高中物理 5.1 万有引力定律及引力常量的测定教案 鲁科版必修2(1).doc

5.1 万有引力定律及引力常量的测定从容说课本节教材首先让学生在上课前准备大量的资料并进行阅读，如：第谷在1572年时发现在仙后座中有一颗很亮的新星，从此连续十几个月观察这颗星从明亮到消失的过程，并用仪器定位确证是恒星（后称第谷星，是银河系一颗超新星），打破了历来恒星不变的学说.伽利略开创了以实验事实为基础并具有严密逻辑体系和数学表述形式的近代科学.为推翻以亚里士多德为旗号的经院哲学对科学的禁锢、改变与加深人类对物质运动和宇宙的科学认识而奋斗了一生，因此被誉为近代科学之父.开普勒幼年时期的不幸，通过自身不懈地努力完成了第谷未完成的工作.这些物理学家的有关资料可以帮助学生在了解万有引力定律发现的过程中体会科学家们追求真理、实事求是、不畏强权的精神. 具体授课中教师可以用故事的形式讲述.也可通过放资料片和图片的形式讲述.也可大胆地让学生进行发言. 在讲授日心说和地心说时，先不要否定地心说，让学生了解托勒密巧妙的解释，同时让学生明白哥白尼的理论推翻了统治人类长达一千余年的地球是宇宙中心的地心说理论，为宣传和捍卫这一学说，意大利的思想家布鲁诺惨遭烧死，伽利略也为此受到残酷迫害.培养学生热爱科学、坚持真理的思想.教学重点了解人类探索太空的历史与艰辛.教学难点了解天文知识在科学研究和生产技术中的广泛应用.教具准备多媒体设备.课时安排1课时三维目标 一、知识与技能 1.了解人类探索太空的历史与艰辛； 2.了解天文知识在科学研究和生产技术中的广泛应用.二、过程与方法 通过阅读课文，体会一切科学成就都是来之不易的，新的理论会不断完善和补充旧的理论，人类对科学的认识是无止境的.三、情感态度与价值观 通过对本节课的学习和讨论，使学生知道物理中的结论和规律一般都有其适用范围，认识知识的变化性和无穷性，培养献身于科学的时代精神.教学过程导入新课 遨游太空是人类古已有之的梦想，但直到上个世纪中期，人类才迈出了走向太空的第一步.其间饱含着人类多少汗水和智慧呢？今天我们来看一下人类对太空的不懈追求.推进新课 一、古希腊人的探索多媒体课件展示： 地心说 地心说是长期盛行于古代欧洲的宇宙学说.它最初由古希腊学者欧多克斯提出，后经亚里士多德、托勒密进一步发展而逐渐建立和完善起来.托勒密认为，地球处于宇宙中心静止不动.从地球向外，依次有月球、水星、金星、太阳、火星、木星和土星，在各自的圆轨道上绕地球运转.其中，行星的运动要比太阳、月球复杂些：行星在本轮上运动，而本轮又沿均轮绕地运行.在太阳、月球、行星之外，是镶嵌着所有恒星的天球-恒星天.再外面，是推动天体运动的原动天.地心说是世界上第一个行星体系模型.尽管它把地球当作宇宙中心是错误的，然而它的历史功绩不应抹杀.地心说承认地球是球形的，并把行星从恒星中区别出来，着眼于探索和揭示行星的运动规律，这标志着人类对宇宙认识的一大进步.地心说最重要的成就是运用数学计算行星的运行，托勒密还第一次提出运行轨道的概念，设计出了一个本轮均轮模型.按照这个模型，人们能够对行星的运动进行定量计算，推测行星所在的位置，这是一个了不起的创造.在一定时期里，依据这个模型可以在一定程度上正确地预测天象，因而在生产实践中也起过一定的作用.地心说中的本轮均轮模型，毕竟是托勒密根据有限的观察资料拼凑出来的，他是通过人为地规定本轮、均轮的大小及行星运行速度，才使这个模型和实测结果取得一致.但是，到了中世纪后期，随着观察仪器的不断改进，行星位置和运动的测量越来越精确，观测到的行星实际位置同这个模型的计算结果的偏差就逐渐显露出来了. 但是，信奉地心说的人们并没有认识到这是由于地心说本身的错误造成的，却用增加本轮的办法来补救地心说.当初这种办法还能勉强应付，后来小本轮增加到80多个，但仍不能满意地计算出行星的准确位置.这不能不使人怀疑地心说的正确性了.到了16世纪，哥白尼在持日心地动观的古希腊先辈和同时代学者的基础上，终于创立了日心说.从此，地心说便逐渐被淘汰了.学生活动：阅读并讨论你是否支持地心说，为什么？二、文艺复兴的撞击 多媒体课件展示： 日心说 16世纪中期，文艺复兴的浪潮在意大利兴起并逐步波及欧洲，冲击着自中世纪以来长期禁锢人们思想的枷锁.日心说认为：太阳是宇宙的中心，地球和其他行星都绕太阳转动，日心说又称为日心地动说或日心体系.16世纪，波兰天文学家哥白尼经过近四十年的辛勤研究，在分析过去的大量资料和自己长期观测的基础上，于1543年出版的天体运行论中，系统地提出了日心说.在托勒密的地心体系中，每个行星运动都含一年周期成分，但托勒密对此无法作出合理的解释.哥白尼认为，地球不是宇宙的中心，而是一颗普通行星，太阳才是宇宙的中心，行星运动的一年周期是地球每年绕太阳公转一周的反映.哥白尼体系另一些内容是：水星、金星、火星、木星、土星五颗行星和地球一样，都在圆形轨道上匀速率地绕太阳公转. 月球是地球的卫星，它在以地球为中心的圆轨道上，每月绕地球转一周，同时跟地球一起绕太阳公转. 地球每天自转一周，天穹实际上不转动，因地球自转才出现日月星辰每天东升西落的现象. 恒星和太阳间的距离十分遥远，比日地间的距离要大得多.哥白尼曾列举了许多主张地球自转和行星绕太阳公转的古代学者名字，他发扬了这些学者的思想，竭尽毕生精力，经过艰辛的观测和数学计算，以严格的科学论据建立了日心体系.后来的观测事实不断地证实并发展了这一学说.限于当时的科学发展水平，哥白尼的日心说也有缺点和错误，这就是： 认为太阳是宇宙的中心，实际上，太阳只是太阳系中的一个中心天体，不是宇宙的中心； 沿用了行星在圆轨道做匀速圆周运动的旧观念，实际上行星轨道是椭圆的，运动速度的大小也不是恒定的. 学生活动：讨论日心说的合理性，发表自己的见解.三、牛顿的大综合展示阅读材料： 古希腊的灿烂文化在漫长的黑暗中世纪埋没风尘，黯然失色. 15世纪，文艺复兴的大旗飘扬在欧洲大陆上，自然科学获得新的生命，蓬勃成长.科学巨匠n.哥白尼、第谷、j.开普勒、伽利略以及r.笛卡儿等先后驰名于欧洲.一场科学革命冲破了中世纪封建势力和经院哲学的层层罗网，不断取得胜利. 牛顿-伟大的科学家，经典物理学理论体系的建立者-正是在欧洲出现政治、经济和科学文化新变革的时代诞生的. 由于牛顿在剑桥受到数学和自然科学的熏陶和培养，对探索自然现象产生极为浓厚的兴趣.就在16651666年这两年之内，他在自然科学领域内思潮奔腾，才华迸发，思考前人从未思考过的问题，踏进前人没有涉及的领域，创建前所未有的惊人业绩.16世纪，丹麦天文学家第谷对行星绕日运行作了长年累月的观测，他死后，德国天文学家开普勒整理并分析了第谷的20年的观测记录，总结出行星运动的著名开普勒三定律.这个发现不仅为经典天文学奠定了基础，更重要的是导致了其后万有引力定律的发现. 17世纪，牛顿用引力理论和运动三定律把天上行星和它们的卫星运动规律，同地上重力下坠的现象统一起来，实现了天上人间的统一，这是牛顿在自然哲学上的伟大贡献. 牛顿一生的重要贡献是集16、17世纪科学先驱们成果的大成，建立起一个完整的力学理论体系，把天地间万物的运动规律概括在一个严密的统一理论中.这是人类认识自然的历史中第一次理论的大综合.以牛顿命名的力学是经典物理学和天文学的基础，也是现代工程力学以及与之有关的工程技术的理论基础.这一成就，使以牛顿为代表的机械论的自然观，在整个自然科学领域中取得了长达两百年的统治地位.学生活动：合作交流，牛顿是如何实现天上人间的统一的？四、对太空的探索 展示阅读材料： 在牛顿力学的基础上，人类在对太空探索的理论与实践方面都获得了丰硕成果. 1957年10月4日，世界第一颗人造地球卫星高速穿过大气层进入太空，绕地球旋转了1 400周，它的成功发射，是人类迈向太空的第一步，这就是苏联发射的人造地球卫星1号.该卫星呈球形，外直径为58厘米，质量为83千克，发射于苏联的拜科努尔发射场.从地球有了第一颗人造卫星至今，各国的空间技术都有了突飞猛进的发展.50年代末到60年代初，人造卫星的发射主要用于探测地球空间环境和进行各种卫星技术试验.60年代中，人造卫星进入了应用阶段.70年代起，各种新型专用卫星的性能不断提高，诸多卫星已为人类作出了重要贡献.中国在1970年发射了人造地球卫星，成为全世界第五个发射人造地球卫星的国家. 1961年4月12日，苏联成功地发射了第一艘载人宇宙飞船东方号，尤里加加林成功地完成了划时代的宇宙飞行任务，从而实现了人类遨游太空的梦想，开创了世界载人航天的新纪元，揭开了人类进入太空的序幕.此后又相继发射了上升号、联盟号飞船；与此同时，美国于1962年2月发射了水星号飞船，之后又发射了双子星座号飞船和阿波罗号登月载人飞船. 随着航天技术的发展，载人飞船的性能将得以不断改进和完善，使用功能增多、返回着陆落点控制精度可提高到百米级范围，飞船座舱可重复使用等.1966年3月17日，双子星座8号的宇航员进行了首次太空对接.之后不久，由于飞船损伤系统突然失灵，宇航员们不得不进行紧急着陆处理.宇航员尼尔-a-阿姆斯特朗和戴维-r-斯考特在计划为期3天的飞行使命中的第5圈飞行时，操纵其双子星座封舱与阿根纳号宇宙飞船对接成功.半小时后，双子星号密封舱开始旋转并失去控制.接着，宇宙飞船上12只小型助推火箭中的一只原因不明地起火.宇航员随即将其飞行器与阿根纳号分离，并成功地在太平洋上溅落.1975年苏美关系在二战后第一次开始变暖.苏联联盟号与美国的阿波罗号飞船在轨道上实现对接，这在世界上引起了轰动.关于这次试验性飞行有许多鲜为人知的故事.1975年7月15日，联盟19号飞船和阿波罗18号飞船相继上天，对接舱放在土星火箭的裙段与阿波罗18号一同发射.大约两天后，两艘飞船经过一系列的变轨行动，在德国上空会合对接.经过45个小时的共同飞行，两艘飞船双双安全返回地球.这次被誉为轨道上的握手的飞行，是载人航天史上的第一次国际合作，在技术上为航天员救援提供了新的手段，并为未来的太空计划，提供了早期样板.但更重要的是为改善美苏关系乃至东西方关系作出了重要贡献.其意义远远超出了航天技术发展的本身. 1981年4月12日当地时间上午7点（北京时间20点），美国航天飞机哥伦比亚号在佛罗里达州卡纳维拉尔角肯尼迪航天中心发射上天.在科学技术发展上，这都是一件引起全世界注目的大事.自1957年苏联第一颗人造卫星上天以来，世界宇航科学已经有了很大发展，目前空中不停运转的各种人造卫星不计其数.然而，它们只能自行坠毁无法维修，更不能返回地球重新使用.哥伦比亚号航天飞机的设计，正是为了解决这个问题.它可以像火箭一样地飞，像人造卫星一样地在太空轨道上运行，又可以像滑翔机一样地按时按地降落，然后还可以再次使用.18米长的机舱，能装运36吨重的货物.将可以用作在太空中进行工作的科学实验室，为人类开辟新的知识源泉，甚至还能成为一个空中工厂，生产一些在地面上难以生产的高标准产品.还可以成为太空修理站，载人和装备去建立新的卫星，维修或撤回旧的卫星.有人把航天飞机称作太空卡车.第一架载人在太空穿梭并能返回地面反复使用的航天飞机哥伦比亚号，以每小时17 500英里的速度围绕地球转了36圈经历54个半小时，于4月14日下午按计划飞返位于加利福尼亚州的爱德华空军基地.1984年2月7日，美国挑战者号航天飞机的两名宇航员麦坎德利斯和斯图尔特先后实现在太空行走.这两名宇航员和航天飞机以每小时17 400英里（每小时28 000千米）的速度飞驰，但是在太空中并没有这种速度感觉.喷气背包试验是要表明宇航员能够在不系安全带的情况下回收和修理飞行中的卫星.这两人已在太空中修理了一项科学实验装置、一架照相机和松了的绝热层.1990年4月24日，由美国航天飞机送上太空轨道的哈勃望远镜，长13.3米，直径4.3米，重11.6吨，造价近30亿美元，哈勃以2.8万千米的时速沿太空轨道运行，默默地窥探着太空的秘密.哈勃望远镜是有史以来最大、最精确的天文望远镜.它上面的广角行星照相机可拍摄上百个恒星的照片，其清晰度是地面天文望远镜的10倍以上，1.6万千米以外的一只萤火虫都难逃它的法眼.它创造了一个个太空观测奇迹，包括发现黑洞存在的证据，探测到恒星和星系的早期形成过程，观测到迄今为止人类已发现的最遥远、距离地球130亿光年的古老星系.在人类探索太空的过程中，也有不少勇士付出了生命的代价.他们为科学进步献出了生命，他们的精神激励着人们继续对太空进行探索.美国当地时间2005年2月1日，载有七名宇航员的美国哥伦比亚号航天飞机在结束了为期16天的太空任务之后，返回地球，但在着陆前发生意外，航天飞机解体坠毁，7名宇航员罹难.1986年1月28日挑战者号的失事，当时机上七名宇航员全部罹难.教师启发：思索人类探索太空的过程，我国的航天事业任重道远，你将如何面对新一代的挑战呢？布置作业 课本p104作业1、2.板书设计一、希腊人的探索 地心说二、文艺复兴的撞击 日心说三、牛顿的大综合四、对太空的探索 活动与探究1.观察月亮的运动现象. 2.观察日出现象.第1节 万有引力定律及引力常数的测定【知识目标】 一、知识与技能 1 了解地心说和日心说 2 了解万有引力定律的发展过程 3 知道开普勒三个定律 4 理解万有引力定律 5 了解引力常数 二、过程与方法 1 通过课件模拟天体的运动说明开普勒三个定律 2 运用圆周运动的知识理解天体运动 3 理解万有引力定律并会运用其解释天体现象 4 了解利用扭称测量引力常数运用探究方法 三、情感态度与价值观 1 认识发现万有引力定律的重要意义 2 体会科学定律对人类探索未知世界的作用【知识重点】 1 开普勒三个定律 2 万有引力定律 3 卡文迪许的扭称实验【知识难点】 1 理解万有引力定律及应用 2 理解卡文迪许的扭称实验的科学理念【教学方法】 1 问题教学法【教学过程】： 【历史回顾】中国对天体认识：距今2100多年的马王堆西汉墓中，出土了嫦娥奔月的画帛，（书上83面）画中嫦娥赞乘坐飞龙飘然奔月。嫦娥奔月是个传说，也可以说是个梦想，它说明中国对天的研究早就有了。如果世界第八大奇迹秦始皇陵中的天穹据说是由夜明珠按星星的分布镶嵌上的，中国对天体的追求早在秦朝之前就一定的尝试。 从战国时期的楚国伟大诗人屈原的佳作天问就是对茫茫宇宙提出了一系列问题，体现了人类了解自然奥秘的渴望。但中国对天体的认识由于种种原因没能进入实质性，同样的文明古国对这个问题有不同的探索。 1古希腊人的探索：首先从星体的轨迹入手，最早认为天体围绕地球转动的说法（地心说），主要观察到月球、太阳、水星、金星、火星、土星等，还能做好火星绕地球黑心的轨迹图，基于托密勒地心本轮理论的宇宙横向发展（书上100面），从古至今人类孜孜不倦地探索天体的运动规律，天文学家托勒密设计一套非常复杂的体系，完善了地心本轮理论。这个学说持续了近2000年 2文艺复兴的撞击：1943年天文学家哥白尼提出日心说，太阳是宇宙中心，行星都绕太阳做匀速圆周运动。日心说还太阳系的真实感面貌，但还有不足：第谷观察到a星体与计算结果不符b开普勒研究第谷测量数据得的绪论。 第谷是个天文观测家，他对星体进行认真系统的观测，其测量的结果是托勒密和哥白尼的理论计算结果与观测数据不相符。开普勒研究第谷的观测数据希望进一步解释哥白尼的行星圆形轨道，但是他的努力失败，他相信不是第谷的粗心而是哥白尼的理论需要进一步完善，开普勒开始研究行星非匀速非圆周的运动，终于提出三大定律。 （通过对历史回顾来让学生了解人对未知世界的探究是艰辛的但却是永无止境的，激起学生对人类探索未知世界的兴趣）【课件演示】展现行星的运动轨及太阳的位置，引导学生认真观察，加深学生对开普勒第一定律的认识，说明行星运动轨迹是非圆周的运动。 请学生观察行星在相等时间内扫过面积相等，让学生了解开普勒第二定律，行星在同一轨道上越接近太阳运动就越快，说明行星运动是非匀速运动。 要求学生掌握开普勒第三定律，行星绕太阳运行轨道半长轴r的立方与其公转周期t的平方成比： 引导学生自学信息窗，通过学习行星绕太阳运动的有关数据加深学生对开普勒三大定律的理解。【创设问题】开普勒三大定律只说明行星运动规律，没有说明为什么会如此运转？为什么即不会脱离太阳又不会坠向太阳？人在空中停留一下都很思想观念，越高越思想观念，但行星这么高却一点也不思想观念？ 请同学们回答行星做什么运动？行星做曲线运动。 请同学分析一下行星是否受到力的作用呢？根据曲线运动条件，行星必然受到一个与运动方向成一定角度力的作用，这就说明了太阳的行星之间有存在着力的作用。 从开普勒第二定律可知行星在同一轨道上越接近太阳运动就越快，根据圆周运动离心现象，如运动速度增大，而向心力不变情况下，就会出现离心现象，运动行星不但不出现离心现象反而做向心运动，请同学分析原因：说明太阳与行星之间作用力跟距离有关，距离越小时作用力就越大。 引导学生自学拓展一步的内容，从而了解到太阳与行星之间作用力跟太阳和行星质量有关。 从上面几个方面初步了解太阳与行星之间存在相互作用力，定性知道力跟什么因素有关。牛顿运用开普勒