2. 万有引力定律教学设计实例

《万有引力定律》教学设计

【教材分析】

万有引力定律是本章的核心，在高中物理中占有重要地位。从内容性质与地位上看，本节内容是对上一节“太阳与行星间的引力”的进一步外推，突出“探究”理念，体现了“猜想-假设-实验（事实）验证的科学思想方法，有承上启下的作用。本节重点是万有引力的建立过程和对万有引力内容的理解及应用。本节难点是“天上”的力与“人间”的力可能出于同一本源这一想法的产生和创设情景进行”月--地”检测。另外本节内容还注重是对学生“科学方法”教育和“情感态度与价值观”的教育：使学生认识科学研究过程中根据事实和分析推理进行猜想、假设和检验的重要性，培养学生的推理能力、概括能力和归纳总结能力；本节结合“月—地检验”，经历思维程序“提出问题→猜想与假设→理论分析→实验观测→验证结论”培养学生探究思维能力；使学生学习科学家们坚持不懈、勇往直前和一丝不苟的工作精神，培养学生良好的学习习惯和善于探索的思维品质。

【学情分析】

上节内容中，学生用所学的“圆周运动”、“开普勒行星运动定律”和“牛顿运动定律”知识，经历了一系列科学探究过程，得出了太阳与行星间的引力特点，学生对天体运动的研究产生了极大的兴趣和求知欲。本节课教师再引导学生从太阳与行星间引力的规律出发，根据类比事实将“平方反比关系”的作用力进行猜想，假设和推广，从太阳对行星的引力到地球对月球的引力，再到任意物体间的吸引力都满足“平方反比的关系”。学生会带着好奇和探究意识以及必要的检验论证，一路探究下去，最终得出万有引力定律。使学生在理解掌握万有引力定律的基础上，培养了探究思维能力和良好的思维品质，为学生终身发展打下基础。

【教学目标】

1、通过问题回顾，创设情境引发学生进一步猜想月球绕地球运动的力和使得苹果下落的力是同一种力，引导学生推导万有引力定律。

2、通过阅读教材，记住万有引力的内容及表达式，小组准确展示例1和例2的分析过程，加深对万有引力定律的理解。

【评价任务】

1、课前预习教材，5分钟完成导学案中的课前预习部分。

2、通过教师引导和逐层问题设置，学生能准确的回答导学案中的问题，并能推导月—地检验。

3、学生代表展示例1和例2，并能分析解题思路，规范解题过程，独立完成课堂检测。

【教学重点】

1、万有引力定律的推导思路和过程。

2、万有引力定律的内容及表达公式的理解及应用。

【教学难点】

1、“天上”的力与“人间”的力可能出于同一本源这一想法的产生和创设情景进行”月--地”检测。

2、学生在参与重新“发现”万有引力定律的过程中，利用自身的物理知识体系架起沟通天体运动和万有引力定律的桥梁；学生将搜集到的有效信息及自己的思考归纳整理并向他人表述。

【教学方法】

阅读思考、猜想假设、分析推理、事实验证、归纳总结、讨论交流、练习巩固等。

【教学过程】

环节一：创设情境，导入新课

我们听说过“嫦娥奔月”的神话故事，我们每个月都能看到月亮的圆缺变化，你是否想过月

亮为什么会绕地球运动而没有舍弃地球或投向地球的怀抱？引入本节课教学万有引力定律。

环节二：万有引力的猜想

1、天体间引力规律的普遍性

用多媒体出示如下阅读提纲，引导学生阅读理解，然后再多媒体演示行星绕太阳运动的动画，月球在地球引力作用下运动及受力的动画，苹果在地球引力作用下落地的动画，引导学生逐步完成阅读问题。

阅读提纲

（1）行星为什么没有飞离太阳? （2）地面物体为什么不能离开地球而总是落回地面呢？

（3）地球与太阳间的引力和地球吸引苹果的力是不是一种力呢？

（4）最高的山顶上或建筑物上的重力有明显减弱吗？

（5）拉住月球的力和地面物体的重力性质一样吗？

学生阅读活动或师生共同回答

原因是：太阳对行星的引力作用。

因为地面物体受到地球对它的重力作用。

猜想一：地球与太阳间的引力和地球吸引苹果的力是一种力。

客观事实表明：物体在地面和高山上所受的重力大小没多大区别。

猜想二：地球对周围物体的重力作用应该会延伸到很远的地方，拉住月球的力和地面物体的重力性质一样。

（6）树上掉下的苹果砸着牛顿，使牛顿不同意。机遇偏爱于有准备的头脑。“当突发奇想而发现了万有引力。你同意这种牛顿思考月亮绕地球运行的原因时，苹果说法吗？

偶然落地引起了他的遐想”的说法应该有点道理。

通过再现牛顿当年由苹果落地而引发思维遐想，引导学生通过观察苹果的运动，借鉴牛顿的思维在一层层递进和深入的问题启发下，通过师生互动，生生互动，进而大胆猜测，突破难点。使接下来出现的“月--地检测”自然而合理。同时牛顿的大胆而敏锐的想法也激发学生的学习兴趣与想像力。

环节三：月—地检验

2、月地间引力与地球吸引物体的力相同——月—地检验，验证猜想

引导学生阅读教材，理解月—底检验的思路。按如下板书思路逐步显示。根据圆周运动的知识可知，行星必然受到太阳的引力用来充当向心力，所以有：Fmr2mr(22)

T根据开普勒第三定律，我们又能得到什么样的结论？根据开普勒第三定律可知：行星与太阳之间的引力跟行星的质量成正比，跟行星到太阳的距离的二次方成反比，即：

22rr31r3m222Fmrmr()m42m422(42)2

TTTrTr2根据牛顿第三定律，我们又能得到什么样的启示？由牛顿第三定律可知：太阳吸引行星的力与行星吸引太阳的力是相同性质的相互作用力，既然引力与行星质量成正比，那么它也应和太阳质量M成正比，即：FmM

2r

综合上面的结论，我们又能得到什么样的结论？综合上述结论可知：此引力的大小应与太阳和行星的质量的乘积成正比，与两者距离的平方成反比，写成等式即有：FGmM

2r公式中的G是一个常数，叫万有引力常量。

进而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律，于是他把这一规律推广到自然界中任意两个物体间，即具有划时代意义的万有引力定律。

环节四：万有引力定律

3、万有引力定律

（按学习物理规律的常规方法进行，引导学生分析得出下列各项板书内容。）

（1）内容：自然界中任何两个物体都相互吸引，引力的大小与两个物体的质量m1和m2的乘积成正比，与它们之间的距离r的二次方成反比。

（2）公式：FGmmr122

（3）单位：质量——Kg、距离——m、力——N 。

（4）比例系数G叫做引力常量，普遍适用。

（5）距离的确定：

1可视为质点的物体，则为质点间的距离；

○2对均质球体则是两个球心间的距离。

○（6）意义：

1对物理学、天文学的发展具有深远的影响；

○2它把地面上物体运动的规律和天体运动的规律统一起来了；

○3在科学文化发展起到了积极的推动作用，

○解放了人们的思想，给人们探索自然的奥秘建立起了极大的信心，人们有能力理解天地间的各种事物。

万有引力定律清楚地向人们提示，复杂运动的背后隐藏着简洁的科学规律；它明确地向人们宣告，天上和地下都遵循着完全相同的科学法则。

环节五：引力常量

4、扭秤装置巧改造，引力常量被测出——天才发明与天才借鉴

教师：万有引力定律——这一科学史上最伟大的定律，与1687年发表在牛顿的传世之作《自然科学的数学原理》中。但在当时，牛顿无法确定其中的引力常量，万有引力定律的正确性仍然值得怀疑。请同学们阅读教材，明确是谁，在什么时间、什么地点测出了引力常量。

牛顿（1643~1727）

1687年

万有引力定律

《自然哲学的数学原理》

-11

←

时差：100多年

→

卡文迪许（1731~1810）

1789年

在实验室中用扭秤装置测出引力常量

推荐标准值：G =6.67259×10N·m·Kg

推荐使用值：G =6.67×10N·m·Kg

（用多媒体投影上面内容，并展示卡文迪许扭秤实验装置。）

2-2-112-2

适当提及18世纪80年代，库仑为定量研究电荷间的相互作用力而发明了扭秤装置，实现了对微小量的巧妙测量。卡文迪许则巧妙地利用和改进了扭秤装置，测出了引力常量G。难

怪有人形象地称他们是“天才发明和天才借鉴”，我们在学习中互相协作、互相借鉴也是具有重要意义的。

万有引力定律的检验需要大量的事实，卡文迪许测定引力常量的实验是其他检验无法代替的，它为万有引力定律的普遍意义奠定了强有力的实验基础。如果没有G的测出，则万有引力定律在许多问题的应用受到限制。正是由于卡文迪许测出了引力常量G，才使得万有引力定律在天文学的发展上起了重要的作用。

环节六：课堂小结

通过这节课的学习，我们了解并知道：

1、得出万有引力定律的思路及方法。

mm2、任何两个物体间存在着相互作用的引力的一般规律：即FG122

r【巩固练习】

1、火星的半径约为地球半径的一半，火星的质量约为地球质量的1／9，那么地球表面质量为50kg的物体受到地球的吸引力约是火星表面同质量的物体受到火星吸引力的多少倍？

2、两个大小相同的实心小铁球紧靠在一起时，它们之间的万有引力为F，若将两个半径为原来2倍的实心大铁球紧靠在一起，则它们之间的万有引力为（

）。

A.

4F

B.

2F

C.

8F

D.

16F 3、宇宙飞船由地球飞向月球是沿着它们的连线飞行的，途中经某一位置时飞船受地球和月球引力的合力为零，已知地球和月球两球心间的距离为3．84×108m，地球质量是月球质量的81倍。试计算飞船受地球引力和月球引力的合力为零的位置距地球中心的距离。

参考答案：1．

2.25倍；

2．

D；

3．

3.46×108m 。

4、课后思考：

（1）某星球的质量约为地球的9倍，半径约为地球的一半，若从地球上高h处平抛一物体，射程为60米，则在该星球上，从同样高度，以同样的初速度平抛同一物体，射程应为多少?

（2）已知地球的半径为R，自转角速度为ω，地球表面的重力加速度为g，在赤道上空相对地面静止的同步卫星离开地面的高度是多少？

参考答案：

（1）10米；

（2）3gR22R

【板书设计】

万有引力定律

1. 天体间引力规律的普遍性——科学推理，萌发猜想；

2. 月地间引力与地球吸引物体的力相同——月—地检验，验证猜想；

3. 任意物体间的吸引都有平方反比的关系——解放思想，大胆推广；

4. 万有引力定律——天地统一，得出万有引力定律；

（1）内容：自然界中任何两个物体都相互吸引，引力的大小与两个物体的质量m1和m2的乘积成正比，与它们之间的距离r的二次方成反比。

（2）公式：FGmmr122

-112-2（3）比例系数G叫做引力常量，普遍适用。G =6.67×10N·m·Kg

1可视为质点的物体，则为质点间的距离；

（4）距离的确定：○

2对均质球体则是两个球心间的距离。

○【教学设计说明】

“万有引力定律”是高一物理曲线运动动力学部分“万有引力与航天”一章中的重要内容，而新课程理念下实验教科书安排，先认识太阳与行星间引力规律，再学习万有引力定律是有其道理的，这既符合历史事实，更主要是为了培养学生的探究思维能力和逻辑分析能力。在设计本节教案时，充分考虑这一新要求设计了如下的教学程序：

首先，从太阳与行星间引力的作用出发，根据类比事实将“平方反比关系”的作用力进行猜想和假设，检验和推广，引导学生认识科学研究活动中根据事实和分析推理进行猜想、假设和验证的重要性，在科学方法上它是本节课的重点，也是难点。

然后，结合“月—底检验”培养学生“提出问题→猜想与假设→理论分析→实验观测→验证结论”的探究思维意识和能力。

其次，我们按学习物理规律的常规方法学习了万有引力定律，对其理解以及其内容和表达公式是本节课的重点；对万有引力及其规律、物体间距离的理解是本节课的难点。

最后，通过创设情境让学生经历牛顿思维狂潮的洗礼，感受思考的神奇魅力，从而了解了万有引力的发现过程，如果对学生自主探究的观念，和改变学生学习与思考的方式有一丝启发与帮助，也就实现了本节课的教学目的。