3. 万有引力定律的应用公开课教学设计模版

基于核心素养的问题引领、探究型物理课堂模式探讨

——《万有引力理论的成就》教学设计

郑

丹

（江苏省邗江中学，江苏

扬州

225000）

1 设计背景与目标

基于核心素养，以学生为主体、教师为主导、问题为引领、探究为手段、建构知识和发展能力为目标的教学模式对培养学生的问题意识、探究能力、合作精神和创新潜能都有积极的作用。

1.1教材分析

本节课是人教版物理必修2教材第6章“万有引力与航天”的第4节“万有引力理论的成就”的内容，是天体运动的核心内容之一，在曲线运动中占有重要的地位。本节课在教材编排上，呈现的是由点到面，逐步展开的形式。如果说前三节课是用追寻的眼光看先人的伟大成就，那这一节就是学生在先人的指引下进行创新应用的创新课，同时教材在开头与结尾分别引用了马克·吐温和冯·劳厄对物理研究的精彩论述，不仅能够激励学生增强学科兴趣，更能激发学生进一步探究宇宙奥秘的欲望。所以这一节课既是知识传授，又是能力、情感的培养课，体现了物理核心素养的要求。

1.2学情分析

开展本节学习之前，学生对重力的大小及产生、圆周运动向心力规律、万有引力定律已经有了系统化的学习，对模型的建立、规律的运用已经做了初步的尝试，积累了一定的应用经验，为本节课的开展起到一定的铺垫作用。因此，学生已经具备学习本节课的知识基础。

1.3设计思路

根据教学目标、教学内容、学生的心理特点和认知水平通过多种途径创设开放性的问题情境，然后引导学生通过观察、分析，提炼出有用信息和需要学习或研究的问题，问题需具有典型性、启发性、具体性、开放性，使学生明确学习的目标，让学生在好奇、质疑中产生探索问题的欲望。在问题提出的基础上，运用各种探究手段，启发和引导学生理顺解决问题的思路，提出解决问题的具体方案，通过分组讨论的开放性方法探究得出结论。

1.4教学目标

1.4.1物理观念

（1）知道天体间的相互作用主要是万有引力；

（2）知道万有引力是行星、卫星环绕中心天体圆周运动的向心力来源；

（3）理解重力是万有引力的一个分力；

（4）理解若不考虑地球自转的影响，地面上物体所受重力等于地球对物体的引力；

（5）能区分万有引力中质点间、质点与球心间、球心与球心间距离，圆周运动的轨道1

半径；

（6）知道海王星、冥王星等未知天体的发现过程。

1.4.2科学思维

（1）求解地球质量时，会归纳甄选有效信息，合理构建物理模型，发展建模思维；

（2）培养学生根据探究学习找到事物的主要因素和次要因素的一般过程和方法；

（3）研究月球环绕地球运动时将椭圆轨道近似为圆轨道，地球表面的物体在忽略地球自转时，所受重力近似等于地球对物体的引力，采用近似方法，化繁为简，估算时常采用近似方法；

（4）通过万有引力、重力、向心力之间关系的论定，解决重力加速度g的大小随纬度变化问题，判断能否忽略地球自转等问题，培养学生科学推理能力；

1.4.3科学探究

（1）对求解地球质量的两种方法敢于质疑，具有批判探索精神，且提出有价值的想法；

（2）通过网络平台得到地球、月球的相关数据，收集和处理信息、分析和解决问题；

（3）对探究所得结论，运用图表、网络等形式，自主建构知识体系，内化探究成果；

（4）积极参与互动交流，准确陈述探究问题的思维过程。

1.4.4科学态度与责任

（1）通过测量天体的质量、预测未知天体的学习活动，体会科学研究方法对人类认识自然的重要作用，体会万有引力定律对人类探索和认识未知世界的作用；

（2）通过对天体运动规律的认识，了解科学发展的曲折性，感悟科学是人类进步不竭的动力；

（3）通过推理过程，培养科学研究兴趣，领略物理学中所蕴含的严谨的逻辑关系。

（4）通过天体物理学史的学习，培养实事求是，不迷信权威，敢于大胆质疑，追求创新的科学态度。

（5）体会物理学规律的简洁性和普适性，领略物理学的优美。

1.5教学重难点

1.5.1重点

利用万有引力定律和圆周运动的规律计算天体质量

1.5.2难点

天体环绕模型与星球表面模型的模型构建过程

1.6教学策略与手段

本节内容颠覆以往以习题课教学的形式，以问题为引领，采用探究式教学模式为主。通过创设情境、图片引导、学生思考与讨论相结合，采用启发法、归纳法、多媒体辅助法等教学方法。

2

2 教学思路与流程

创设情境

1.播放视频《流浪地球》

2.突出推进地球所需动力、时间、距离等数据

计算流浪地球的时间需要知道地球质量，如何测量地球质量？

呈现与生活相关的物理事件，以及与事件相关的数据信息

通过观察、分析事物之间的相互联系，产生疑问，激发学习兴趣

培养学生对问题的开放性探究态度，学会利用模型思维合理建模，并会做适当科学推理与科学论证

对推理论证过程中的物理原理能够进行反思与质疑，发现问题所在，具有批判精神与批判能力，形成善于质疑的科学态度

培养学生收集和处理科学信息的能力、获取新知识的能力、分析和解决问题的能力

培养学生实事求是，尊重事实，不迷信权威的科学态度，让学生保持对自然现象的好奇心与探究热情

对物理知识和原理深度理解并能灵活运用

对物理观念在头脑中进行提炼与升华

问

发现问题

题

模型构建：①星球表面

②天体环绕

科学推理：物理原理+数学运算

得出结论：地球质量

引

合作探究

领

探

、

质疑反思

1.重力是否等于万有引力？

2．椭圆轨道能否运用引力提供向心力？

1.提供百度词条（地球信息），计算重力与万有引力大小

2．提供百度词条（月球信息），观察离心率与轨道半径等数据

究

推理论证

学

习

拓展应用

海王星、冥王星等未知天体的发现

1、通过例题，学以致用、融会贯通

2、通过“问题串”，拓展提升

1、万有引力两大成就

2、物理学家精彩评论

巩固提升

课堂小结

3

3 教学过程

教学流程

创

设

情

境

教师活动

学生活动

时间

2’

设计意图

呈现与生活相关的物理事件，与事件相关的数据信息，引入新课

通过观察、分析物理参量之间的相互联系，关系推理，产生疑问，激发探索、学习的热情

介绍古人对于称量地球质量做出的尝试与探究，让学生知道物理知识、概念、原理的得出是一个艰辛而漫长的过程，培养学生实事求是，尊重客观事实、敢于坚持真理和勇于探究的科学态度和科学精神。

教师：今年年初，一部票房逾40亿的电影巨制《流浪地球》引起了社会的广泛关注，大家有没有走进影院去看一看

呢？我们一起来回顾一下电影的主要内容。

学生观看视频，了解电影大概［播放视频片段］：引导进入内容，激发学习兴趣，进入学新课学习。

习状态

［启发学生思考］：要计算出到达新家园的时间2500年，至少还需要知道哪个物理量？

［启发学生思考］：地球的质量究竟有多大呢？怎样才能测出地球质量呢？

［呈现史料1］：阿基米德简介

［结合史料提问］：可以用杠杆原理测出地球的质量吗？

［追问］：觉得不可行的同学能说一说你的依据吗？

［呈现史料2］：世界十大经典物理实验之一——埃拉托色尼测量地球周长

学生通过观察视频、分析各物理量之间的相互联系，积极思索问题，得出结论。

学生积极思考，自由发表感想

发

现

问

题

［结合史料提问］：利用质量=体积×密度计算出地球的质量，你觉得可行吗？

30”

1’30”

学生积极参与互动作答

学生积极思考，自由发表感想

1’30”

4

教师：所以当时的“权威”断言:“人类永远不会知道地球的质量！”。

［PPT展示、结合语言讲解］：牛顿万有引力定律；卡文迪许及扭秤实验装置

合

作

探

究

［启发学生思考］：关于月球

绕地球，地球绕太阳运动的相

关数据，你知道的有哪些？

学生积极回忆所学内容，自由（学生说不完全的物理参量发言，列举已知物理参量。

由教师补充）

［教师小结］：将各个物理参

量的符号做统一和规范。

G 引力常量

M太

太阳质量

M 地球质量

m月

月球质量

太阳

r地

地球公转半径

月亮

T地

地球公转周期

地球

T自

地球自转周期

R 地球半径

地球表面重力加g

速度

月球绕地球公转T

周期

r 月地距离

学生分小组探究求解地球的方教师：请同学们以小组为单法，模型构建，论证推理。

位，设计方案，计算地球质量。

学生代表交流展示小组探究成

果。

［教师小结］：教师以表格的形式对求解地球质量的两种方案进行总结，并突出强调公式中各个R、r的涵义。

［提出问题］：问题1:如何利用“万有引力定律”称量地球质量？

［教师演示］展示三球仪

2’30”

7’

通过创设开放性的问题情境，进行由浅至深的问题式教学，激发学生的思维活动，通过探究活动，让学生建立物理模型，分组讨论求解地球质量的方法，并通过小组合作学习得出正确结论，掌握求解天体质量的基本思路。此处目的是让学生进行以“方法”为目标的探究学习，这类探究注重学生对研究过程中方法的领悟。

对探究的结论，引导学生运用图5

质

疑

反

思

［提出问题］：问题2：回顾“求解地球质量”的过程，你对两个方案有何评价？

学生积极思索，提出质疑

学生1提出质疑

学生2提出质疑

……

1’30”

表、网络等形式，自主建构知识体系，把探究的成果内化为自己的知识结构。

学生对于前

面所学的物1’30”

理观念存在质疑，通过问题设计，激发学生的批判探索精神，勇于挑战，且提出有价值的想法。

5’

1’

1’30”

通过网络平台的数据，培养学生收集和处理信息的能力、分析和解决问题的能力

通过教师的精讲，澄清易混淆概念：重力与万有引力的6 推

理

论

证

［引导学生思考］：针对第一位同学的质疑，其他同学能给出解答吗？

（学生提出合理解释有困难，教师进一步引导。）

［引导学生思考］：以质量为1kg的物体为例，计算它受到的重力大小和万有引力大小是否相等。

［PPT展示］：地球的百度词条图片和表格

［提出问题］：思考1：重力大小与引力大小很接近但并不严格相等，是什么原因呢？

教师结合板图、PPT动画讲解重力与万有引力的关系

学生获取信息，以小组为单位，分析罗列出有效信息，处理相关数据。

学生代表交流展示成果

学生积极思考回答

［提出问题］：思考2：看表学生积极思考，回答问题

格，为什么赤道上重力加速度

小于北极的呢？

［启发学生思考］：你认为在学生独立思考，发表观点

计算地球质量时，可以忽略地

球自转的影响吗？

［教师小结］：利用引力=重

力，需要以忽略自转为前提。

不能忽略的情况下，赤道物体

应该用

引

列

式处理相关问题。

［引导学生思考］：针对第二

位同学的质疑，其他同学能给

出解答吗？

［PPT展示］：月球的百度词

条图片

［启发学生思考］：估算地球学生观察数据，思考回答

质量，是否可以近似圆轨道处理？

拓

展

应

用

［PPT呈现物理学史］：海王星、冥王星的发现过程

［教师结合物理学史讲解］

学生学习物理学史——发现未知天体，了解科学发展的曲折性，体会万有引力定律对人类探索和认识未知世界的作用；

1’30”

1’

1’30”

2’

关系，在解决问题的过程中帮助学生建立物理观念与物理思想

通过重力、万有引力、向心力之间的关系的论定，解决重力加速度g的大小随纬度变化的问题，判断能否忽略地球自转等问题，培养学生科学推理能力

利用开普勒定律对行星太阳模型的解释，迁移至月球绕地球运动的模型，让学生建立起物理规律迁移的7

思想。从圆轨道与椭圆轨道的近似中，发掘出科学家利用万有引力定律发现未知行星的一段历史，激发学生兴趣的同时，培养学生尊重客观事实，敢于质疑，勇于探究的科学态度。

巩

固

提

升

学以致用，学生独立完成例题

2’

例1. 已知下面的哪组数据，可

以算出地球的质量

（引力常

量

已知）（

）

A．月球绕地球运行的周期

及

月球到地球中心的距离

B．地球绕太阳运行周期

及地

球到太阳中心的距离

C．地球绕太阳运行的速度

及

地球到太阳中心的距离

D．地球表面的重力加速度

及

地球到太阳中心的距离

学生交流展示。

球体体积公式

,能否学生积极思考，结合书面推导，

测出天体的平均密度？

回答问题

［提出问题］：问题4：若要

计算月球质量，我们可以如何

选择研究对象，建立模型？

学生积极思考，回答问题

［提出问题］：问题5：若要

计算太阳质量，我们该如何选

4’

择研究对象，建立模型？

学生积极思考，回答问题

［教师演示、启发学生思考］：

太阳周围有八大行星，根据不

同行星计算出的太阳质量相学生积极思考，发表不同观点

同吗？

［PPT投影］：例题1

［提出问题］：问题3：已知通过例题分析，将物理方法与物理规律学以致用

以“问题串”为抓手，强化学生对求解天体质量方法的理解与应用，让学生掌握一般方法和策略，形成良好的科学思维与习惯等科学素养。

8

［PPT投影］：例题2

例2.将两种求解天体质量的方法融会贯通，突出黄金代换式的作用。

例2.质量为m的某人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动，其轨道距地面的高度等于地球半径，已知地球表面的重力加速度为g，地球半径为R，试求：

（1）卫星运动的加速度a；

（2）卫星运动的速度v；

（3）卫星运动的角速度

. 学生独立完成，交流展示

6’

通过例题分析，将两种求解天体质量的方法融会贯通。对本节课知识巩固、升华，掌握解决实际问题的方法，培养学生解决问题的能力。

课

堂

小

结

［教师总结］：

万有引力理论的主要成就之一：计算天体质量，主要途径有两条：1、在星球表面放置一物体，忽略自转的情况下，利用物体重力近似等于万有引力计算天体质量；2、利用天体环绕模型，万有引力提供圆周运动的向心力，计算中心天体质量。成就之二：发现未知天体，如海王星等。

［PPT呈现物理学家评论］：

1’30”

从物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个维度对本节课进行小结，在教学过程中实践新课程理念，提升学生的物理核心素养。

9

4 板书设计

模型构建

分析综合

推理论证

质疑反思

5 教学反思

星球表面

天体环绕

月

月

轨道？圆周

近似处理

重力=？引力

有效问题是物理教学的重要载体，教师要精心设置问题，有计划地、针对性地、创造性的激发学生主动参与探究，从而使学生能再不断提出问题、解决问题。探究学***的特点是学生独立自主地学***限度的发挥了学生的主观能动性，它强调个人的独立学习活动，让学生主动参与、投入，教师加以引导，师生共同探究物理现象、规律。这种学习方式激发了学生对物理事物的好奇心和浓厚的兴趣，也发挥了人的主体性和促进人的全面发展，实现其教育价值。

6 导学单

万有引力理论的成就

问题1：如何利用“万有引力定律”称量地球质量？

学生活动1：设计方案，计算地球质量

引力常量

太阳质量

地球质量

月球质量

地球公转半径

地球公转周期

地球自转周期

地球半径

地球表面重力加速度

月球绕地公转周期

月地距离

G M太

M m月

r地

T地

T自

R g T r 太阳

月亮

地球

10

问题2:回顾“求解地球质量”的过程，你对两个方案有何评价？

学生活动2：交流、评估求解地球质量的方案

例1. 已知下面的哪组数据，可以算出地球的质量

（引力常量

为已知）（

）

A．月球绕地球运行的周期

及月球到地球中心的距离

B．地球绕太阳运行周期

及地球到太阳中心的距离

C．地球绕太阳运行的速度

及地球到太阳中心的距离

D．地球表面的重力加速度

及地球到太阳中心的距离

问题3：已知球体体积公式

，能否测出天体的平均密度？

问题4：若要计算月球质量，我们可以如何选择研究对象，建立模型？

问题5：若要计算太阳质量，我们该如何选择研究对象，建立模型？

例2. 在圆轨道上运动的质量为m的人造地球卫星，它到地面的距离等于地球半径R，地面上的重力加速度为g，试求：

（1）卫星运动的加速度a；

（2）卫星运动的速度v；

（3）卫星运动的角速度

.

课堂小结：

11