1. 天体运动优秀课堂实录

万有引力定律

教学设计思路：

本节课以动画创设问题情景，以让学生经历万有引力定律的“发现之旅”为线索，

通过猜想

——

理论推导

——

检验等过程，学生在物理情景中主动参与知识的构建过程，体会这种大胆设想、巧妙验证并进行科学探索的精神与方法．

本节课把具体目标问题化、问题情境化、情境活动化，促使学生初步经历对自然规律的探究过程，从中体会物理学的思想，充分利用了物理学发展的素材和教材提供的资源，既培养了学生的自学阅读的能力，又很好地落实了三维目标．

学习者分析：

高一的学生，对任何新事物都充满了好奇心，已学习了牛顿运动定律、圆周运动的知识以及描述行星运动规律的开普勒三定律．对于万有引力定律的学习已有了一定的知识基础．

教学目标：

一、知识与技能

1．了解牛顿发现万有引力定律的思路与过程；

2．理解万有引力定律的内容、数学表达式及适用的范围；

3．知道卡文迪许测量万有引力常量实验的设计思想；

4．认识发现万有引力定律的意义，领略天体运行规律的简洁与和谐．

二、过程与方法

1．体会科学归纳与演绎推理的方法；

2．体会扭秤实验的设计思想．

三、情感、态度与价值观

1．感受科学家探索科学问题的艰辛和喜悦；

2．培养探究问题的科学态度、探究创造的心理品质，感受科学探究永无止境．

教学准备：

多媒体电教设备，动画、视频、图片及

PPT 演示文稿．

教学重点难点：

重点：万有引力定律的物理意义以及公式的适用条件；

难点：

万有引力定律的发现过程．

教学过程：

教学环节

引入新课

提出问题

教师活动

学生活动

设计说明

播放动画与视频：

创设问题情境，

太阳系中的行星绕太阳公转．

1．若把行星绕太阳的运动简化为匀速圆观看、感叹、讨论、以行星交往．

绕太阳公转为材料，创设问思考、回答：

需要的向心力由太阳题情境，营周运动，此时需要的向心力由什么力提供？

2．太阳与行星间的引力遵循怎样的规自开普勒提出行星运动三定律后，很多1 律？

科学家的科学家都试图去弄清楚行星运动的力学本质．

例如：

1．开普勒：太阳磁力的吸引；

2．伽利略：“惯性”自行的维持；

3．笛卡尔：太阳的漩涡带动行星和卫星对行星的引力提供．

造气氛，让学生感受天体系统运动的和谐统一，激发学生探索自然奥秘的强烈愿望．

一起运动；

观点介绍

4．胡克和哈雷等

：太阳引力的缘故，

并且力的大小与到太阳距离的平方成反比．

但这些观点，没有可靠的依据．

假如你是那个时代的科学家，你能用现在所学的知识研究

太阳与行星间的引力所

遵循的规律吗？

学生讨论并回答：

太阳对行星的引力

F

学生参与一、若把行星绕太阳的运动简化为匀速圆周为行星运动所受的向心猜想

运动，太阳与行星间的引力规律的推导．

力，即

引导学生

阅读教材

第

47 页，由向心力公式和开

普勒第三定律推导出：

其中

m 为行星的质量，

r 为行星轨道半径，

即太阳与行星的距离．

即：

让学生参与论证

根据牛顿第三定律，太阳吸引行星的力与行星吸引太阳的力是同性质的相互作用力．既然太阳对行星的引力与行星的质量也有作用力，也应与太阳成正比，那么行星对太阳

2

对此问题，英国科学家牛顿做了深入的思考的质量

M 成正比，即：

与分析，下面就让我们一起来经历一下这个

用文字表述为：太阳

与行星之间的引力，与它们质量的乘积成正比，与思考过程．

二、牛顿的猜想

（一）猜想一——关于苹果和月亮受力关系的猜想

它们的距离的平方成反比．

牛顿还研究了月地间的引

力、许多不同物体间的作

用力都遵循上述引力规苹果与月亮受到的力可能是同一种力．

律，他把这一规律推广到

1．树上脱落的苹果为什么会落地而不飞自然界中任意两个物体向天空？

间，即具有划时代意义的

2．如果苹果树长得像山一样高，结果如万有引力定律．

牛顿的猜何？

3．如果苹果树长到月亮轨道的高处，结想

果又如何？

讨论与思考

4．那么天上的月亮为什么掉不下来？

5．如果月亮停止转动，月亮也会掉下来吗？

6．如果苹果具有抛射速度，是否会像月亮一样落不下来呢？

牛顿的抛体设想：

将物体抛出，速度越大，抛射越远，当速度大到一定值，物体将绕地飞行，永不触及地球．

（二）猜想二——关于苹果和月亮受力规律的猜想

既然月亮绕地球运行的方式与行星绕太阳的运行方式相似，那么地球对月亮的引力和太阳对行星的引力就有可能是同一种力，如果这种猜想成立，再结合上一猜想，那么 学生答：

1．苹果受重力作用．

2．依然落地．

3．依然落地．

4．月球绕地球旋转，

苹果受到的力与月亮受到的力应遵从“平方所受地球引力提供向心力．

反比”的关系．

如何来检验进一步的猜想呢？

下面列出的是当时可以测量的物理量，根据这些量，请你分析怎样可以检验地球对月亮的引力与距离的平方成反比的关系？

5．是的

6．是的

3

课堂讨论

学生分析

引导学生阅读教材第

49 页“物理在线”

牛顿的月

（三）猜想三——大胆合理外推

体会牛顿的思维过程

结论：苹果受到的力

与月亮受到的力应该是同一种力．

既然苹果与地球、月亮与地球以及行星

地检验的与太阳之间的力都是同一种的力，那么你有

何想法？

内容

学生回答：

牛顿利用他发明的微积分解决了

式中

r 的含义，

r 是指两星体球心间的距离．他运用相当复杂的几何方法根据开普勒第二定律，证明了这个规律在行星进行椭圆轨道运行时仍然成立．

课堂思考

介绍牛顿的工作

牛顿的功绩

（二）表达式：

牛顿在

17 世纪

60 年代到

17 世纪

80 年代的

20 年中，把引力思想不断扩展最终扩展到宇宙万物中：任意两个物体之间都存在吸引力．

月球轨道处的加速度

牛顿的理论著作：1687 年发表《自然哲结论：苹果受到的引力与

学的数学原理》，对猜想进行严格地理论证月亮受到的引力应该遵从“平方反比” 的关系．

明．

三、万有引力定律

（一）内容

任何两个物体之间都存在相互作用的引力，这个力的大小与这两个物体的质量的乘反比．

学生回答：地球对卫

星也遵守平方反比关系．

积成正比，与两物体之间的距离的二次方成

了解地月检验

式中：

G 为万有引力常量，

r 为两物

体中心的距离．相距很远的物体可以看成质

4

点，对球形物体而言，

r 为球心距离．

（三）适用条件：两质点之间

四、万有引力的验证

万有引力常量的测量

虽然万有引力的准确性被验证了，但人们还是被一些问题困扰着：物体间的引力能

学生记笔记．

实验原理简介

万有引力否测出？万有引力常量

G 数值为多大？

1798 年卡文迪许通过精巧设计的实验定律

测出万有引力常量．

该实验设计有什么巧妙之处？

2．利用光的反射巧妙地将微小形变进行了放大

1．实验原理简介：

模拟卡文迪许扭秤实验的实验过程．

①将两个小球固定在体会万杆上，并用金属细丝悬挂有引力起来，当两个大球分别靠定律发近小球时，杆转动，金属现的意细丝扭转，与杆的转动相义

抗衡，平衡时杆不再转动．金属细丝转过的角度与大小球之间的引力对应，通过转角可以求出引力．

②

在金属丝上装上一块平面镜，随金属细丝

万万有引功．

力常量的3．实验数据

测量

引导学生阅读教材第

49 页“课外阅

这个实验从设计到测量对科学家都是极一起旋转，光线射到平面大的挑战，卡文迪许研究了整整

50 年才成镜后反射，在较远的光屏

观察光斑的移动，就可以测出金属细丝转过的角度．

学生答：

理解实当时测量的G值为

，现在公认的

G 值为

G 值的物理含义：两个质量为

1kg 的物体相距

1m 时，它们之间万有引力为

6.67×10-11 N．

生活实例：

5 利用光的反射巧妙地验方法

将微小形变进行了放大．

的巧妙

读”卡文迪验

两个质量为

50kg 的同学相距

0.5m 时学生回答：

太阳与地球之间的引力大约是

1022 N

学生回答：

体会一般物体之间的万有引力

许扭秤实的相互吸引力有多大？

依据：

可见：一般物体之间的万有引力太小了，播放动画

因此通常不考虑．

课堂思4．扭秤实验的意义

证明了万有引力的存在，使万有引力定律进入了真正实用的时代，卡文迪许是第一个在实验室里称出地球质量的人．

万有引力定律发现的意义是什么？

思考：

1．万有引力与重力的关系是什么？

2．万有引力定律在天文学上有哪些应用？

考

生活实例思考问题

布置作业

导学案《当堂检测》

板书设计

第二节

万有引力定律

一、若将行星绕太阳的运动简化为匀速圆周运动，太阳与行星间的引力规律的推导：

二、牛顿的猜想

三、万有引力定律

（一）内容：

（二）表达式：

式中：

G

为万有引力常量，

r

为两物体中心的距离．相距很远的物体可以看成质点，对球形物体而言，

r

为球心距离．

（三）适用条件：

严格地，适用于质点间的相互作用；近似地，用于两个物体间的距离远远大于物体而言，本身的大小时；特殊地，用于两个均匀球体，

r 是两球心的距离．

四、万有引力定律的验证

6

万有引力常量的测量：

测量

G 值为现在公认的

G 值为

，

G 值的物理含义：两个质量为

1kg 的物体相距

1m 时，它们之间的引力为6.672×10-11 N

教学流程图：

学习效果评价：

本节课内容充实，创设情景，引导学生积极参与，使学生经历万有引力定律的科学探究与发现的过程，充分调动了学生的学习兴趣，特别注意培养学生的自学与表达能力，本课的设计可使学生很好地掌握知识，深入地体会科学方法，培养学生良好的思维习惯，使学生更喜爱学习物理．

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