7.2 万有引力定律 教学设计-2024-2025学年高一下学期物理人教版（2019）必修第二册

7.2《万有引力定律》教材分析及教材设计 1、 本单元教材分析 1．课程标准要求 《万有引力与宇宙航行》是高中物理人教版必修二的第七章。其中这一章在高中课程标准中的要求如下： 通过史实，了解万有引力定律的发现过程。知道万有引力定律。认识发现万有引力定律的重要意义。认识科学定律对人类探索未知世界的作用。通过发现海王星等事实，说明科学定律的作用。以万有引力定律为例，了解统一性观念在科学认识中的重要意义。会计算人造地球卫星的环绕速度。知道第二宇宙速度和第三宇宙速度。了解牛顿力学对航天技术发展的重大贡献。 2.本单元概况及结构分析 这一章我们将学习对人类智慧影响至为深远、在天体运动中起着决定性作用的万有引力定律，并了解它的发展历程和在人类开拓太空中的作用。 本章共分为行星的运动、万有引力定律、万有引力理论的成就、宇宙航行、相对论时空观与牛顿力学的局限性五个课节。首先是根据宇宙中行星运动的现象引出万有引力定律等理论知识，再根据具体理论应用到实际生活生产中去。 3.与课标的一致性分析 根据课程标准内容要求，为了了解万有引力定律的发现过程，知道万有引力定律和认识发现万有引力定律的重要意义，会计算人造地球卫星的环绕速度和知道第二宇宙速度和第三宇宙速度，我们要学习行星的运动、万有引力定律、万有引力理论的成就这三节；为认识科学定律对人类探索未知世界的作用，通过发现海王星等事实，说明科学定律的作用和了解牛顿力学对航天技术发展的重大贡献，我们要学习宇宙航行、相对论时空观与牛顿力学的局限性这两节。 4．本单元环节设置 这一章基本都是从一个“问题？”出发，引出每一节所要探究的问题，形成物质观念、运动与相互作用观念、能量观念等，能用其解释自然现象和解决实际问题。再然后是“做一做”让同学们自己动手或老师协助同学们动手实验，或者是“思考与讨论”，给定同学们一个有关本节内容的一个小设想，让同学们参加讨论，能正确认识科学的本质；具有学习和研究物理的好奇心与求知欲，能主动与他人合作，尊重他人，能基于证据和逻辑发表自己的见解，实事求是，不迷信权威;并让其充分发挥自己的想象。具有科学探究意识，能在观察和实验中发现问题、提出合理猜想与假设；具有设计探究方案和获取证据的能力，能正确实施探究方案，使用不同方法和手段分析、处理信息，描述并解释探究结果和变化趋势；具有交流的意愿与能力，能准确表述、评估和反思探究过程与结果。再往下就是一些“科学漫步”，为同学们提供拓展视野的机会，其内容大多为一些物理学家的生平、成就与思想或者是一些相关科学技术、前沿发展等。在本单元的第四节还包含着“STSE”环节，来提高学生在科学技术社会环境四个方面的意识与能力。了解物理研究和物理成果的应用应遵循道德规范，认识科学·技术·社会·环境的关系，具有保护环境、节约资源、促进可持续发展的责任感。 5．重难点 （1）重点：第一宇宙速度、 卫星线速度、角速度、周期等的计算、比较。 （2）难点：人类对行星规律的认识，对开普勒三定律的内容的理解，牛顿解决引力问题的三大困难，理论探究行星与太阳的引力表达式，月地检验和万有引力定律的应用，万有引力、重力、向心力的区别与联系，人造卫星运转的环行速度与卫星发射速度的区别等。 2、 《万有引力定律》教材分析 1.课程标准要求 《万有引力定律》是高中物理人教版必修二中第七章的第二节。其中这一节在高中课程标准里的要求是通过史实，了解万有引力定律的发现过程。知道万有引力定律。认识发现万有引力定律的重要意义。认识科学定律对人类探索未知世界的作用。通过发现海王星等事实，说明科学定律的作用。以万有引力定律为例，了解统一性观念在科学认识中的重要意义。 2.《万有引力定律》课节内容 本节课主要讲述万有引力的来源分析、月-地检验和万有引力定律及万有引力常量G的数值等内容。 本小节首先用哥白尼、第谷、开普勒等科学家对“是什么原因使行星绕着太阳运动”这一问题的探索引出行星与太阳之间的引力，然后思考月球绕地球和行星绕太阳它们之间的作用力是否为同一种力，进而引出月-地检验。总结分析行星绕太阳和月球绕地球进而推引出万有引力定律，得出其公式。同时对公式中的G的数值进行研究。 3.《万有引力定律》与课标的一致性分析 根据课标内容要求，为了通过史实，了解万有引力定律的发现过程和知道万有引力定律，本节课我们主要讲述万有引力的来源分析、月-地检验和万有引力定律及万有引力常量G的数值等内容；为了了解牛顿力学对航天技术发展的重大贡献，我们在这一节的末尾，在课节的末尾科学漫步中，介绍了伟大的物理学家——牛顿在天文学领域的伟大成就。 4.学情分析 （1）高一学生已经学习了牛顿的三个定律、圆周运动的知识、开普勒三定律，已经积累了一定的知识。理论上已经具备了接受万有引力定律的能力。 （2）在上一节中，学生经历了太阳与行星间引力的探究过程，学生对天体运动的研究产生了极大的兴趣和求知欲。 （3）另一方面我国在航天事业上成就突出，捷报频传，极大的激发了学生学习有关宇宙、航天、卫星知识的兴趣。 5.《万有引力定律》环节设置 首先用问题“行星绕太阳运动是由于其间引力的作用吗？”引出我们这节课要讲的内容，形成物质观念、运动与相互作用观念、能量观念等，能用其解释自然现象和解决实际问题。再往下有一个思考与讨论“已知自由落体加速度g为9.8 m/s，月球中心距离地球中心的距离为3.8*10^8m,月球公转周期为27.3d,约2.36*10^6s。根据这些数据，能否验证前面的假设?”让同学们进行思考，下面又有一个思考与讨论“一个篮球的质量为0.6kg，它所受的重力有多大?试估算操场上相距0.5m的两个篮球之间的万有引力。”让同学们动手计算一下，对所学的万有引力公式进行运用。能运用科学思维方法，从定性和定量两个方面对相关问题进行科学推理、找出规律、形成结论；具有使用科学证据的意识和评估科学证据的能力，能运用证据对研究的问题进行描述、解释和预测；具有批判性思维的意识，能基于证据大胆质疑，从不同角度思考问题。在课节的末尾科学漫步中，介绍了伟大的物理学家——牛顿在天文学领域的伟大成就。 6.重难点 重点：(1)万有引力定律的推导 (2)万有引力定律的内容及表达公式。 难点：(1)对万有引力定律的理解 (2)使学生能把地面上的物体所受的重力与其他星球与地球之间存在的引力是同性质的力联系起来。 7.《万有引力定律》教学思考 本节课的教学目的不仅仅是教给学生万有引力定律这样一个的知识点，更重要的是学生自己通过理论探究，学会科学的研究方法，最终得出结论。教学过程中也需要学生能够积极配合，主动思考，并且能够主动提出疑问，所以在这节课上给与学生充分的空间去思考，并且我巧妙的将难点化解，设计了一些题目，合理的引导学生，以减弱他们在思维上的障碍,层层递进,让学生能够顺理成章的得出结论，体验学习成功的喜悦，获得成就感，事实上学生与我配合得很好，也证实了这种教学方式能引起学生的重视，他们能够纷纷投入思考，使一节理论课不再枯燥，成功的达到了新课程标准的教学目标。 三、《万有引力定律》教学设计 课题 第七章 第二节万有引力定律 教学目标 物理观念 1.了解万有引力定律得出的思路和过程。 2.理解万有引力定律的含义并会推导万有引力定律，记住引力常量G并理解其内涵。 3.知道任何物体间都存在着万有引力，且遵循相同的规律。 科学思维 从牛顿利用其运动定律及开普勒定律出发得出万有引力定律的过程，展示牛顿大胆的思维突破和科学严密的推理过程，并以此作为引导人们分析、思考问题的典型范例。 科学探究 1.培养学生在处理问题时，要抓住主要矛盾，简化问题，建立模型的能力与方法。 2.培养学生的科学推理能力。 科学态度与责任 通过牛顿在前人的基础上发现万有引力的思想过程，说明科学研究的长期性、连续性及艰巨性。 教学重点 1.万有引力定律的推导。 2.万有引力定律的内容及表达公式。 教学难点 1.对万有引力定律的理解。 2.使学生能把地面上的物体所受的重力与其他星球与地球之间存在的引力是同性质的力联系起来。 教学方法 1.对万有引力定律的推理采用分析推理、归纳总结的方法。 2.对疑难问题的处理采用讲授法、例证法。 选择《万有引力定律》这一节的原因是万有引力定律是本章的核心，是自然科学最伟大的成果之一，它为研究天体运动提供了理论依据，彻底使人们对宇宙的探索从被动描述走向主动发现。万有引力定律起到承上启下的作用，承上，圆周运动，启下，宇宙航行。掌握好本节课，能加深对前面知识的理解，对后面问题的顺利解决，将会起到重要的作用。它既是前面匀速圆周运动知识的展，又是后面卫星运动知识的基础，万有引力定律综合了开普勒三定律、圆周运动知识、牛顿第三定律，涉及知识面较多;而且一般物体间的引力极小，学生对此缺乏感性认识，又无法进行演示实验。 万有引力定律具有重要意义，他把地面上物体运动的规律和天体运动的规律统一了起来，对此后物理学，特别是天文学的发展具有深远的影响。所以我选择将这一节作为本章教材分析重点。 新课导入 各行星都围绕着太阳运行，说明太阳与行星之间的引力是使行星如此运动的主要原因。引力的大小和方向能确定吗？ 图1 注：图1是地球绕太阳运转，月球绕地球运转的轨迹图。来自高中教材必修二第七章第二节。 新课教学 （一）、行星与太阳间的引力 教师讲述牛顿对苹果思考的故事:苹果成熟后会受重力掉落在地面，如果苹果树长在最高的山顶上,苹果也会受重力落到地面上，并且这个力没有明显的变化，如果苹果树延伸到月球上，这个力会不会作用到月球上？ 让同学们进行商讨，然后再引出猜想拉住月球使它绕地球运动的力,与拉着苹果下落的力是否是同种力？ 老师带领同学们先假定维持月球绕地球运动的力与使苹果下落的力是同一种力，引出我们所讲的第一小部分——行星与太阳之间的引力，根据学生之前学过的匀速圆周运动的知识，对行星与太阳之间进行受力分析，再根据牛顿第二定律F=ma，得出。 这是行星与太阳之间的引力，那么月球与地球之间的引力是否与它相同呢？ 教师让同学们进行商讨 （二）月-地检验 检验天上和地上的力是否是同种力,需要选谁为研究对象? 假定设想成立，天上和地上是同一种力,遵循相同的规律一平方反比律,让同学们将地球和月球的有关物理量带入在前面得出的中，得出学生查找数据，代入数据按照月-地检验方法进行计算 检验。得出维持月球绕地球运动的力、使苹果下落的力和行星绕太阳运动的引力是同一种力的结论。 (三)万有引力定律 首先让我们回到牛顿的年代,从他的角度进行一下思考吧。当时“日心说”已在科学界基本否认了“地心说”,如果认为只有地球对物体存在引力,即地球是一个特殊物体,则势必会退回“地球是宇宙中心”的说法,而认为物体间普遍存在着引力，可这种引力在生活中又难以观察到,原因是什么呢?  学生可能会答出:一般物体间,这种引力很小。如果不能答出, 教师可诱导。 那我们结合行星绕太阳、月球绕地球和苹果下落这三种自然现象提出猜想:宇宙中一切物体之间会不会都存在这样的力呢? 于是我们大胆地假设它们都存在这样的力，然后把以上结论推广到宇宙中的一切物体之间: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m和m2的乘积成正比、与它们之间距离r的二次方成反比，即 得出公式后我们就要对其各个物理量进行分析了：r表示两个具体物体相距很远时，物体可以视为质点如果是规则形状的均匀物体，r为它们的几何中心间的距离，单位为米；而两个m就是分别代表两个物体的质量；我们重点是要研究常数G （四）引力常数 根据万有引力定律公式，提出问题:引力常量G的值是多少?如何求得? 之后引导学生感知实验测量引力常量的难处:两个物体间万有引力太小,通过实验难以得出。然后和同学们讲解卡文迪许的扭秤实验原理,介绍这一实验通过两次放大的处理的巧妙。并介绍最终得出的引力常量的数值和单位: G=6.67x10-³N*m2/kg2。 讲解引力常量确定具体数值后的意义:①引力常量是自然界中几个最重要的物理常量之一。 ②他为牛顿的万有引力定律的普遍意义奠定了强有力的实验基础,使得万有引力定律开始在天文学.上发展有了重要作用。 课堂练习 1.下列现象中，不属于由万有引力引起的是（ ） A.银河系球形星团聚集不散 B.月球绕地球运动而不离去 C.电子绕核旋转而不离去 D.树上的果子最终总是落向地面 2.均小球A、B的质量分别为m,5m，球心相距为R，引力常量为G，则A球受到B球的万有引力大小是( ) A B. C D 3.两个质点的距离为r时，它们间的万有引力为2F，现要使它们间的万有引力变为，它们间的距离将变为( ) A B C D 课后作业 必做：练习与应用的第1题和第2题同学们课后思考，下次上课时进行讨论；第3题和第4题写到作业本上 选做：练习与应用第5题 课后小结 由学生叙述总结，老师指导补充。 板书设计 学科网（北京）股份有限公司 $$