.由公式 可知,當兩物體之間的距離 ,兩個物體可視為質點,公式適用,則兩物體之間的引力 。當兩物體間的距離 ,則兩物體之間的引力 ,這種觀點對么? 為什么?

萬有引力定律是17世紀自然科學最偉大的成果之一,第一次揭示了自然界中的一種基本相互作用的規律,在人類認識自然的歷史上樹立了一座里程碑;使人們建立了有能力理解天地間的各種事物的信心,解放了人們的思想,在科學文化的發展史上起了積極的推動作用。

牛頓雖然發現了萬有引力定律,但卻無法算出兩個天體間的萬有引力大小,因為他不知道引力常量G的值.直到一百多年后英國物理學家卡文迪許才完成了G值的測量。

 

 

 

 

 

 

 

學生閱讀定律,尋找有用信息

 

 

       學生討論回答教師提問

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

學生思考理解

 

 

 

 

學生討論得出答案:當兩物體間距離時,物體不能看成質點,公式 已不再適用。

 

 

學生感知萬有引力定律的意義

設計說明:啟發學生更大膽的猜想,并在教師設問中,自主閱讀定律,做到有的放矢,自主學習,最后引導學生討論總結回答問題,再增強學生的科學表達能力。

(四)萬有引力定律的檢驗---引力常量G的測量實驗 

教師活動

學生活動

很顯然由萬有引力定律看出引力常量G的測量思路:

由于一般物體間的引力非常小,用實驗測定極其困難。1798年,英國物理學家卡文迪許巧妙地利用扭秤裝置,第一次在實驗室里對兩個鉛球間的引力大小F做了精確測量和計算,比較準確地測出了引力常量G的數值。

卡文迪許之所以會想到扭秤裝置,是因為在18世紀80年代,庫侖為定量研究電荷間的相互作用力而發明了扭秤裝置,實現了對微小量的巧妙測量。卡文迪許則巧妙地利用和改進了扭秤裝置,測出了引力常量G。難怪有人形象地稱他們是“天才發明和天才借鑒”,我們在學習中互相協作、互相借鑒也是具有重要意義的。

引力常量通常取

G的含義—表示兩質量m1 =m2=1kg的勻質小球,相距r=1m時萬有引力的大小。

引導學生思考引力常量的測定有何實際意義?

 

 

 

 

  

 

學生體會在學習中互相協作、互相借鑒的意義。

 

 

引力恒量G的測定:1、用實驗證明了萬有引力的存在和萬有引力定律的正確性;

2、使萬有引力定律公式有了真正的實用價值

設計說明:通過圖片展示和教師講解,結合物理學史,讓學生體會引力常量的測定重要實際意義,體會在學習中互相協作、互相借鑒的意義,寓德育教育于教學中。

(五)課堂小結

教師活動

學生活動

今天,我們從太陽與行星間引力的作用出發,根據類比事實將“平方反比關系”的作用力進行猜想和假設、檢驗和推廣,從而得出萬有引力定律。

請同學們互相討論總結這節課有什么收獲?

課件展示課堂總結。

 

 

 

學生踴躍發言,暢談收獲。

設計說明:學生自主討論學習收獲。

(六)布置作業

預習第四節,思考萬有引力定律有哪些應用?

 

 


相關標簽: 萬有引力定律
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