萬有引力定律教學(xué)設(shè)計(jì)12_物理_必修2_人教版

1、6-3 萬有引力定律 礦院附中 趙志平 中關(guān)村外國(guó)語學(xué)校 榮立華一、設(shè)計(jì)思想萬有引力定律是本章的重點(diǎn)知識(shí)，本節(jié)課從內(nèi)容上看，是對(duì)上一節(jié)教學(xué)內(nèi)容的延伸，是下一節(jié)教學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)；是猜想、假設(shè)、與驗(yàn)證相結(jié)合的教學(xué)內(nèi)容；是一種演繹思維與歸納思維相結(jié)合的推理知識(shí)建構(gòu)結(jié)構(gòu)。教材的立意還在于物理理論還必須接受實(shí)踐的檢驗(yàn)。萬有引力定律的得出是牛頓智慧的結(jié)晶。牛頓從研究太陽與行星之間的引力想到普遍意義上的萬有引力定律在牛頓的科學(xué)思想上是順理成章的事情，用這個(gè)歷史史實(shí)組織課堂， 讓學(xué)生體味科學(xué)探索的方法。本節(jié)課以教師講授為主、學(xué)生探究和展示為輔的教學(xué)方式。講授過程中以物理學(xué)史為主線，讓學(xué)生以科學(xué)家的角度分析、

2、思考問題。除了說明牛頓的偉大功績(jī)，還應(yīng)該說明牛頓的工作是建立在前人工作基礎(chǔ)之上的。具體設(shè)計(jì)思路：（一）、新課程標(biāo)準(zhǔn)倡導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，重視學(xué)生科學(xué)探究，在“科學(xué)探究”中學(xué)生自己不斷發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、體會(huì)科學(xué)方法、學(xué)會(huì)交流合作及通過集體的智慧解決問題。我將發(fā)現(xiàn)萬有引力定律的過程設(shè)計(jì)為教師引導(dǎo)和學(xué)生探究先后結(jié)合的方法。“地球?qū)υ虑虻牧?、地球?qū)Φ孛嫔衔矬w的力、太陽對(duì)行星的力，真是同一種力嗎？” 這個(gè)過程中所涉及到的邏輯思維和數(shù)學(xué)推導(dǎo)給學(xué)生帶來的困難則由教師適時(shí)引導(dǎo)。當(dāng)學(xué)生親自動(dòng)手，計(jì)算出月球軌道上物體運(yùn)動(dòng)的加速度就是地面物體下落加速度的倍時(shí)，學(xué)生一定會(huì)由衷地感嘆自然界的和諧統(tǒng)一和科學(xué)的無窮魅力。（二

3、）、萬有引力定律既是一個(gè)獨(dú)立的科學(xué)定律，又是牛頓經(jīng)典力學(xué)體系的重要組成部分，是普遍存在于宇宙中的任何有質(zhì)量的物體（大到天體小到微觀粒子）間的相互吸引力，是自然界的物體間的基本相互作用之一，對(duì)人類認(rèn)識(shí)和探索未知世界有著重要的意義。教學(xué)中要讓學(xué)生知道學(xué)習(xí)萬有引力定律不只是用來做幾道題，而是一個(gè)人科學(xué)素養(yǎng)的具體體現(xiàn)。（三）、我讓學(xué)生查找關(guān)于卡文迪許的資料、做成ppt并讓兩到三組同學(xué)在課堂展示。增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)鍛煉學(xué)生的語言組織能力和表達(dá)能力。（四）、將不易測(cè)量的微小量轉(zhuǎn)化為可測(cè)量的物理量的方法是物理學(xué)中重要且常用的研究方法。通過卡文迪許扭秤實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生進(jìn)行的物理思想和科學(xué)方法的滲透。同時(shí)也能說

4、明科學(xué)實(shí)驗(yàn)是發(fā)現(xiàn)科學(xué)真理的基礎(chǔ)，也是檢驗(yàn)科學(xué)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。二、教學(xué)設(shè)計(jì)流程圖對(duì)地球與月球之間作用力的猜想教師引導(dǎo)學(xué)生探究猜想驗(yàn)證猜想并推理得出萬有引力定律萬有引力常量的測(cè)定方法二、教學(xué)目標(biāo)知識(shí)與技能1. 了解萬有引力定律發(fā)現(xiàn)的思路和過程，知道地球上的重物下落與天體運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)一性。2. 知道萬有引力是一種存在于所有物理之間的吸引力，知道萬有引力的適用范圍。3. 會(huì)用萬有引力定律解決簡(jiǎn)單的引力計(jì)算問題，知道萬有引力定律公式中r的物理意義，了解引力常量G的測(cè)定在科學(xué)史上的重大意義。過程與方法：1通過對(duì)萬有引力的學(xué)習(xí)，使學(xué)生體會(huì)在科學(xué)規(guī)律發(fā)現(xiàn)過程猜想與求證的重要性。2通過展示卡文迪許扭秤的設(shè)計(jì)方法，滲

5、透科學(xué)發(fā)現(xiàn)與科學(xué)實(shí)驗(yàn)的方法。情感態(tài)度與價(jià)值觀：理解科學(xué)發(fā)現(xiàn)、發(fā)展的過程和規(guī)律；感悟自然界的統(tǒng)一、和諧美；感悟科學(xué)家追求和宣傳科學(xué)真理所表現(xiàn)出的堅(jiān)定信念和獻(xiàn)身精神； 教學(xué)重點(diǎn)萬有引力定律的內(nèi)容及數(shù)學(xué)表達(dá)式教學(xué)難點(diǎn)萬有引力定律發(fā)現(xiàn)的思維過程扭秤實(shí)驗(yàn)的物理思想和科學(xué)方法; 教學(xué)資源多媒體資料、卡文迪許扭秤教法設(shè)計(jì)講授法、學(xué)生合作探究、學(xué)生課前查找資料課上展示、多媒體輔助教學(xué)教學(xué)過程教師活動(dòng)學(xué)生活動(dòng)設(shè)計(jì)意圖一、萬有引力的猜想：二、探究猜想：三、驗(yàn)證猜想并總結(jié)得出萬有引力定律：四、引力常量G的測(cè)定五、課堂小結(jié)六、課后作業(yè)一、萬有引力的猜想：復(fù)習(xí)：1牛頓時(shí)代的科學(xué)家認(rèn)為什么原因使行星繞太陽運(yùn)動(dòng)？2太陽與行

6、星之間作用力的規(guī)律是什么？引入： 牛頓因看到蘋果落地，而引發(fā)思考：樹上的蘋果自由下落，為什么是向下運(yùn)動(dòng)，而不是向其他方向運(yùn)動(dòng)呢？那么重力又是怎么產(chǎn)生的呢？地球?qū)μO果的引力與太陽與行星之間的作用力是不是同一種力呢？另外，地面上的物體距地面很遠(yuǎn)時(shí)，如在高山上，似乎重力沒有明顯的減弱，難道在高山上還不夠遠(yuǎn)嗎？如果物體延伸到月球那么遠(yuǎn)，物體是否也會(huì)向月球那樣圍繞地球運(yùn)動(dòng)？地球?qū)υ虑虻牧?、地球?qū)Φ孛嫔衔矬w的力、太陽對(duì)行星的力，真是同一種力？二、探究猜想：這個(gè)猜想需要由事實(shí)檢驗(yàn)，假如地球?qū)υ虑虻牧Α⒌厍驅(qū)Φ孛嫔衔矬w的力真是像太陽和行星之間的力一樣，都是同一種力，那么應(yīng)該同樣遵循平方反比規(guī)律。又由牛二定律：

7、可知月球軌道半徑約為地球半徑的60倍。60r 月球軌道上物體運(yùn)動(dòng)的加速度就應(yīng)該是地面附近物體下落加速度的倍。月球公轉(zhuǎn)軌道近似為圓，則其運(yùn)動(dòng)可以近似看作勻速圓周運(yùn)動(dòng)。那么，怎樣求出月球軌道上物體運(yùn)動(dòng)的加速度？，教師引導(dǎo)，給出相應(yīng)的數(shù)據(jù)：牛頓當(dāng)年知道的數(shù)據(jù)有：月球的公轉(zhuǎn)周期T=27.3天，月球到地球的距離，地面附近的重力加速度g=9.8m/s2，假如同學(xué)們處于當(dāng)時(shí)的環(huán)境中，能否利用你們的所知說明上述猜想的正確性？結(jié)論：地球?qū)υ虑虻牧?、地球?qū)Φ孛嫔衔矬w的力、太陽對(duì)行星的力，確實(shí)是同一種力.三、萬有引力定律：由上面的結(jié)論推廣：引力存在于任何兩個(gè)物體之間，也正因?yàn)榇?，這個(gè)引力稱做萬有引力。1、表述：自然

8、界中任何兩個(gè)物體之間都存在相互作用的引力，引力的大小跟這兩個(gè)物體的質(zhì)量和 的乘積成正比，跟兩物體之間的距離的平方成反比。1687年發(fā)表在自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理上。2、公式表示：3、適用條件 萬有引力定律只適用于質(zhì)點(diǎn)間引力大小的計(jì)算。 當(dāng)兩物體是質(zhì)量均勻分布的球體時(shí)，它們間的引力也可直接用公式計(jì)算，但式中的r是指兩球心間距離。 當(dāng)研究物體不能看成質(zhì)點(diǎn)時(shí)，可以把物體假想分割成無數(shù)個(gè)質(zhì)點(diǎn)，求出兩個(gè)物體上每個(gè)質(zhì)點(diǎn)與另一物體上所有質(zhì)點(diǎn)的萬有引力，然后求合力。（此方法僅給學(xué)生提供一種思路）4對(duì)萬有引力定律的進(jìn)一步理解 （1）普遍性：萬有引力是普遍存在于宇宙中的任何有質(zhì)量的物體（大到天體小到微觀粒子）間的相互吸

9、引力，它是自然界的物體間的基本相互作用之一 （2）相互性：兩個(gè)物體相互作用的引力是一對(duì)作用力與反作用力，符合牛頓第三定律（3）宏觀性：通常情況下，萬有引力非常小，只有在質(zhì)量巨大的天體間或天體與物體間它的存在才有宏觀的物理意義在微觀世界中，粒子的質(zhì)量都非常小，粒子間的萬有引力很不顯著，萬有引力可以忽略不計(jì)課堂練習(xí)1：既然任何物體間都存在著引力，為什么當(dāng)兩個(gè)人接近時(shí)不會(huì)吸在一起？我們通常分析物體的受力時(shí)是否需要考慮物體間的萬有引力？請(qǐng)你根據(jù)實(shí)際中的情況，假設(shè)合理的數(shù)據(jù)，通過計(jì)算說明以上兩個(gè)問題。四、引力常量G的測(cè)定1686年牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力，但由于當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)條件和技術(shù)的限制，很難精確地測(cè)定上述比例式

10、中比例系數(shù)直到1789年，英國(guó)物理學(xué)家卡文迪許巧妙地利用了扭秤裝置，第一次在實(shí)驗(yàn)室里對(duì)兩個(gè)物體間的引力大小作了精確的測(cè)量和計(jì)算，比較準(zhǔn)確地測(cè)出了引力常量 1卡文迪許扭秤實(shí)驗(yàn) 扭秤的主要部分是：一個(gè)T字形輕而結(jié)實(shí)的框架，倒掛在一根石英絲下。在T形架的兩端各固定一個(gè)小球，再在每個(gè)小球的附近各放一個(gè)大球，根據(jù)萬有引力定律，大球會(huì)對(duì)小球產(chǎn)生引力，T形架會(huì)隨之扭轉(zhuǎn)，只要測(cè)出其扭轉(zhuǎn)的角度，就可以測(cè)出引力的大小。由于引力很小，這個(gè)扭轉(zhuǎn)的角度會(huì)很小。怎樣才能把這個(gè)角度測(cè)出來呢？卡文迪許在T形架上裝了一面小鏡子，用一束光射向鏡子，經(jīng)鏡子反射后的光射向遠(yuǎn)處的刻度尺，當(dāng)鏡子與T形架一起發(fā)生一個(gè)很小的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，刻度尺上

11、的光斑會(huì)發(fā)生較大的移動(dòng)。這樣，就起到一個(gè)化小為大的效果，通過測(cè)定光斑的移動(dòng)，測(cè)定了T形架在放置大球前后扭轉(zhuǎn)的角度，從而測(cè)定了此時(shí)大球?qū)π∏虻囊Α?扭秤裝置把微小力轉(zhuǎn)變成力矩來反映（一次放大），扭轉(zhuǎn)角度又通過光標(biāo)的移動(dòng)來反映（二次放大）從而確定物體間的萬有引力 2引力常量 3測(cè)定引力常量G的重要意義 （1）證明了萬有引力的存在 （2）扭秤實(shí)驗(yàn)的物理思想和科學(xué)方法“開創(chuàng)了測(cè)量弱力的新時(shí)代”英國(guó)物理學(xué)家玻印廷語 練習(xí)2：大麥哲倫云和小麥哲倫云是銀河系外離地球最近的星系。大麥哲倫云的質(zhì)量為太陽質(zhì)量的1010倍，即104kg，小麥哲倫云的質(zhì)量為太陽質(zhì)量的109倍，兩者相距光年，求它們之間的引力。練習(xí)3

12、：一個(gè)質(zhì)子有兩個(gè)u夸克和一個(gè)d夸克組成。一個(gè)夸克的質(zhì)量是kg，求兩個(gè)夸克相距m時(shí)的萬有引力。五、課堂小結(jié)：本節(jié)課我們學(xué)習(xí)了萬有引力定律，了解了任何兩個(gè)有質(zhì)量的物體之間都存在著一種引力，這個(gè)引力正比于兩個(gè)物體質(zhì)量的乘積，反比于兩個(gè)物體間的距離。其大小的決定式為：其中G為萬有引力恒量：G=6.67×10-11N·m2/kg2另外，我們還了解了科學(xué)家牛頓分析物體、解決問題的方法和技巧，希望對(duì)我們今后分析問題、解決問題能夠有所借鑒。六、課后作業(yè)引力常量G的測(cè)出，使得萬有引力定律在天文學(xué)的發(fā)展上起了重要的作用，請(qǐng)同學(xué)們通過網(wǎng)絡(luò)或書籍查閱相關(guān)資料，進(jìn)一步了解萬有引力定律發(fā)現(xiàn)過程的物理史

13、實(shí)。學(xué)生思考、回答：開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律太陽與行星之間的引力學(xué)生回答: 重力的方向是豎直向下學(xué)生思考：300多年前牛頓苦思冥想的猜想：“天上”的力與“人間”的力可能出于同一本源? 學(xué)生思考回答請(qǐng)同學(xué)們選擇公式進(jìn)行計(jì)算。學(xué)生討論、練習(xí)讓學(xué)生通過計(jì)算體會(huì)到周圍一般物體之間的萬有引力很小，說明作受力分析時(shí)可以忽略兩個(gè)人體之間的萬有引力； 課前讓學(xué)生查找關(guān)于卡文迪許的資料、做成ppt并在課堂展示學(xué)生思考計(jì)算學(xué)生思考計(jì)算復(fù)習(xí)舊知引入新課通過啟發(fā)式的設(shè)問, 激發(fā)學(xué)生的探究興趣與想象力教師引導(dǎo)猜想演繹推理驗(yàn)證：讓學(xué)生將圓周運(yùn)動(dòng)的知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際問題處理中。讓學(xué)生自己動(dòng)手推導(dǎo)，得出結(jié)論。有更強(qiáng)的說服力。讓學(xué)生領(lǐng)會(huì)

14、扭秤實(shí)驗(yàn)的物理思想和科學(xué)方法;讓學(xué)生體會(huì)到是萬有引力主宰著天體之間的關(guān)系；讓學(xué)生體會(huì)到微觀粒子之間萬有引力更加小。板書設(shè)計(jì)第三節(jié) 萬有引力定律一、萬有引力的猜想：太陽對(duì)行星的力、地球?qū)υ虑虻牧?、地球?qū)μO果的力是同一種力嗎？二、探究猜想：?？芍虑蜍壍郎衔矬w運(yùn)動(dòng)的加速度就應(yīng)該是地面物體下落加速度的倍。三、萬有引力定律：1表述： 2公式表示：3適用條件 萬有引力定律只適用于質(zhì)點(diǎn)間引力大小的計(jì)算。 當(dāng)兩物體是質(zhì)量均勻分布的球體時(shí)， r是指兩球心間距離。4對(duì)萬有引力定律的進(jìn)一步理解 （1）普遍性： （2）相互性： （3）宏觀性： 四、引力常量G的測(cè)定 1卡文迪許扭秤實(shí)驗(yàn)2引力常量學(xué)習(xí)資料：1. 引力常

15、量的測(cè)量：2. 卡文迪什（Henry Cavendish）英國(guó)物理學(xué)家和化學(xué)家。1731年10月10日生于法國(guó)尼斯。1749年考入劍橋大學(xué)，1753年尚未畢業(yè)就去巴黎留學(xué)。后回倫敦定居，在他父親的實(shí)驗(yàn)室中做了許多電學(xué)和化學(xué)方面的研究工作。1760年被選為英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)員。1803年當(dāng)選為法國(guó)科學(xué)院外國(guó)院土?？ㄎ牡鲜伯吷铝τ诳茖W(xué)研究，從事實(shí)驗(yàn)研究達(dá)50年之久，性格孤僻，很少與外界來往?？ㄎ牡鲜驳闹饕暙I(xiàn)有：1781年首先制得氫氣，并研究了其性質(zhì)，用實(shí)驗(yàn)證明它燃燒后生成水。但他曾把發(fā)現(xiàn)的氫氣誤認(rèn)為燃素，不能不說是一大憾事。1785年卡文迪什在空氣中引入電火花的實(shí)驗(yàn)使他發(fā)現(xiàn)了一種不活潑的氣體的存在

16、。他在化學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、萬有引力等方面進(jìn)行地行多成功的實(shí)驗(yàn)研究，但很少發(fā)表，過了一個(gè)世紀(jì)后，麥克斯韋整理了他的實(shí)驗(yàn)論文，并于1879年出版了名為尊敬的亨利·卡文迪什的電學(xué)研究一書，此后人們才知道卡文迪什做了許多電學(xué)實(shí)驗(yàn)。麥克斯韋說：“這些論文證明卡文迪什幾乎預(yù)料到電學(xué)上所有的偉大事實(shí)，這些偉大的事實(shí)后來通過庫(kù)侖和法國(guó)哲學(xué)家們的著作而聞名于科學(xué)界?！痹缭趲?kù)侖之前，卡文迪什已經(jīng)研究了電荷在導(dǎo)體上的分布問題。1777年，他向皇家學(xué)會(huì)提出報(bào)告說：“電的吸引力和排斥力很可能反比于電荷間距離的平方，如果是這樣的話，那么物體中多余的電幾乎全部堆積在緊靠物體表面的地方，而且這些電緊緊地壓在一起，物體

17、的其余部分處于中性狀態(tài)?！彼€通過實(shí)驗(yàn)證明電荷之間的作用力。他還早于法拉第用實(shí)驗(yàn)證明電容器的電容取決于兩極板之間的物質(zhì)。他最早建立電勢(shì)概念，指出導(dǎo)體兩端的電勢(shì)與通過它的電流成正比（歐姆定律在1827年才確立）。當(dāng)時(shí)還無法測(cè)量電流強(qiáng)度，據(jù)說他勇敢地用自己的身體當(dāng)作測(cè)量?jī)x器，以從手指到手臂何處感到電振動(dòng)來估計(jì)電流的強(qiáng)弱?？ㄎ牡鲜驳闹卮筘暙I(xiàn)之一是1798年完成了測(cè)量萬有引力的扭秤實(shí)驗(yàn)，后世稱為卡文迪什實(shí)驗(yàn)。他改進(jìn)了英國(guó)機(jī)械師米歇爾（John Michell，17241793）設(shè)計(jì)的扭秤，在其懸線系統(tǒng)上附加小平面鏡，利用望遠(yuǎn)鏡在室外遠(yuǎn)距離操縱和測(cè)量，防止了空氣的擾動(dòng)（當(dāng)時(shí)還沒有真空設(shè)備）。他用一根39

18、英寸的鍍銀銅絲吊一6英尺木桿，桿的兩端各固定一個(gè)直徑2英寸的小鉛球，另用兩顆直徑12英寸的固定著的大鉛球吸引它們，測(cè)出鉛球間引力引起的擺動(dòng)周期，由此計(jì)算出兩個(gè)鉛球的引力，由計(jì)算得到的引力再推算出地球的質(zhì)量和密度。他算出的地球密度為水密度的5.481倍（地球密度的現(xiàn)代數(shù)值為5.517gcm3），由此可推算出萬有引力常量G的數(shù)值為 6.754×10-11 Nm2/kg2（現(xiàn)代值前四位數(shù)為6.672）。這一實(shí)驗(yàn)的構(gòu)思、設(shè)計(jì)與操作十分精巧，英國(guó)物理學(xué)家J.H.坡印廷曾對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)下過這樣的評(píng)語：“開創(chuàng)了弱力測(cè)量的新時(shí)代”?？ㄎ牡鲜苍?766年發(fā)表了論人工空氣的論文并獲皇家學(xué)會(huì)科普利獎(jiǎng)?wù)?。他制出純氧，并確定了空氣中氧、氮的含量，證明水不是元素而是化合物。他被稱為“化學(xué)中的牛