高中物理《萬有引力理論的成就》教學設計

高中物理《萬有引力理論的成就》教學設計

　　作為一名教師，時常需要用到教學設計，藉助教學設計可使學生在單位時間內能夠學到更多的知識。那麼寫教學設計需要注意哪些問題呢？以下是小編為大家整理的高中物理《萬有引力理論的成就》教學設計，僅供參考，大家一起來看看吧。

　　高中物理《萬有引力理論的成就》教學設計1

　　一、內 容

　　人教版普通高中課程標準試驗教科書物理必修2第六章第4節《萬有引力理論的成就》

　　二、教學分析

　　1.教材分析

　　本節課是《萬有引力定律》之後的一節，內容是萬有引力在天文學上的應用。教材主要安排了“科學真是迷人”、“計算天體質量”和“發現未知天體”三個標題性內容。學生透過這一節課的學習，一方面對萬有引力的應用有所熟悉，另一方面透過卡文迪許“稱量地球的質量”和海王星的發現，促進學生對物理學史的學習，並藉此對學生進行情感、態度、價值觀的學習。

　　2．教學過程概述

　　本節課從宇宙中具有共同特點的幾幅圖片入手，對萬有引力提供天體圓周運動的向心力進行了複習引入萬有引力在天體運動中有什麼應用呢？接下來，透過“假設你成為了一名宇航員，駕駛宇宙飛船……發現前方未知天體”，圍繞“你有什麼辦法可以測出該天體的質量嗎”全面展開教學。密度的計算以及海王星的發現自然過渡和涉及。在教材的處理上，既立足於教材，但不被教科書所限制，除了介紹教科書中重要的基本內容外，關注科技新進展和我國天文觀測技術的發展，時代氣息濃厚，反映課改精神，著力於培養學生的科學素養。

　　三、教學目標

　　1.知識與技能

　　（1）透過 “計算天體質量”的學習，學會估算中資料的近似處理辦法，學會運用萬有引力定律計算天體的質量；

　　（2）透過“發現未知天體”，“成功預測彗星的迴歸”等內容的學習，瞭解萬有引力定律在天文學上的重要應用。

　　2.過程與方法

　　運用萬有引力定律計算天體質量，體驗運用萬有引力解決問題的基本思路和方法。

　　3.情感、態度、價值觀

　　（1）透過“發現未知天體”、“成功預測彗星的迴歸”的學習，體會科學定律在人類探索未知世界的作用；

　　（2）通過了解我國天文觀測技術的發展，激發學習的興趣，養成熱愛科學的情感。

　　四、教學重點

　　1.中心天體質量的計算；

　　2. “稱量地球的質量”和海王星的發現，加強物理學史的教學。

　　五、教學準備 實驗器材、PPT課件等多媒體教學裝置

　　六、教學過程

　　（一）、圖片欣賞複習引入

　　通過幾張宇宙圖片的欣賞，學生體驗宇宙中螺旋的共同特點，萬有引力提供向心力是天體都遵循的規律。那麼，萬有引力定律在天體運動中還有哪些具體的應用呢？讓我們一起進入本章《萬有引力理論的成就》的學習。

　　（二）、創設情境 解決中心問題

　　情境創設：假如你成為了一名宇航員，駕駛宇宙飛船航行在宇宙深處，突然，前方一美麗的天體出現在你的面前。你先關閉了宇宙的發動機，然後飛船剛好繞美麗天體做了完美的圓周運動，繞行一週後，飛船就平穩的降落在了星球上。

　　合作討論：你有什麼辦法可以測得這一神秘天體的質量嗎？

　　（學生透過小組探究，教師巡迴指導，形成自己本組的意見，由小組選出的代表來向全班展示自己思考的結果。）

　　小組代表講解展示：

　　思路一：測出宇宙飛船繞行一週的時間和軌道半徑，根據萬有引力提供向心力，

　　即：

　　從而得出星球（中心天體）的質量

　　思路二：根據宇航員降落在星球表面上後，重力近似等於萬有引力，

　　即： 得出

　　在思路二完成之後，緊接著問題：如何測得星球表面的重力加速度g呢？

　　（學生討論回答，現場教師展示藉助小球的自由落體運動，透過現代技術“感測器”現場完成重力加速度的測量。）

　　設計說明： 1.透過“學生成為宇航員駕駛宇宙飛船發現未知天體”的情境創設，圍繞”如何測得星球的質量？”這一中心問題展開學生的討論活動，在讓學生覺得有趣味的同時，透過小組討論、合作學習來促使學生創造性的思考、解決本節課的中心問題。2.多媒體和現代測量方法——感測器讓學生感受技術帶來的便捷。

　　（三）、物理學史 展現人文魅力

　　啟示：一旦測出了引力常量G，那麼就可以利用公式 得到地球的質量了。

　　1798年，卡文迪許透過自己設計的扭秤實驗，成功得到了引力常量的值。因此卡文迪許把自己的實驗說成是“稱量地球的重量”，是不無道理的。

　　而正是這段故事，讓一個外行人、著名文學家馬克·吐溫滿懷激情的說：“科學真是迷人。根據零星的事實，增添一點猜想，竟能贏得那麼多的收穫！”

　　(四)、課堂延伸——如何得到這一天體的密度？

　　設計說明：在這一問題中，老師提示了球體的體積公式，然後就把時間交給學生了。學生進行了積極的演算，可得到的答案有兩種，一種是帶有半徑的，而另一種則是把半徑約分掉的 。“為什麼半徑可以約掉呢？”這一問題又再一次促進了學生的思考。而這也保證了課堂的開放性。

　　(五)、發現未知天體

　　影片：“海王星的發現”，——展現科學發現的足跡，注重學生進行科學態度和情感。

　　諾貝爾物理學獎獲得者、物理學家馮勞厄說：“沒有任何東西像牛頓引力理論對行星軌道的計算那樣，如此有力的樹立起人們對年輕物理學的尊敬。從此以後，這門自然科學成了巨大的精神王國……”

　　(六)、課堂小結與反饋 簡單回顧本節課的教學內容

　　七、板書設計： 第4節《萬有引力理論的成就》

　　一、 圖片欣賞，引入新課

　　二、 測中心天體的質量

　　三、 卡文迪許——人文魅力

　　四、 應用

　　1.測天體密度

　　2.發現未知天體

　　八、教學反思：

　　本節課在教學設計上創造性的使用教材，透過“學生成為宇航員駕駛宇宙飛船發現未知天體”的情境創設，讓學生在極大的'趣味中完成了本節中心內容的教學。學生的學習過程脈絡清晰。物理學家的人文魅力學生也有一定的感知。

　　高中物理《萬有引力理論的成就》教學設計2

　　 教學目標

　　1、知識與技能

　　(1)瞭解地球表面物體的萬有引力兩個分力的大小關係，計算地球質量;

　　(2)行星繞恆星運動、衛星的運動的共同點：萬有引力作為行星、衛星圓周運動的向心力，會用萬有引力定律計算天體的質量;

　　(3)瞭解萬有引力定律在天文學上有重要應用。

　　2.過程與方法：

　　(1)培養學生根據資料分析找到事物的主要因素和次要因素的一般過程和方法;

　　(2)培養學生根據事件的之間相似性採取類比方法分析新問題的能力與方法;

　　(3)培養學生歸納總結建立模型的能力與方法。

　　3.情感態度與價值觀：

　　(1)培養學生認真嚴禁的科學態度和大膽探究的心理品質;

　　(2)體會物理學規律的簡潔性和普適性，領略物理學的優美。

　　教學重難點

　　教學重點

　　地球質量的計算、太陽等中心天體質量的計算。

　　教學難點

　　根據已有條件求中心天體的質量。

　　教學工具

　　多媒體、板書

　　教學過程

　　一、計算天體的質量

　　1.基本知識

　　(1)地球質量的計算

　　①依據：地球表面的物體，若不考慮地球自轉，物體的重力等於地球對物體的萬有引力，即

　　②結論：

　　只要知道g、R的值，就可計算出地球的質量.

　　(2)太陽質量的計算

　　①依據：質量為m的行星繞太陽做勻速圓周運動時，行星與太陽間的萬有引力充當向心力，即

　　②結論：

　　只要知道衛星繞行星運動的週期T和半徑r，就可以計算出行星的質量.

　　2.思考判斷

　　(1)地球表面的物體，重力就是物體所受的萬有引力.(×)

　　(2)繞行星勻速轉動的衛星，萬有引力提供向心力.(√)

　　(3)利用地球繞太陽轉動，可求地球的質量.(×)

　　3.探究交流

　　若已知月球繞地球轉動的週期T和半徑r，由此可以求出地球的質量嗎?能否求出月球的質量呢?

　　【提示】 能求出地球的質量.利用

　　為中心天體的質量.做圓周運動的月球的質量m在等式中已消掉，所以根據月球的週期T、公轉半徑r，無法計算月球的質量.

　　二、發現未知天體

　　1.基本知識

　　(1)海王星的發現

　　英國劍橋大學的學生亞當斯和法國年輕的天文學家勒維耶根據天王星的觀測資料，利用萬有引力定律計算出天王星外“新”行星的軌道.1846年9月23日，德國的加勒在勒維耶預言的位置附近發現了這顆行星——海王星.

　　(2)其他天體的發現

　　近100年來，人們在海王星的軌道之外又發現了冥王星、鬩神星等幾個較大的天體.

　　2.思考判斷

　　(1)海王星、冥王星的發現表明了萬有引力理論在太陽系內的正確性.(√)

　　(2)科學家在觀測雙星系統時，同樣可以用萬有引力定律來分析.(√)

　　3.探究交流

　　航天員翟志剛走出“神舟七號”飛船進行艙外活動時，要分析其運動狀態，牛頓定律還適用嗎?

　　【提示】 適用.牛頓將牛頓定律與萬有引力定律綜合，成功分析了天體運動問題.牛頓定律對物體在地面上的運動以及天體的運動都是適用的.

　　三、天體質量和密度的計算

　　【問題導思】

　　1.求天體質量的思路是什麼?

　　2.有了天體的質量，求密度還需什麼物理量?

　　3.求天體質量常有哪些方法?

　　1.求天體質量的思路

　　繞中心天體運動的其他天體或衛星做勻速圓周運動，做圓周運動的天體(或衛星)的向心力等於它與中心天體的萬有引力，利用此關係建立方程求中心天體的質量.

　　2.計算天體的質量

　　下面以地球質量的計算為例，介紹幾種計算天體質量的方法：

　　(1)若已知月球繞地球做勻速圓周運動的週期為T，半徑為r，根據萬有引力等於向心力，即

　　(2)若已知月球繞地球做勻速圓周運動的半徑r和月球執行的線速度v，由於地球對月球的引力等於月球做勻速圓周運動的向心力，根據牛頓第二定律，得

　　(3)若已知月球執行的線速度v和執行週期T，由於地球對月球的引力等於月球做勻速圓周運動的向心力，根據牛頓第二定律，得

　　(4)若已知地球的半徑R和地球表面的重力加速度g，根據物體的重力近似等於地球對物體的引力，得

　　解得地球質量為

　　3.計算天體的密度

　　若天體的半徑為R，則天體的密度ρ

　　誤區警示

　　1.計算天體質量的方法不僅適用於地球，也適用於其他任何星體.注意方法的拓展應用.明確計算出的是中心天體的質量.

　　2.要注意R、r的區分.R指中心天體的半徑，r指行星或衛星的軌道半徑.以地球為例，若繞近地軌道執行，則有R=r.

　　例：要計算地球的質量，除已知的一些常數外還需知道某些資料，現給出下列各組資料，可以計算出地球質量的有哪些?( )

　　A.已知地球半徑R

　　B.已知衛星繞地球做勻速圓周運動的軌道半徑r和線速度v

　　C.已知衛星繞地球做勻速圓周運動的線速度v和週期T

　　D.已知地球公轉的週期T′及運轉半徑r′

　　【答案】 ABC

　　歸納總結：求解天體質量的技巧

　　天體的質量計算是依據物體繞中心天體做勻速圓周運動，萬有引力充當向心力，列出有關方程求解的，因此解題時首先應明確其軌道半徑，再根據其他已知條件列出相應的方程.

　　四、分析天體運動問題的思路

　　【問題導思】

　　1.常用來描述天體運動的物理量有哪些?

　　2.分析天體運動的主要思路是什麼?

　　3.描述天體的運動問題，有哪些主要的公式?

　　1.解決天體運動問題的基本思路

　　一般行星或衛星的運動可看做勻速圓周運動，所需要的向心力都由中心天體對它的萬有引力提供，所以研究天體時可建立基本關係式：

　　2.四個重要結論

　　設質量為m的天體繞另一質量為M的中心天體做半徑為r的勻速圓周運動

　　以上結論可總結為“越遠越慢，越遠越小”.

　　誤區警示

　　1.由以上分析可知，衛星的an、v、ω、T與行星或衛星的質量無關，僅由被環繞的天體的質量M和軌道半徑r決定.

　　2.應用萬有引力定律求解時還要注意挖掘題目中的隱含條件，如地球的公轉週期是365天，自轉一週是24小時，其表面的重力加速度約為9.8 m/s2.

　　例：)據報道，天文學家近日發現了一顆距地球40光年的“超級地球”，名為“55 Cancri e”，該行星繞母星(中心天體)執行的週期約為地球繞太陽執行週期的480(1)，母星的體積約為太陽的60倍.假設母星與太陽密度相同，“55 Cancri e”與地球均做勻速圓周運動，則“55 Cancri e”與地球的( )

　　【答案】 B

　　歸納總結：解決天體運動的關鍵點

　　解決該類問題要緊扣兩點：一是緊扣一個物理模型：就是將天體(或衛星)的運動看成是勻速圓周運動;二是緊扣一個物體做圓周運動的動力學特徵，即天體(或衛星)的向心力由萬有引力提供.還要記住一個結論：在向心加速度、線速度、角速度和週期四個物理量中，只有週期的值隨著軌道半徑的變大而增大，其餘的三個都隨軌道半徑的變大而減小

　　五、雙星問題的分析方法

　　例：天文學家將相距較近、僅在彼此的引力作用下執行的兩顆恆星稱為雙星.雙星系統在銀河系中很普遍.利用雙星系統中兩顆恆星的運動特徵可推算出它們的總質量.已知某雙星系統中兩顆恆星圍繞它們連線上的某一固定點分別做勻速圓周運動，週期均為T，兩顆恆星之間的距離為r，試推算這個雙星系統的總質量.(引力常量為G)

　　歸納總結：雙星系統的特點

　　1.雙星繞它們共同的圓心做勻速圓周運動，它們之間的距離保持不變;

　　2.兩星之間的萬有引力提供各自需要的向心力;

　　3.雙星系統中每顆星的角速度相等;

　　4.兩星的軌道半徑之和等於兩星間的距離.