7.3 万有引力理论的成就 教学设计 -2024-2025学年高一下学期物理人教版（2019）必修第二册

《万有引力理论的成就》教学设计 和田地区第二中学物理组 高志雄 一、教材分析 本节教材先介绍通过万有引力计算地球质量，让学生体会万有引力的神奇；再介绍天体质量的计算，最后介绍发现未知天体的应用；通过具体的案例使学生认识发现万有引力定律的重要意义，认识体会科学定律对人类探索未知世界的作用。 同时，本节页通过具体问题的解决，让学生认识到万有引力定律经受了实践的检验，取得了巨大成功。本节是应用性的内容，应着重引导学生建立物理模型，并明确求解思路。通过本节的学习，重点要使学生深刻体会科学定律对人类探索未知世界的作用，激起学生对科学探究的兴趣。 二、学情分析 高一的学生学习兴趣浓厚，他们的观察不只停留在一些表面现象，具有更深层次的探究愿望。在思维方式上由初中形象思维为主向高中抽象思维为主过渡。学生在学习本节内容之前，已经学习了匀速圆周运动的相关知识，知道匀速圆周运动的向心力由合外力提供，初步掌握了利用牛顿第二定律和向心力表达式处理匀速圆周运动的方法。在前一节又学习了万有引力定律，但不熟悉运用万有引力定律解决实际问题的思路和方法。学生对天文学的研究方法相对比较陌生，不了解万有引力理论所取得的成就。 三、教学目标 （1）物理观念：会用万有引力定律计算天体的质量；理解并运用万有引力定律处理天体问题的思路和方法。 （2）科学思维：通过理论推导和实例分析，引导学生掌握计算天体质量的具体步骤；培养学生的观察、分析、归纳和解决问题的能力，以及运用数学工具解决物理问题的能力。 （3）科学探究：通过未知天体的发现，使学生懂得理论来源于实践，反过来又可以指导实践的唯物主义的观点。 （4）科学态度与责任：培养学生认真严谨的科学态度和大胆探究的心理品质；体会物理学规律的简洁性和普适性，领略物理学的优美。 四、学习重点难点 （1）重点：建构模型，计算天体质量，讨论天体密度，理解解决相关问题的思路。 （2）难点：在具体的问题中应用万有引力定律解决问题。 五、教学准备 教学PPT课件 六、学习活动设计 教学过程 教学环节 教师活动 学生活动 设计意图 知识回顾 引导学生回顾上节课学习的知识——万有引力定律的内容和万有引力的计算公式、《优化设计》第72页地球表面不同维度处的物体，所受地球的万有引力、重力和随地球自转所需的向心力的关系。 学生回顾所学知识 加深学生对知识的理解，为后面问题做铺垫 检查作业完成情况并引导思考讨论 考查昨天预留计算“取地球半径为R=6.4×106m，试求赤道处m=1kg的物体随地球所需的向心力Fn”。 引导学生对比赤道处m=1kg的物体随地球所需的向心力Fn和所受重力的大小，估算相互倍数关系。 思考与讨论： 1.若考虑地球自转，试分析地球赤道万有引力和重力是何种关系？ 2.若考虑地球自转，试分析地球两极万有引力和重力是何种关系？ 3.若考虑地球自转，试分析任意纬度处万有引力和重力是何种关系？ 学生回答昨天预留作业计算结果 学生分析在地球自转情况下万有引力和重力的关系 了解学生作业完成情况 明确重力和万有引力的关系 导入新课 思考与讨论： 经过初中的学习，我们已经了解物理学研究物质不需要发生化学变化就表现出来的性质，例如颜色、状态、气味、密度、熔点、沸点、硬度、溶解性、延展性、导电性、导热性等物理性质，这些性质是能被感观感知或利用仪器测知的。也知道了物体的质量可以用天平来测量，生活中物体的质量常用电子秤或台秤来称量。通过前边的学习，如第六章《圆周运动》第二节《向心力》课后第一题“地球的质量为m=6.0×1024kg，地球和太阳的距离为1.5×1011m，求地球环绕太阳做圆周运动所需的向心力为多少？”的中让我们知道了地球的质量为m=6.0×1024kg。那么，地球的质量是怎么得到的？我们可以用天平区称量它的质量吗？ 学生思考讨论并分享 激发学生学习本节课兴趣 讲授新课 一、“称量”地球的质量 1.思考与讨论：静止在地面上的物体，若不考虑地球自转的影响，万有引力和重力是何种关系？我们是否可以怎样估算巨大的地球的质量呢?如果可以，你是否可以说一下你的称量地球质量的思想？ 典例剖析1：已知地球表面重力加速度为g，地球半径为R，不考虑地球自转的影响。请估算地球的质量（已知引力常量G） 引导学生总结“方法一：黄金代换(g、R）” 2.思考与讨论：如果不知道地球表面的重力加速度，你还能用其他的方法估算出地球的质量吗？ 典例剖析2：已知月球绕地球周期T=27.3天，月地平均距离r=3.84×108m，引力常G=6.67×10-11N·m2/kg2，试估算地球的质量。 引导学生总结“方法二：环绕法(T、r）” 学以致用1：把地球绕太阳的公转看作是匀速圆周运动，已知轨道半径约为1.5×1011 m，引力常量G=6.67×10－11 N·m2/kg2，估算太阳的质量M。 学以致用2：宇航员在月球表面将一片羽毛和一个铁锤从同一高度由静止同时释放，二者几乎同时落地。若羽毛和铁锤是从高度为h处下落，经时间t落到月球表面。已知引力常量为G，月球的半径为R。求：(忽略月球自转影响) (1)月球表面的自由落体加速度大小g月； (2)月球的质量M； (3)月球的密度ρ。 总结归纳建立模型：环绕天体围绕中心天体作圆周运动，向心力由中心天体对环绕天体的万有引力来提供 思考与讨论： (1)根据以上模型，你认为如何来估算是哪个天体的质量？ (2)需要测量哪些物理来完成测量该天体的目的？ (3)换用其他行星的相关数据进行估算太阳的质量，结果会相近吗？为什么？ (4)当你估算出中心天体的质量后，是否可以估算出中心天体的球体密度？如何来估算？ 二、计算中心天体的平均密度 思考1.如何求天体的密度？ 思考2.请写出体积的表达式。 思考3.分组写出中心天体的密度表达式。 思考4.观察密度的表达式，有没有可能只知道一个物理量就求出密度ρ？（引力常量G已知） 三、发现未知天体 到了18世纪，人们已经知道太阳系有7颗行星，其中1781年发现的第七颗行星—— 天王星的运动轨道有些“古怪”：根据万有引力定律计算出来的轨道与实际观测的结果总有一些偏差。 思考与讨论： (1)是天文观测数据不准确？ (2)是万有引力定律的准确性有问题？ (3)还是天王星轨道外面还有一颗未发现的行星？ 四、预言哈雷彗星回归 播放并引导学生观看英国天文学家哈雷预言彗星轨道的视频 学生分析讨论分享 学生分析计算 学生讨论其他方式 学生自主计算 学生分析、推导并计算 学生学习模型建构 学生分析讨论并分享 学生识记记录 学生思考体会 观看视频 引导学生学会第一种称量地球重力的方法 为第二种方法的学习做铺垫铺垫 引导学生明确第二种估算质量的方法 练习提高学生对知识的熟练度 让学生明确为什么要构建这样的模型 拓展学习密度的估算 让学生明确万有引力理论伟大成就 进一步证明了万有引力理论的伟大性 课堂小结 引导学生进行课堂总结归纳 学生回顾本节课知识，进行总结归纳 强化巩固 练习提高 通过习题展示我国航天领域重大成就，激发学生热爱伟大祖国、热爱科学。 学以致用3：2023年5月，我国神舟十六号宇宙飞船成功发射，三位宇航员与神舟十五号的三位宇航员在中国空间站成功会师。空间站绕地球运行视为匀速圆周运动，运行周期为T。若不考虑地球自转，地球表面的重力加速度为g，地球半径为R，万有引力常量为G。求： （1）地球的平均密度 ； （2）空间站距离地面的高度h。 扩展提高：任何一个理论的学习，都需要学以致用，为了更好的服务于生活生产，改善人类的生活条件，而这就需要我们所有同学仍要记住我们来时的路——像初中、小学那样“善思笃学”，做到“知行合一”，以便进入更好的学校学习提升；同时还要明确我们前行的方向——“感恩”以“明志”，不断“融合”各学科知识，不断“奋进”，成为一名优秀的中国青年，能够在将来履行自己的义务：从“小我”来说是实现个人的成就！从“中我”来说是成为合格的社会主义建设者和接班人，为我们伟大的祖国繁荣富强不断奋斗！从“大我”来说是要为全人类命运共同体的早日实现共同努力！同学们，加油！ 了解我国航天事业重大成就，练习提高 引导学生思考万有引力定律对天文学、航天学等领域的影响和贡献，激发学生对科学的热爱和探究精神 板书设计 7.3 万有引力理论的成就 一、计算天体的质量 方法一：黄金代换(g、R） 方法二：环绕法(T、r） 二、计算中心天体的密度 三、发现未知天体—海王星、冥王星 四、预言哈雷彗星回归 作业设计 1.作业本：课本58页“应用与练习”第1、3题。 2.《优化设计》：第78页“随堂练习”1-4题。 3.查阅资料，了解我国“天问一号”火星探测器相关信息，分析其发射、运行过程中与万有引力定律的联系，写一篇500字左右的科普短文。 七、特色学习资源或技术手段分析说明 1.观看关于彗星轨道的视频。通过播放英国天文学家哈雷预言彗星轨道的视频，让学生直观地了解万有引力理论的伟大性。 2.价值观引导资源。片段中强调了“善思笃学”“知行合一”“感恩”“明志”“奋进”等价值观，这些内容可以看作是一种无形的学习资源，引导学生树立正确的学习态度和人生价值观，激励学生不断进取。 3.目标导向资源。通过阐述从“小我”“中我”到“大我” 的不同层次的义务和目标，为学生提供了清晰的学习和成长目标，这种目标导向可以激发学生的内在动力，促使他们为实现这些目标而努力学习，是一种重要的学习资源。 4.跨学科融合理念。提到“融合”各学科知识，这体现了一种跨学科学习的理念，将不同学科的知识进行整合，培养学生综合运用知识的能力，这种理念本身可以视为一种学习资源，引导学生打破学科界限，拓宽学习视野。 5.情感激励手段。“同学们，加油！”这样简洁有力的鼓励性语言，是一种情感激励的技术手段，能够增强学生的自信心和学习积极性，营造积极向上的学习氛围。 6.社会责任教育。关于成为合格的社会主义建设者和接班人、为祖国繁荣富强奋斗以及为全人类命运共同体努力等内容，是对学生进行社会责任教育的重要资源，培养学生的社会责任感和使命感，使其认识到学习的意义不仅仅局限于个人，还与国家和世界的发展紧密相连。 八、学后反思 1.知识衔接与回顾。在课程开始时引导学生回顾上节课关于万有引力定律等知识，能有效帮助学生巩固旧知，为新知识学习搭建桥梁。但在回顾《优化设计》相关内容时，部分学生对地球表面不同维度处物体受力关系理解仍有困难，可能是之前讲解不够透彻或学生课后复习不足。后续需增加针对性练习，强化这部分知识。 2.问题设置与思考讨论。设置的思考讨论问题，如分析不同情况下万有引力和重力关系，能引导学生深入思考，培养逻辑思维。但在实际教学中，部分学生对地球自转影响下的受力分析存在思维障碍，教师引导不够及时有效，导致部分学生理解困难。以后需更关注学生反应，适时给予引导和提示。 3.方法总结与应用。通过典例剖析总结“黄金代换”和“环绕法”估算天体质量的方法，有助于学生掌握解题思路。然而，在“学以致用”环节，部分学生对知识迁移应用能力不足，不能灵活运用新学方法解决问题。应增加更多不同类型的例题，加强训练，提高学生应用知识的能力。同时，对学生估算能力应该更加关注，多练习提升。 4.模型建立与拓展。建立环绕天体运动模型过程清晰，学生能较好理解向心力与万有引力关系。但在后续思考讨论中，对于利用模型估算天体质量、密度的拓展问题，学生参与度不高，可能是问题难度较大。以后可将问题分解，逐步引导，降低难度，提高学生参与度。 5.科学史教育。引入发现未知天体和预言哈雷彗星回归内容，能激发学生兴趣，培养科学精神。但因本节课开始时引入时间较长，导致播放视频后讨论环节时间较短，未能充分挖掘其中科学方法和思维方式，以后需合理安排教学时间，规划好教学内容时长，适当增加观看视频后的讨论时间，引导学生深入思考。 九、学习评价设计 1.教学目标达成。从整体教学过程看，基本达成了让学生理解万有引力与重力关系、掌握估算天体质量和密度方法的知识目标。但在培养学生灵活运用知识和科学思维能力方面，部分学生未达到预期目标，需要在后续教学中加强。 2.教学方法效果。采用回顾旧知、问题引导、典例剖析、模型建立等多种教学方法，符合物理学科特点和学生认知规律。大部分学生能积极参与思考讨论，但仍有少数学生参与度不高，可能是教学方法的多样性和针对性还需进一步改进，以满足不同学生需求。 3.学生表现评价。在课堂上，部分学生表现出较强的思维能力和求知欲，积极参与讨论和回答问题。但也有部分学生存在理解困难、参与度低的情况。以后需加大对个体差异的关注，对学习困难学生给予更多指导和帮助，鼓励他们积极参与课堂。 4.教学资源利用。充分利用教材、《优化设计》及视频等教学资源，丰富教学内容。但在对《优化设计》的使用上，可进一步挖掘其中拓展内容，提高资源利用率。视频资源的利用可更深入，结合讨论引导学生从中获取更多科学知识和方法。 5.教学过程改进。教学过程中，时间把控存在一定问题，如在思考讨论和视频后的讨论环节时间不足。今后需合理安排教学时间，确保每个教学环节都能充分展开，提高教学效果。同时，要加强对学生学习过程的评价和反馈，及时调整教学策略。 � EMBED \* MERGEFORMAT ��� � EMBED \* MERGEFORMAT ��� � EMBED \* MERGEFORMAT ��� � EMBED Word.Document.12 \* MERGEFORMAT ��� _1234567893.bin $$