3. 万有引力定律的应用教学实录与评析

《万有引力理论的成就》教学设计

文昌中学：吴广辉

一、教材分析

1、教材性质与地位

◆本节是属于应用性+检验性的教学内容，从前后联系来看，有利于巩固学生对万有引力定律的认识。

◆教材的立意是使学生感受用物理理论探索未知世界的科学魅力，培养热爱科学的情感。

2、教学目标

①知识与技能：

◆了解万有引力定律在天文学上的重要应用。

◆会用万有引力定律计算天体质量。

◆理解并运用万有引力定律处理天体问题的思路和方法。

②过程与方法：

◆通过演绎推理过程，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。

◆培养学生根据事件的之间相似性采取类比方法分析新问题的能力和方法。

◆培养学生归纳总结建立模型的能力与方法。

③情感态度和价值观

◆通过测量天体的质量、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。

3、教学重点、难点

依据教学目标的设定，本节重点、难点如下

重点：

利用万有引力定律计算天体的质量并掌握处理天体问题的方法。

教学策略：通过分析、类比思维、归纳总结建立模型来加深理解。

难点：

物理模型的建立

教学策略：通过类比思维、归纳总结的方法。

二、学情分析

◆知识分析

学生已经学习了圆周运动，另外学习了开普勒三大定律和万有引力定律。

◆能力分析

高一学生正处于从初中物理的定性分析、形象思维、简单的逻辑思维到高中物理的定量讨论、抽象思维、复杂的分析推理的转变过程。

从心理学的角度分析：他们具有一定概括力、想象力。但在学习过程中对知识点的把握还不是很准确，数学的推理能力较弱。

三、教法、学法分析

针对学情，采用问题教学法、点拨法、推理法相结合，增强对同学思维的刺激，展开联想，拓展思路完成课堂教学任务。

授之以鱼不如授之以渔，学习贵在得法。

采用讨论法、分析归纳法，发挥学生的主体作用，增强学习的积极性。

四、教学设计

为了达到上述教学目标，我对一些主要教学环节，有以下构想：

1、导入新课

2、新课教学

3、巩固新课教学的措施；

4、板书设计；

▲1、导入新课——这部分教学大约需要5分钟

由于本课的叙述性、理论性较强，所以，我采用了以创设问题情境，让学生带着疑问走进新课，激起学生的好奇心、求知欲，从而增强对物理学习的兴趣。

▲

2、新课教学——这部分教学大约需要26分钟

总体设计思路：

通过教师点拨万有引力大小近似等于重力，学生自主探究从而推导地球质量的计算表达式。

通过对地球围绕太阳运动的分析，根据万有引力作为行星圆周运动的向心力，计算太阳的质量；进一步类比联想推理到月亮、人造卫星围绕地球做圆周运动求地球质量等，最后归纳总结建立模型——中心天体质量的计算。

为了解决“称量”天体的质量等问题，可找出与质量相关的物理问题，运用科学的理论进行分析、论证。万有引力定律就是“一台”称量天体质量的最好“天平”。

首先由教师点拨，学生自主探究如何测量地球质量？以突出教学重点。

一、测量地球质量？

教师提示：地球上质量为m的物体的重力等于地球对物体的万有引力

学生自主探究：

MmmgG2R

得出结论：由此可见只要知道了地球表面重力加速度和半径我们就可以计算地球的质量。

设计说明：

培养学生自主探究的能力，通过用万有引力定律“称”出地球的质量，让学生体会到万有引力定律对人类探索和认识未知世界的作用。

★视频展示：人类登陆月球（1969年7月16日,美国宇航员阿姆斯特朗乘坐阿波罗11号到达月球表面）

●问题延伸：想求月球的质量，需要知道月球表面重力加速度，阿姆斯特朗通过

自由落体实验测出月球的表面重力加速度？设想：还可以用哪些方法呢

（平抛实验、竖直上抛实验、竖直下抛实验、斜抛实验、弹簧秤称量重力实验）

为什么在此引入该问题呢？

目的有两个：

其一是因为万有引力定律的应用也涉及到了求天体表面重力加速度的问题；

其二是利用该问题引出如何求太阳的质量。

二、计算天体的质量

首先观看视频《行星围绕太阳的运动》，同时解释什么是环绕天体？什么是中心天体

接着通过幻灯片展示相关问题：

●①环绕天体实际做什么运动?而我们通常可以认为做什么运动?

●②环绕天体的运动的向心力有几种表达形式?

●③环绕天体的运动的向心力由什么提供？

●④应用万有引力提供向心力中心天体质量有几种表达式? ●⑤应用此法能否求出环绕天体的质量；

在这环节中，教师适当点拨，学生分6个组，合作探究问题，并请学生代表发言

设计说明

通过设计问题情景，进行由浅至深，由易到难的启发式教学，以激发学生的积极思维活动；

通过探究让学生建立一星一绕的物理模型，分组讨论，求解中心天体质量的三种表达式。在进行已有知识的迁移时重点重复环绕和被绕的关系，使学生准确抓住模型中的各个星体所担任的角色。

通过小组合作学习，运用类比归纳法得出正确结论，掌握求解中心天体质量的基本思路，以达到突出教学重点的目的。

●拓展探究：

不同行星与太阳的距离r和绕太阳公转的周期T都是各不相同的。但是不

42r3同行星的r、T计算出来的太阳质量必须是一样的！

2

能否保证这一点？

M

GT

在这环节中：

MG通过问题让学生板演开普勒第三定律中的k的表达式k，进一步深刻24掌握上述方法只能用于求中心天体的质量，感悟最常用的是已知周期求质量的方程。因为环绕天体运动的周期比较容易测量。

▼突破教学难点设计：

视频展示《人造卫星围绕地球运动》

学生观看视频并拓展探究：

●如何通过人造卫星求地球的质量？

设计说明：

通过问题引导、启发学生逐一对照，运用分析、类比思维的方法，逐步将学生对行星围绕太阳运动的模型进行演变，将上述问题类比到一星一绕的物理模型，从而达到突破教学难点的目的。

▲3、巩固新课教学的措施——这部分教学大约需要9分钟

（1）巩固训练

根据教学内容和教学重难点合理设置综合性课堂教学练习，引导学生学以致用，培养学生实际运用能力。

练习：

发射地球同步卫星时，可认为先将卫星发射至距地面高度为h1的圆形近地轨道上，在卫星经过A点时点火（喷气发动机工作）实施变轨进入椭圆轨道，椭圆轨道的近地点为A，远地点为B。在卫星沿椭圆轨道（远地点B在同步轨道上），如图14所示。两次点火过程都使卫星沿切向方向加速，并且点火时间很短。已知同步卫星的运动周期为T，地球的半径为R，地球表面重力加速度为g，求：

①卫星在近地圆形轨道运行接近A点时的加速度大小；

②卫星同步轨道距地面的高度。

（2）课堂小结

教师活动：

让学生概括总结本节的内容。请一个同学到黑板上总结，其他同学在笔记本上总结，然后请同学评价黑板上的小结内容。

学生活动：

认真总结概括本节内容，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，看谁的更好，好在什么地方。

教师点评：总结课堂内容，培养学生概括总结能力。

课堂小结可以把课堂传授的知识尽快地转化为学生的素质；可使学生更深刻地理解理论在实际中的应用，并且逐渐地培养学生具有良好的个性。

（3）布置作业

针对高一年级学生素质的差异，我进行了分层训练，这样做既可以使学生掌握基础知识，又可以使学有余力的学生在此基础上有所提高。

基础：

51、月球绕地球运动的轨道半径是

310km

，月球的线速度为1.02km/s，11226.6710Nm/kg万有引力恒量是

。根据以上的数据计算地球的质量．

2、已知地球质量为M，半径为R，自转周期为T。试推导：赤道上空一颗相对于地球静止的同步卫星距离地面高度h的表达式。

能力提升：

3、(2008宁夏卷)天文学家将相距较近、仅在彼此的引力作用下运行的两颗恒星称为双星。双星系统在银河系中很普遍。利用双星系统中两颗恒星的运动特征可推算出它们的总质量。已知某双星系统中两颗恒星围绕它们连线上的某一固定点分别做匀速圆周运动，周期均为T，两颗恒星之间的距离为r，试推算这个双星系统的总质量。(引力常量为G)

▲4、板书设计

6.4

一、测地球质量

MmmgG2RMmG2F引R条件

gR2MG意义广泛 2二、计算天体的质量

mav42F向mmrmr2rT2

(只能求出中心天体的质量)