高中物理課萬(wàn)有引力定律教學(xué)設計
【教材分析】
物理學(xué)的發(fā)端始于人類(lèi)對理解星體運行的追求。三百多年前，萬(wàn)有引力定律的發(fā)現堪稱(chēng)人類(lèi)文明與理性探索進(jìn)程中最壯麗的詩(shī)篇，其所體現出的科學(xué)智慧的震撼力， 至今仍為世人所嘆服，它第一次把看似毫不相關(guān)的地上與天上運動(dòng)統一起來(lái)，第一次揭示大自然的對稱(chēng)和諧與物理規律表達簡(jiǎn)潔而含蓄的內在美，并作為牛頓的“從 運動(dòng)現象研究自然力”的又一個(gè)科學(xué)思辨范例，而不斷為歷代科學(xué)家所效仿。從物理學(xué)史進(jìn)程中，可以看出《萬(wàn)有引力定律》這節內容是對上兩節課教學(xué)內容的進(jìn)一 步推演，并與之構成本章的第一單元內容。同時(shí)，本節內容也是下節課教學(xué)內容的基礎，是本章的教學(xué)重點(diǎn)，在高中物理中占有重要地位。因此萬(wàn)有引力定律的教學(xué) 絕不能僅限于具體知識的講解、記憶與實(shí)際的應用，更應強調人類(lèi)對天體運動(dòng)的認識以及建立萬(wàn)有引力定律的探究過(guò)程，把教學(xué)重點(diǎn)放在“引導學(xué)生體會(huì )萬(wàn)有引力定 律發(fā)現過(guò)程中的思路和方法”上。然而，除了教材與教參已有的介紹外，我們對物理學(xué)史上這段輝煌史實(shí)真正了解多少？我們能否把握整個(gè)發(fā)現過(guò)程中的探索脈絡(luò )， 并將從中領(lǐng)悟到的思想精髓介紹給學(xué)生？由此看來(lái)，要教好新教材中的萬(wàn)有引力定律一章，適當擴展相應的知識背景，了解有關(guān)牛頓引力理論的現代評述，就顯得十 分必要了。
【學(xué)生分析】
從知識結構來(lái)看，在學(xué)習萬(wàn)有引力定律前，學(xué)生已經(jīng)對力、重力、向心力、太陽(yáng)對行星的引力、加速度、重力加速度、向心加速度等概念有了較 好的理解，并且掌握自由落體運動(dòng)和圓周運動(dòng)等運動(dòng)規律，能熟練運用牛頓運動(dòng)定律解決動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。已經(jīng)完全具備深入探究和學(xué)習萬(wàn)有引力定律的起點(diǎn)能力。
從知識建構的進(jìn)程來(lái)看，在上一節中學(xué)生經(jīng)歷了太陽(yáng)與行星間引力的探究過(guò)程，從中向學(xué)生滲透了發(fā)現問(wèn)題、提出問(wèn)題、猜想假設、推理論證等方法思想，依照 學(xué)生的認知心理特點(diǎn)，播放兩個(gè)視頻片段月球繞地球轉動(dòng)和蘋(píng)果落地，很容易在他們腦中形成這樣一個(gè)問(wèn)題：地球對月球的引力和地球對蘋(píng)果的引力會(huì )不會(huì )就是同一 種力呢？從而為進(jìn)一步探究萬(wàn)有引力定律的發(fā)現過(guò)程，確定了切入點(diǎn)。
然而高一學(xué)生其思維方式容易停滯在知識接受層面，而忽視概念間、規律間的相互聯(lián)系，且很多學(xué)生不能建立明確的動(dòng)態(tài)的物理圖像或物理情景，進(jìn)而無(wú)法通過(guò)同化 和順應，完成知識的建構過(guò)程。因此，在教學(xué)過(guò)程中要注重從學(xué)生實(shí)際入手，依據學(xué)生認知規律，注重創(chuàng )設物理情景，創(chuàng )造和諧的課堂氛圍，進(jìn)行互動(dòng)討論探究式教 學(xué)。
【教學(xué)目標】
1.知識和技能目標
�。�1）掌握月—地檢驗。
�。�2）知道萬(wàn)有引力定律的內容、表達式和適用條件，會(huì )解決簡(jiǎn)單的引力計算問(wèn)題。
2.過(guò)程和方法目標
學(xué)習物理規律提出猜想—理論推導—實(shí)驗檢驗的科學(xué)研究方法。
3.情感、態(tài)度和價(jià)值觀(guān)目標
�。�1）經(jīng)歷萬(wàn)有引力定律的發(fā)現過(guò)程，激發(fā)學(xué)生科學(xué)探究的興趣。
�。�2）通過(guò)引力常量的測量簡(jiǎn)介，說(shuō)明科學(xué)研究的長(cháng)期性，提高學(xué)生的科學(xué)價(jià)值觀(guān)。
【教學(xué)重點(diǎn)】
萬(wàn)有引力定律及適用條件。
【教學(xué)難點(diǎn)】
月地檢驗的思路。
【教學(xué)設計思想】
通過(guò)提出猜想—理論推導—實(shí)驗檢驗過(guò)程，讓學(xué)生在物理情景中主動(dòng)的參與知識的構建過(guò)程，體會(huì )這種大膽的猜想、已有理論的應用、巧妙的實(shí)驗檢驗和從中體現著(zhù)的科學(xué)探索的精神與方法。
【教學(xué)設計過(guò)程】
一、新課引入
通過(guò)上節課的學(xué)習，我們已經(jīng)知道了太陽(yáng)與行星間的引力遵從平方反比律： 。
公式中的G是比例系數，F是太陽(yáng)和行星之間的引力，提供行星繞太陽(yáng)近似圓周運動(dòng)的向心力，正是這個(gè)引力使得行星不能飛離太陽(yáng)。
『設計說(shuō)明』：通過(guò)上述介紹，旨在讓學(xué)生回憶上節課內容，回顧萬(wàn)有引力定律發(fā)現過(guò)程的前一半，從而為接下來(lái)的研究奠定基礎，進(jìn)而引出新課。
二、教授新課
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觀(guān)察視頻，提出問(wèn)題。（引導學(xué)生回答，教師及時(shí)糾正補充）
月球為什么繞地球做圓周運動(dòng)？
由于月球受到地球對它的吸引力。
蘋(píng)果為什么向下運動(dòng)而不向上運動(dòng)？
蘋(píng)果在其重力作用下落向地面。
那么受到的重力又是怎么產(chǎn)生的呢？
由于地球對蘋(píng)果的吸引力而產(chǎn)生的。
我們很自然的想到，地球對月球的引力和地球對蘋(píng)果的引力會(huì )不會(huì )就是同一種力呢？
按照我們物理學(xué)的研究規律，為了解釋某種現象，提出猜想，這是理論，然后再去檢驗是否正確。物理學(xué)就是在不斷的檢驗完善中前進(jìn)的。同樣我們的猜想是否正確也需要事實(shí)的檢驗。那么請同學(xué)們思考下面幾個(gè)問(wèn)題。
『設計說(shuō)明』：通過(guò)月球繞地球運轉和蘋(píng)果自由下落的物理情景，喚醒學(xué)生腦中當年由蘋(píng)果落地而引起遐想進(jìn)而發(fā)現萬(wàn)有引力定律的故事情景，激發(fā)學(xué)生的興趣與想像力。
�。ǘ┰碌貦z驗
創(chuàng )設問(wèn)題情境，學(xué)生討論，教師引導，互動(dòng)探究。
檢驗天上和地上的力是否是同一種力，需要選誰(shuí)為研究對象？
假定設想成立，天上和地上是同一種力，遵循相同的規律—平方反比律，那么蘋(píng)果和月球受到的力該如何表示呢？
�。ㄟ@是理論猜想）
實(shí)際上月球受到的力可以如何求解呢？
�。ㄌ崾荆和ㄟ^(guò)天文觀(guān)測，我們已經(jīng)知道了月球繞地球做圓周運動(dòng)，能不能利用圓周運動(dòng)的知識來(lái)求解呢？）
而蘋(píng)果受到的力我們已經(jīng)知道為 。
接下來(lái)，請同學(xué)們思考，要驗證我們的猜想，我們需要測量什么物理量？驗證什么表達式呢？
�。▽W(xué)生回答，教師引導總結。）
我們猜想天上地上是同一種力，天上的力是猜想，是理論，地上的力是實(shí)際，是檢驗，我們就是要驗證猜想和實(shí)際是否相等。只選擇一個(gè)研究對象月球或蘋(píng)果，因比 例系數G未知，所以無(wú)法檢驗。我們可以選取兩個(gè)研究對象，研究它們的比值關(guān)系，實(shí)際就是月球和蘋(píng)果的加速度關(guān)系，來(lái)完成實(shí)驗的檢驗，這就是著(zhù)名的月地檢 驗。我們一起來(lái)看一下檢驗的思路。
檢驗思路
�、偻ㄟ^(guò)猜想利用引力的平方反比律和牛頓第二定律計算地球表面蘋(píng)果的加速度和月球的向心加速度。
�、谕ㄟ^(guò)實(shí)驗觀(guān)測，利用已有規律，得到月球的向心加速度和地球表面蘋(píng)果的加速度。
�、劬C合以上結果，看加速度比值關(guān)系，比較猜想與實(shí)驗觀(guān)測的數據，得出結論。
好，請同學(xué)們開(kāi)始驗證。展示學(xué)生的推導過(guò)程。
結論：在誤差允許的范圍內，理論推導與實(shí)驗觀(guān)測得到的結果是相等的。
『設計說(shuō)明』：通過(guò)創(chuàng )設問(wèn)題情景，引導學(xué)生討論探究檢驗思路，進(jìn)行定量計算，掌握月地檢驗，用無(wú)可辯駁的事實(shí)證明猜想的正確性，增強學(xué)生的理性認識，學(xué)習物理規律提出猜想—理論推導—實(shí)驗檢驗的`科學(xué)研究方法，同時(shí)經(jīng)歷萬(wàn)有引力定律的發(fā)現過(guò)程，激發(fā)學(xué)生科學(xué)探究的興趣。
�。ㄈ┤f(wàn)有引力定律
猜想：宇宙中一切物體之間會(huì )不會(huì )都存在這樣的力呢？
現在我們提到萬(wàn)有引力似乎是老生常談，但是，牛頓當時(shí)的魄力、膽識和驚人的想象力實(shí)在讓我們佩服。這最后一步假設，雖然無(wú)法得到直接驗證，但是我們也沒(méi)有反駁它的理由，而且，以后的無(wú)數事實(shí)都支持了這一點(diǎn)—萬(wàn)有引力定律。請同學(xué)們看課本了解定律的內容。
1.內容
自然界中任何兩個(gè)物體都相互吸引，引力的大小與物體的質(zhì)量m1和m2的乘積成正比，與它們之間距離r的二次方成反比。即
――《自然哲學(xué)的數學(xué)原理》1687年牛頓著(zhù)
式中各物理量的含義及單位：F為兩個(gè)物體間的引力，單位：N；m1、m2分別表示兩個(gè)物體的質(zhì)量，單位：kg；r為兩個(gè)物體間的距離，單位：m；G為萬(wàn)有引力常量。
2.引力常量
牛頓得出了萬(wàn)有引力與物體質(zhì)量及它們距離的關(guān)系，但卻無(wú)法算出兩個(gè)天體之間萬(wàn)有引力的大小，因為他不知道引力常量G的值。這個(gè)問(wèn)題在一百多年以后，才被英 國的物理學(xué)家卡文迪許（1731年－1810年）在實(shí)驗室里通過(guò)扭秤對幾個(gè)鉛球之間的萬(wàn)有引力測量而解決，測出了引力常量G。（展示課件圖片，簡(jiǎn)單講解實(shí)驗的原理與思想：鉛球之間的引力使T形架轉動(dòng)，帶動(dòng)金屬絲扭轉，我們可以利用力矩平衡的知識來(lái)計算鉛球之間的萬(wàn)有引力的大小。因金屬絲的扭轉程度很小，不易觀(guān)察測量，所以在T形架上安裝了一個(gè)小鏡，讓激光器照出的激光經(jīng)小鏡反射后落在標尺上，小鏡轉動(dòng)后，測量光點(diǎn)在標尺上移動(dòng)的距離，利用光放大的原理確定金屬絲的扭轉程度，進(jìn)而測出引力，確定引力常量。）
目前推薦的標準值為G＝6.67259×10－11N·m2/Kg2，通常取G＝6.67×10－11N·m2/Kg2，（板書(shū)：引力常量G＝6.67×10－11N·m2/Kg2）它在數值上等于質(zhì)量是1Kg的物體相距1米時(shí)的相互作用力，單位：N·m2/kg2。 （強調掌握物理常量數量級的重要性）和以后我們將學(xué)習的靜電力常量一樣，引力常量是自然界中少數幾個(gè)最重要的物理常量之一。完成扭秤試驗后，卡文迪許又測 量了多種物體間的引力，所得結果與利用引力常量G按萬(wàn)有引力定律計算所得結果相同。所以，引力常量的普適性成為萬(wàn)有引力定律正確性的見(jiàn)證，它為萬(wàn)有引力定 律的普遍意義奠定了強有力的實(shí)驗基礎。在導學(xué)案上，給大家準備了引力常量測定的資料介紹，希望同學(xué)們課下自己閱讀，了解其實(shí)驗的原理與思想。
萬(wàn)有引力定律我們已經(jīng)得到。
問(wèn)題：如何使用萬(wàn)有引力定律進(jìn)行簡(jiǎn)單的計算呢？學(xué)生討論回答。
好，請看問(wèn)題！兩個(gè)質(zhì)量均為50Kg的人互相接觸時(shí)的萬(wàn)有引力如果用定律計算，結果好像是無(wú)窮大，那么這兩個(gè)人永遠不會(huì )分開(kāi)了。是我們好不容易得到的定律錯了？還是我們在使用定律時(shí)忽視了什么呢？這就是我們要繼續學(xué)習的萬(wàn)有引力定律的適用條件。
3.適用條件
�。�1）萬(wàn)有引力定律只適用于質(zhì)點(diǎn)間引力大小的計算。當兩物體間的距離遠遠大于每個(gè)物體的尺寸時(shí)，物體可以看成質(zhì)點(diǎn)，直接使用萬(wàn)有引力定律計算。（模型）
研究相互接觸的兩個(gè)人之間的萬(wàn)有引力時(shí)，不能把他們看作質(zhì)點(diǎn)。
�。�2）當兩物體是質(zhì)量均勻分布的球體時(shí)，它們間的引力也可直接用公式計算，但式中的r是指兩球心間距離。
研究太陽(yáng)和地球之間的萬(wàn)有引力，可以把它們看作質(zhì)量均勻的球體。
當研究物體不能看成質(zhì)點(diǎn)時(shí)，可以把物體假想分割成無(wú)數個(gè)質(zhì)點(diǎn)，求出兩個(gè)物體上每個(gè)質(zhì)點(diǎn)與另一物體上所有質(zhì)點(diǎn)的萬(wàn)有引力，然后求合力，這是微積分的思想。
萬(wàn)有引力定律產(chǎn)生于對太陽(yáng)系行星運動(dòng)的研究，但它對物質(zhì)運動(dòng)的適用性卻要廣泛得多�？梢赃@樣說(shuō)，宇宙中凡有引力參與的一切復雜的現象，無(wú)不要歸結到這樣一條十分簡(jiǎn)潔的定律之中，這不能不使人驚嘆宇宙萬(wàn)物超乎尋常的和諧及人類(lèi)理性思考所具有的統攝力。
4.實(shí)踐探究
創(chuàng )設情景：既然自然界中任何兩個(gè)物體間都有萬(wàn)有引力，那么在日常生活中，我們各自之間或人與物體之間，為什么都對這種作用沒(méi)有任何感覺(jué)呢？
根據情景中數據，學(xué)生進(jìn)行估算：
�、僬埞浪銉晌煌瑢W(xué)，相距5m遠時(shí)它們間的萬(wàn)有引力多大？（可設他們的質(zhì)量為50kg）
解：由萬(wàn)有引力定律得：
代入數據得：F1=6.67×10-9N
�、谝阎厍虻馁|(zhì)量約為6.0×1024kg，地球半徑為6.4×106m，請估算其中一位同學(xué)和地球之間的萬(wàn)有引力又是多大？
解：由萬(wàn)有引力定律得：
代入數據得：F2=489N
小結：由此可見(jiàn)通常物體間的萬(wàn)有引力極小，一般不易感覺(jué)到。而物體與天體間的萬(wàn)有引力（如人與地球）就不能忽略了。
5.對萬(wàn)有引力定律的理解
�、倨毡樾裕喝f(wàn)有引力存在于任何兩個(gè)物體之間。
�、谙嗷バ裕簝蓚�(gè)物體相互作用的引力是一對作用力與反作用力。
�、厶厥庑裕簝蓚�(gè)物體間的萬(wàn)有引力和物體所在的空間及其他物體存在無(wú)關(guān)。
�、苓m用性：只適用于兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)間的引力。
6.意義
萬(wàn)有引力定律的發(fā)現對物理學(xué)、天文學(xué)的發(fā)展具有深遠的影響；以前上千年才能觀(guān)測到一顆行星，通過(guò)萬(wàn)有引力定律的指導，我們在指定位置很快就發(fā)現了新的行星，給人們探索自然的奧秘建立了極大信心。
『設計說(shuō)明』：讓學(xué)生知道萬(wàn)有引力定律的內容、表達式和使用條件，體會(huì )物理學(xué)許多重大理論的發(fā)現，不是簡(jiǎn)單的實(shí)驗總結，它需要直覺(jué)、想像 力、大膽的猜想和假設。通過(guò)閱讀材料，使學(xué)生體會(huì )卡文迪許扭秤實(shí)驗精巧的實(shí)驗方法，知道科學(xué)研究的長(cháng)期性，提高學(xué)生的科學(xué)價(jià)值觀(guān)。通過(guò)題目練習，學(xué)生進(jìn)行 估算和比較，從中鍛煉學(xué)生的估算能力，體會(huì )萬(wàn)有引力常量數量級的重要性，加深對萬(wàn)有引力定律的理解。
【課堂小結】
學(xué)生體會(huì )：發(fā)現萬(wàn)有引力定律的思維過(guò)程：提出猜想──理論推導──實(shí)驗檢驗
『設計說(shuō)明』：通過(guò)黑板或多媒體展示本節課知識，在教師引導下，幫助學(xué)生構建自己的知識框架。
【布置作業(yè)】
1.閱讀資料，了解引力常量的測量原理和方法。
2.課本問(wèn)題與練習2、3題。
『設計說(shuō)明』：通過(guò)學(xué)生課下閱讀引力常量的測量簡(jiǎn)介資料，說(shuō)明科學(xué)研究的長(cháng)期性，提高了學(xué)生的科學(xué)價(jià)值觀(guān)。
【教學(xué)設計后記】
本節課我對牛頓發(fā)現萬(wàn)有引力定律的過(guò)程，通過(guò)創(chuàng )設問(wèn)題情景，讓學(xué)生以科學(xué)家的角度分析、思考問(wèn)題，經(jīng)歷萬(wàn)有引力定律的發(fā)現過(guò)程，激發(fā)學(xué)生科學(xué)探究的興趣，體會(huì )牛頓的偉大，了解科學(xué)家提出猜想—理論推導—實(shí)驗檢驗的科學(xué)研究方法。
在本節課的教學(xué)中，我通過(guò)精心設計問(wèn)題，引導學(xué)生從選擇研究對象入手，設計檢驗過(guò)程，基本解決了學(xué)生對月地檢驗的理解困難，用事實(shí)引導學(xué)生經(jīng)歷萬(wàn)有引力定律的得出過(guò)程，加深了學(xué)生對萬(wàn)有引力定律的認識。
總體說(shuō)來(lái)，教學(xué)目標基本實(shí)現。
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