高中物理課萬有引力定律教學設計
高中物理課萬有引力定律教學設計
【教材分析】
物理學的發端始於人類對理解星體執行的追求。三百多年前，萬有引力定律的發現堪稱人類文明與理性探索程序中最壯麗的詩篇，其所體現出的科學智慧的震撼力， 至今仍為世人所歎服，它第一次把看似毫不相關的地上與天上運動統一起來，第一次揭示大自然的對稱和諧與物理規律表達簡潔而含蓄的內在美，並作為牛頓的“從 運動現象研究自然力”的又一個科學思辨範例，而不斷為歷代科學家所效仿。從物理學史程序中，可以看出《萬有引力定律》這節內容是對上兩節課教學內容的進一 步推演，並與之構成本章的第一單元內容。同時，本節內容也是下節課教學內容的基礎，是本章的教學重點，在高中物理中佔有重要地位。因此萬有引力定律的教學 絕不能僅限於具體知識的講解、記憶與實際的應用，更應強調人類對天體運動的認識以及建立萬有引力定律的探究過程，把教學重點放在“引導學生體會萬有引力定 律發現過程中的思路和方法”上。然而，除了教材與教參已有的介紹外，我們對物理學史上這段輝煌史實真正瞭解多少？我們能否把握整個發現過程中的探索脈絡， 並將從中領悟到的思想精髓介紹給學生？由此看來，要教好新教材中的萬有引力定律一章，適當擴充套件相應的知識背景，瞭解有關牛頓引力理論的現代評述，就顯得十 分必要了。
【學生分析】
從知識結構來看，在學習萬有引力定律前，學生已經對力、重力、向心力、太陽對行星的引力、加速度、重力加速度、向心加速度等概念有了較 好的理解，並且掌握自由落體運動和圓周運動等運動規律，能熟練運用牛頓運動定律解決動力學問題。已經完全具備深入探究和學習萬有引力定律的起點能力。
從知識建構的程序來看，在上一節中學生經歷了太陽與行星間引力的探究過程，從中向學生滲透了發現問題、提出問題、猜想假設、推理論證等方法思想，依照 學生的認知心理特點，播放兩個影片片段月球繞地球轉動和蘋果落地，很容易在他們腦中形成這樣一個問題：地球對月球的引力和地球對蘋果的引力會不會就是同一 種力呢？從而為進一步探究萬有引力定律的發現過程，確定了切入點。
然而高一學生其思維方式容易停滯在知識接受層面，而忽視概念間、規律間的相互聯絡，且很多學生不能建立明確的動態的物理影象或物理情景，進而無法透過同化 和順應，完成知識的建構過程。因此，在教學過程中要注重從學生實際入手，依據學生認知規律，注重創設物理情景，創造和諧的課堂氛圍，進行互動討論探究式教 學。
【教學目標】
1.知識和技能目標
（1）掌握月—地檢驗。
（2）知道萬有引力定律的內容、表示式和適用條件，會解決簡單的引力計算問題。
2.過程和方法目標
學習物理規律提出猜想—理論推導—實驗檢驗的科學研究方法。
3.情感、態度和價值觀目標
（1）經歷萬有引力定律的發現過程，激發學生科學探究的興趣。
（2）透過引力常量的測量簡介，說明科學研究的長期性，提高學生的科學價值觀。
【教學重點】
萬有引力定律及適用條件。
【教學難點】
月地檢驗的思路。
【教學設計思想】
透過提出猜想—理論推導—實驗檢驗過程，讓學生在物理情景中主動的參與知識的構建過程，體會這種大膽的猜想、已有理論的應用、巧妙的實驗檢驗和從中體現著的科學探索的精神與方法。
【教學設計過程】
一、新課引入
透過上節課的學習，我們已經知道了太陽與行星間的引力遵從平方反比律： 。
公式中的G是比例係數，F是太陽和行星之間的引力，提供行星繞太陽近似圓周運動的向心力，正是這個引力使得行星不能飛離太陽。
『設計說明』：透過上述介紹，旨在讓學生回憶上節課內容，回顧萬有引力定律發現過程的前一半，從而為接下來的研究奠定基礎，進而引出新課。
二、教授新課
（一）提出猜想
觀察影片，提出問題。（引導學生回答，教師及時糾正補充）
月球為什麼繞地球做圓周運動？
由於月球受到地球對它的吸引力。
蘋果為什麼向下運動而不向上運動？
蘋果在其重力作用下落向地面。
那麼受到的重力又是怎麼產生的呢？
由於地球對蘋果的吸引力而產生的。
我們很自然的想到，地球對月球的引力和地球對蘋果的引力會不會就是同一種力呢？
按照我們物理學的研究規律，為了解釋某種現象，提出猜想，這是理論，然後再去檢驗是否正確。物理學就是在不斷的檢驗完善中前進的。同樣我們的猜想是否正確也需要事實的檢驗。那麼請同學們思考下面幾個問題。
『設計說明』：透過月球繞地球運轉和蘋果自由下落的物理情景，喚醒學生腦中當年由蘋果落地而引起遐想進而發現萬有引力定律的故事情景，激發學生的興趣與想像力。
（二）月地檢驗
創設問題情境，學生討論，教師引導，互動探究。
檢驗天上和地上的力是否是同一種力，需要選誰為研究物件？
假定設想成立，天上和地上是同一種力，遵循相同的規律—平方反比律，那麼蘋果和月球受到的力該如何表示呢？
（這是理論猜想）
實際上月球受到的力可以如何求解呢？
（提示：透過天文觀測，我們已經知道了月球繞地球做圓周運動，能不能利用圓周運動的知識來求解呢？）
而蘋果受到的力我們已經知道為 。
接下來，請同學們思考，要驗證我們的猜想，我們需要測量什麼物理量？驗證什麼表示式呢？
（學生回答，教師引導總結。）
我們猜想天上地上是同一種力，天上的力是猜想，是理論，地上的力是實際，是檢驗，我們就是要驗證猜想和實際是否相等。只選擇一個研究物件月球或蘋果，因比 例係數G未知，所以無法檢驗。我們可以選取兩個研究物件，研究它們的比值關係，實際就是月球和蘋果的加速度關係，來完成實驗的檢驗，這就是著名的月地檢 驗。我們一起來看一下檢驗的思路。
檢驗思路
①透過猜想利用引力的平方反比律和牛頓第二定律計算地球表面蘋果的加速度和月球的向心加速度。
②透過實驗觀測，利用已有規律，得到月球的向心加速度和地球表面蘋果的加速度。
③綜合以上結果，看加速度比值關係，比較猜想與實驗觀測的資料，得出結論。
好，請同學們開始驗證。展示學生的推導過程。
結論：在誤差允許的範圍內，理論推導與實驗觀測得到的結果是相等的。
『設計說明』：透過創設問題情景，引導學生討論探究檢驗思路，進行定量計算，掌握月地檢驗，用無可辯駁的事實證明猜想的正確性，增強學生的理性認識，學習物理規律提出猜想—理論推導—實驗檢驗的`科學研究方法，同時經歷萬有引力定律的發現過程，激發學生科學探究的興趣。
（三）萬有引力定律
猜想：宇宙中一切物體之間會不會都存在這樣的力呢？
現在我們提到萬有引力似乎是老生常談，但是，牛頓當時的魄力、膽識和驚人的想象力實在讓我們佩服。這最後一步假設，雖然無法得到直接驗證，但是我們也沒有反駁它的理由，而且，以後的無數事實都支援了這一點—萬有引力定律。請同學們看課本瞭解定律的內容。
1.內容
自然界中任何兩個物體都相互吸引，引力的大小與物體的質量m1和m2的乘積成正比，與它們之間距離r的二次方成反比。即
――《自然哲學的數學原理》1687年牛頓著
式中各物理量的含義及單位：F為兩個物體間的引力，單位：N；m1、m2分別表示兩個物體的質量，單位：kg；r為兩個物體間的距離，單位：m；G為萬有引力常量。
2.引力常量
牛頓得出了萬有引力與物體質量及它們距離的關係，但卻無法算出兩個天體之間萬有引力的大小，因為他不知道引力常量G的值。這個問題在一百多年以後，才被英 國的物理學家卡文迪許（1731年－1810年）在實驗室裡透過扭秤對幾個鉛球之間的萬有引力測量而解決，測出了引力常量G。（展示課件圖片，簡單講解實驗的原理與思想：鉛球之間的引力使T形架轉動，帶動金屬絲扭轉，我們可以利用力矩平衡的知識來計算鉛球之間的萬有引力的大小。因金屬絲的扭轉程度很小，不易觀察測量，所以在T形架上安裝了一個小鏡，讓鐳射器照出的鐳射經小鏡反射後落在標尺上，小鏡轉動後，測量光點在標尺上移動的距離，利用光放大的原理確定金屬絲的扭轉程度，進而測出引力，確定引力常量。）
目前推薦的標準值為G＝6.67259×10－11N·m2/Kg2，通常取G＝6.67×10－11N·m2/Kg2，（板書：引力常量G＝6.67×10－11N·m2/Kg2）它在數值上等於質量是1Kg的物體相距1米時的相互作用力，單位：N·m2/kg2。 （強調掌握物理常量數量級的重要性）和以後我們將學習的靜電力常量一樣，引力常量是自然界中少數幾個最重要的物理常量之一。完成扭秤試驗後，卡文迪許又測 量了多種物體間的引力，所得結果與利用引力常量G按萬有引力定律計算所得結果相同。所以，引力常量的普適性成為萬有引力定律正確性的見證，它為萬有引力定 律的普遍意義奠定了強有力的實驗基礎。在導學案上，給大家準備了引力常量測定的資料介紹，希望同學們課下自己閱讀，瞭解其實驗的原理與思想。
萬有引力定律我們已經得到。
問題：如何使用萬有引力定律進行簡單的計算呢？學生討論回答。
好，請看問題！兩個質量均為50Kg的人互相接觸時的萬有引力如果用定律計算，結果好像是無窮大，那麼這兩個人永遠不會分開了。是我們好不容易得到的定律錯了？還是我們在使用定律時忽視了什麼呢？這就是我們要繼續學習的萬有引力定律的適用條件。
3.適用條件
（1）萬有引力定律只適用於質點間引力大小的計算。當兩物體間的距離遠遠大於每個物體的尺寸時，物體可以看成質點，直接使用萬有引力定律計算。（模型）
研究相互接觸的兩個人之間的萬有引力時，不能把他們看作質點。
（2）當兩物體是質量均勻分佈的球體時，它們間的引力也可直接用公式計算，但式中的r是指兩球心間距離。
研究太陽和地球之間的萬有引力，可以把它們看作質量均勻的球體。
當研究物體不能看成質點時，可以把物體假想分割成無數個質點，求出兩個物體上每個質點與另一物體上所有質點的萬有引力，然後求合力，這是微積分的思想。
萬有引力定律產生於對太陽系行星運動的研究，但它對物質運動的適用性卻要廣泛得多。可以這樣說，宇宙中凡有引力參與的一切複雜的現象，無不要歸結到這樣一條十分簡潔的定律之中，這不能不使人驚歎宇宙萬物超乎尋常的和諧及人類理性思考所具有的統攝力。
4.實踐探究
創設情景：既然自然界中任何兩個物體間都有萬有引力，那麼在日常生活中，我們各自之間或人與物體之間，為什麼都對這種作用沒有任何感覺呢？
根據情景中資料，學生進行估算：
①請估算兩位同學，相距5m遠時它們間的萬有引力多大？（可設他們的質量為50kg）
解：由萬有引力定律得：
代入資料得：F1=6.67×10-9N
②已知地球的質量約為6.0×1024kg，地球半徑為6.4×106m，請估算其中一位同學和地球之間的萬有引力又是多大？
解：由萬有引力定律得：
代入資料得：F2=489N
小結：由此可見通常物體間的萬有引力極小，一般不易感覺到。而物體與天體間的萬有引力（如人與地球）就不能忽略了。
5.對萬有引力定律的理解
①普遍性：萬有引力存在於任何兩個物體之間。
②相互性：兩個物體相互作用的引力是一對作用力與反作用力。
③特殊性：兩個物體間的萬有引力和物體所在的空間及其他物體存在無關。
④適用性：只適用於兩個質點間的引力。
6.意義
萬有引力定律的發現對物理學、天文學的發展具有深遠的影響；以前上千年才能觀測到一顆行星，透過萬有引力定律的指導，我們在指定位置很快就發現了新的行星，給人們探索自然的奧秘建立了極大信心。
『設計說明』：讓學生知道萬有引力定律的內容、表示式和使用條件，體會物理學許多重大理論的發現，不是簡單的實驗總結，它需要直覺、想像 力、大膽的猜想和假設。透過閱讀材料，使學生體會卡文迪許扭秤實驗精巧的實驗方法，知道科學研究的長期性，提高學生的科學價值觀。透過題目練習，學生進行 估算和比較，從中鍛鍊學生的估算能力，體會萬有引力常量數量級的重要性，加深對萬有引力定律的理解。
【課堂小結】
學生體會：發現萬有引力定律的思維過程：提出猜想──理論推導──實驗檢驗
『設計說明』：透過黑板或多媒體展示本節課知識，在教師引導下，幫助學生構建自己的知識框架。
【佈置作業】
1.閱讀資料，瞭解引力常量的測量原理和方法。
2.課本問題與練習2、3題。
『設計說明』：透過學生課下閱讀引力常量的測量簡介資料，說明科學研究的長期性，提高了學生的科學價值觀。
【教學設計後記】
本節課我對牛頓發現萬有引力定律的過程，透過創設問題情景，讓學生以科學家的角度分析、思考問題，經歷萬有引力定律的發現過程，激發學生科學探究的興趣，體會牛頓的偉大，瞭解科學家提出猜想—理論推導—實驗檢驗的科學研究方法。
在本節課的教學中，我透過精心設計問題，引導學生從選擇研究物件入手，設計檢驗過程，基本解決了學生對月地檢驗的理解困難，用事實引導學生經歷萬有引力定律的得出過程，加深了學生對萬有引力定律的認識。
總體說來，教學目標基本實現。