7.2万有引力定律 教学设计-2023-2024学年高一下学期物理人教版（2019）必修第二册

6.3万有引力定律课堂教学设计教学设计思路通过“争抢苹果游戏”--“苹果落地”--“苹果上山”--“苹果上天”--“苹果变月”--“月变苹果”--“月亮落地”的等问题的逐层设问，目的是重现牛顿对苹果落地的思考，使学生构建科学探究的过程。引导学生在观察的基础上概括知识，构建自由落体模型和圆周运动模型，培养学生的科学思维能力。从地上到天上，再从天上到地下，两条科学思维支线交替进行，拓展学生思维的广度和深度，使学生能够进行大胆地猜想。通过“检验什么”问题的设置，把“从力的关系”转化为“从加速度的关系”来验证，要学生体会到：换一个角度，多一条路，突出了科学探究过程中思维能力的培养。通过“怎么检验”问题的设置，把推理论证和天文观测相结合，理据相依，发现规律。教学目标1、物理观念（1）知道地球上的重物下落与天体运动的统一性。（2）知道万有引力是一种存在于所有物体之间的吸引力，知道万有引力定律的适用范围。2、科学思维了解万有引力定律发现的思路和过程，体会在科学规律发现过程中猜想和求证的重要性。科学探究结合“月--地检验”，经历思维程序，“提出问题--猜想与假设--理论论证--实验观测--验证结论”，培养学生的科学探究能力。科学态度与责任认识天文观测、分析论证、归纳总结等科学方法的重要性，学会尊重客观事实并能透过现象看透本质。了解万有引力定律发现的意义，体会科学发展对人们世界观的改变所起的作用；了解引力常量G的测定在科学历史上的重大意义，体会科学家的在科学发展过程中所起的重要作用。教学重点本节课的重点是万有引力定律的发现过程。教学难点本节课的难点是“月--地检验”的理解。教学资源多媒体、苹果、PPT课件、我国航天发展历程短片教学流程图教学过程课堂导入探索浩瀚宇宙，发展航天事业，建设航天强国，是我们不懈追求的航天梦。航天事业的发展，离不开万有引力定律的支撑，也离不开偶然间的一个苹果的作用！今天，我们就来学习万有引力定律。通过上一节课的学习，我们知道，牛顿在前人研究的基础上得出，太阳和行星之间的引力使行星绕太阳运动，而不会飞离太阳。这个引力的大小和太阳与行星质量的乘积成正比，和两者距离的二次方成反比，方向在二者的连线上。即地球绕太阳运动，月球绕地球运动，它们之间的作用力是同一种性质的力吗？牛顿在思考月亮绕地球运行的原因时，苹果偶然落地引起了他的遐想。地球使苹果落地的力，与太阳、地球间的吸引力是不是同一种性质的力呢？一、“苹果落地”的思考今天，老师也带来了一个苹果，大家准备好，看谁能够接住这个苹果，谁接住就送给谁。然后老师把苹果就近抛落到一个同学手里，引发学生热议。老师引导：苹果为什么会下落？学生回答：地球对苹果有吸引力。苹果为什么没有落到你的手里呢？学生回答：你没有给它初速度，它的水平位移太小。老师怎样做苹果就可能到你的手里？学生回答：给苹果一定的初速度嘛。老师如果把苹果拿到高山上，苹果还受到地球的吸引力吗？释放后它还会落下吗？学生思考后回答：拿到高山上苹果还是会受到地球的引力，还是会落下来的。老师如果变身超人，把这个苹果放到距离地球38万公里的的月亮轨道上，苹果还会受到地球对它的引力吗？静止释放，它会做什么样的运动?是悬停在那儿，还是会落下来？学生讨论后找人回答：即使放在月球轨道上，苹果依然要受地球的吸引力作用，还是会落下来的。在月球轨道，我给苹果一个和月亮一样的平抛速度，大家想想看，这个苹果会怎么运动？学生讨论后回答：会和月亮一样绕地球转动起来，成为一个苹果月亮！很好！那如果老师这个时候拦住月亮，让它的速度变成零，然后我一撒手，月球会做什么样的运动呢？学生思考后回答：月亮会像一个超大号的苹果一样，在地球吸引力的作用下，落向地面！非常棒！那么月亮为什么没有掉落下来？学生思考后回答：在月亮和地球之间的引力作用下，月球在做圆周运动。老师：好！同学们都认真思考了，回答的也很好！当初，思考了苹果落地，月亮绕地球的运动的原因后，牛顿做出了大胆的猜想，他认为使地球绕太阳、月球绕地球运动的力，和地球对树上苹果的吸引力可能都是同一种性质的力，遵循相同的规律。（渗透点明科学探究的过程，肯定大家，激发兴趣，继续探究。）二、“月--地检验”牛顿为了验证自己的猜想，进行了著名的“月--地检验”老师引导：苹果和月球的质量不一样，怎么进行检验呢？能不能直接测量它们之间的作用力呢？学生思考后回答：首先，没有那么大的弹簧秤，不能直接测量月球和地球之间的引力；其次，牛顿时代，人们也不能将苹果放到38万公里高的地方，不能测出地球对它的作用力。既然不能通过测量力来检验，那接下来该怎么办呢？根据牛顿第二定律，力有什么样的作用效果呢？学生思考后回答：力的作用效果之一，就是使物体产生加速度，很好！我们不妨换一个视角进行分析和检验：既然力的关系难以验证，那么能不能从加速度的角度进行检验呢？如果可以的话，我们需要检验什么呢？学生思考后回答：我们知道地面附近的苹果在只受地球引力作用下做自由落体运动，有加速度；而月球在地球的引力作用下做匀速圆周运动，也有加速度。（设计这个问题的目的，是要学生体会到：换一个角度，多一条路；正所谓：山穷水尽疑无路，柳暗花明又一村。这样，问题就得到了转化和解决。将从力的关系顺利转化为从加速度的关系来验证，正是本节的难点所在。）检验过程：理论推导假设地球与月球间的作用力和太阳与行星间的作用力是同一种力，它们的表达式应该满足。根据牛顿第二定律，月球绕地球做圆周运动的向心加速度（式中是地球的质量，是地球中心与月球中心的距离）。假设地球对苹果的吸引力也是同一种力，同理可得，苹果的自由落体加速度（式中是地球的质量，是地球中心与苹果间的距离）。由以上两式可得由于月球与地球中心的距离约为地球半径的60倍，所以（2）天文观测牛顿的时代，人们已经能够比较精确地测定自由落体加速度，当时也能比较精确测定月球和地球的距离、月球公转的周期。，，这表明，地面物体所受地球的引力、月球所受地球的引力，与太阳、行星间的引力，真的遵从相同的规律！最后教师要指出：虽然在中学阶段只能将椭圆轨道近似为圆形轨道来证明万有引力定律，但牛顿当年是在椭圆轨道情形下证明了万有引力定律的。（这一步是要学生体会：更严格的证明，需要更高的数学水平。从而激发学生的求知欲望。）三、万有引力定律牛顿猜想是否到这里就结束了呢？不是！他的思想变得更加解放：既然太阳和行星之间、地球和月球之间，以及地球与地面物体之间具有“与两个物体的质量成正比、与它们之间距离的二次方成反比”的吸引力，是否任意两个物体之间都有这样的力呢？很可能有，只不过由于身边物体的质量比天体的质量小的多，不易觉察罢了。牛顿进行了更大胆的推广：自然界中任何两个物体都相互吸引，引力的方向在它们的连线上，引力的大小与物体的质量和的乘积成正比、与它们之间距离的二次方成反比，即，其中是比例系数，叫做引力常量，适用于任何两个物体。适用条件：适用于两个质点间的万有引力大小的计算。对于质量分布均匀的球体，公式中的就是它们球心之间的距离。（强调质点、质量分布均匀）这就是科学史上最伟大的定律之一--万有引力定律，与1687年发表在牛顿的传世之作《自然哲学的数学原理》中。教师点评：牛顿将太阳与行星间的引力规律，一步步推广至自然界中任何两个物体之间，是需要魄力、胆识和惊人的想象力的，物理学的许多重大理论的发现，不是简单的实验结果的总结，它需要直觉、需要想象力、需要大胆的猜测和严格的证明！四、引力常量牛顿虽然发现了万有引力定律，但却无法算出两个天体之间引力的大小，因为他不知道引力常量的值。100多年以后，英国物理学家卡文迪许通过精巧实验测量了几个铅球之间的引力，进而推算出了引力常量的值。引力常量是自然界中少数几个最重要的物理常量之一；引力常量的普适性是万有引力定律正确性的有力证据！通过实例计算万有引力的大小，体验引力常量的重要性和万有引力定律的存在性。一个同学质量，他所受的重力多大？试估算操场上相距的两个质量为的两个同学之间的万有引力。解：他所受重力两个同学之间的万有引力是一粒芝麻重的几千分之一，这么小的力人根本无法察觉到。（2）那么太阳与地球之间的万有引力又是多大呢？（太阳的质量为，地球质量为，日、地之间的距离为)解：非常大，能够拉断直径为的钢柱。可见，天体之间的万有引力非常巨大。简介我国当代引力常量测量引力常量的精确测量对于深入研究引力相互作用规律具有重要意义。自卡文迪许之后，其他科学家相继致力于这项工作。我国华中科技大学引力中心罗俊团队在引力常量的测量中作出了突出贡献，于2018年得到了当时最精确地引力