1、高考资源网（） 您身边的高考专家高考资源网A 万有引力定律一、教学任务分析万有引力定律是宇宙这章的第一节，是本章的核心，是17世纪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。万有高考资源网引力定律承上启下的作用：上承圆周运动，下启卫星的运动。掌握好本节课，对前面知识的加深理解，后面问题的顺利解决，将会起到重要的作用。学习万有引力定律需要以牛顿运动定律和匀速圆周运动知识为基础。通过创设宇宙、太阳系的情景，吸引学生的注意力，引发学生学习的兴趣。介绍科学家探索宇宙的历史，引出开普勒三大定律，引导学生发现问题，并鼓励学生猜想是什么力提供了天体
2、运动所需的向心力。结合牛顿的猜想，注重对学生进行情感教育，鼓励学生大胆推广，提出万有引力的概念。然后提供给学生一些数据和已知的定律，让学生探究推导万有引力的表达式。以此来激发学生的兴趣，也可以增强他们的信心。最后概况总结万有引力定律的内容和适用条件等，并适当介绍卡文迪许扭秤实验，用自制模拟扭秤演示实验。整个过程希望培养学生“大胆假设，合理推广，小心求证”的科学品质，培养学生像科学家一样思考，像科学家一样去探究，进而提高学生科学探究的能力。二、教学目标1、知识与技能（1）知道万有引力和万有引力定律的发现过程。（2）知道万有引力定律的内容、表达式和适用条件。（3）知道卡文迪许实验的巧妙构思，学会直
3、接运用万有引力定律进行计算。2、过程与方法（1）通过运用网络搜索、组织信息以及交流表达，认识学科间的相互渗透。（2）通过探究万有引力定律的过程，经历大胆假设、小心求证、得出结论等科学探究的基本过程。（3）通过探究万有引力定律的过程，认识建立物理模型、合理简化、抓住主要矛盾忽略次要矛盾等研究物理规律的方法。3、态度、情感与价值观（1）体会宇宙的奥秘，以牛顿的重大发现为载体了解科学发展史，感悟科学先驱的探索精神，树立正确高考￥资%源网的宇宙观和科学观。（2）通过发现万有引力和验证万有引力定律的过程，体验科学研究的长期性、连续性和艰苦性。（3）通过介绍应用万有引力定律发现未知天体，感悟理论来源于实践
4、，反过来又可以指导实践的辩证唯物主义观点。三、教学重点和难点 重点：万有引力的概念和万有引力定律。难点：万有引力定律发现过程中用到的科学方法。四、教学资源1、器材：电脑，投影仪，自制卡文迪许扭秤模拟装置。2、课件：自制PPT演示课件，FLASH课件。3、录像：学生课外搜集宇宙简介、太阳系介绍视频。五、教学设计思路本设计的内容包括二个方面：一是教学流程图，二是教学过程。本设计的基本思路是：作为教师，不应该只关心学生学习的成果，更应该重视学生学习的过程，要让学生在参与的过程中体验，在过程中给学生以情感的震撼，在过程中让学生学会科学探究的方法，在过程中获得科学研究的能力。本节课在课前将学生分组，做一
5、定的课前准备，让学生自己搜集宇宙、太阳系、牛顿发现万有引力以及海王星的发现过程的知识，在引入新课阶段，教师首先创设情境，让学生展示自己课前准备的成果，吸引学生的注意力，激发学生学习的兴趣，把学生的课外活动与课内教学结合起来。紧接着让学生根据自己的体验展开猜想，互相交流，并与科学家的猜想作对比，增强他们的信心。再对牛顿的猜想的分析，并将此猜想进一步大胆推广，认为宇宙间任何两个物体之间都存在引力，发挥学生的想象力，注重对学生进行情感教育。通过组织学生分析、讨论万有引力与哪些因素有关，让学生学会建立物理模型，进行合理简化，抓住主要矛盾，忽略次要矛盾等研究物理规律的一般方法，注重培养学生分析问题和解决
6、问题的能力。通过学生介绍海王星的发现过程，介绍卡文迪许扭秤实验，并用模拟装置予以演示，验证万有引力定律，以此来培养学生大胆假设，合理推广，小心求证的科学品质。本设计要突出的重点是：让学生理解万有引力的概念和万有引力定律。方法是：通过介绍太阳系行星的运动，引导学生思考行星运动所需要的力，让学生对此进行猜想，通过强调牛顿归纳出所有有质量物体之间都存在万有引力的思考过程，加深对定律的理解。本设计要突破的难点是：万有引力定律发现过程中用到的科学方法。通过引导学生对观测到的数据进行定量的分析，在已经发现的物理规律的基础上，让学生体验牛顿发现万有引力定律的过程，学习科学研究的常规方法。完成本设计的内容需1
7、课时。六、教学流程1、教学流程图问题III问题3活动II演示实验、交流万有引力概念情景II牛顿的故事问题I问题1开普勒三大定律情景I视频1视频2问题II问题2活动I讨论、交流万有引力定律2、流程图说明情景I 播放由学生自己收集制作的宇宙和太阳系介绍的视频，吸引学生的注意力，提高学生学习的兴趣。问题I 什么力支配星球的运动？情景II 由学生介绍牛顿发现万有引力的传说故事。问题II 有引力的大小与哪些因素有关？活动I 讨论交流万有引力的大小与哪些因素有关？问题III 万有引力定律是否正确？活动II 讨论交流万有引力定律的是否正确？3、教学主要环节 本设计可分为五个主要的教学环节。第一环节，通过创设
8、宇宙的情景，吸引学生的注意力，引发学生学习的兴趣，根据开普勒三大定律，引导学生发现问题。第二环节，鼓励学生猜想是什么力提供了天体运动所需的向心力，并结合牛顿的猜想，提出万有引力的概念。第三环节，提供给学生一些数据和已知的定律，引导学生按照牛顿发现万有引力定律的过程得出万有引力定律。第四环节，概况总结万有引力定律的内容、表达式和适用条件。第五环节，介绍海王星的发现过程，介绍卡文迪许扭秤实验，用自制模拟扭秤演示实验。七、教案示例引入新课：浩瀚宇宙，斗转星移，天体不停地运动和演化。19世纪英国著名诗人菲茨杰拉德（E.Fitz-Gerald）的诗句，“进入这个宇宙，却不知道自己源自何方，就像流水无奈地
9、流淌。” 这句诗表达了诗人对于宇宙存在向往，但又没有太多的认识，存在这很多疑问，比如：我们所处的宇宙究是怎样的？有多大？什么时候形成的？未来又会怎样？从今天开始，我们就一起共同学习第13章宇宙。在课前，我们四个小组的同学为了这节课做了一些准备，接下来就先请两个小组的代表向我们介绍一下他们课前搜集到的一些资料。新课教学学习小组1 按照他们课前搜集的有关于宇宙的资料，利用多媒体和讲述的形式，向全体同学做一分钟的简单介绍。刚才第一小组的同学给我们播放了一段录像，向我们介绍了宇宙的概括，使得我们对于宇宙有了一个初步的了解。从录像中我们知道宇宙实在是太大了，我们更希望了解和我们人类生活的地球有更多联系的
10、星系的情况。请问：地球是属于什么星系？那接下来我们有请第二小组的同学来为我们介绍一下太阳系的情况。学习小组2 按照他们课前搜集的有关于太阳系的资料，利用多媒体和讲述的形式，向全体同学做一分钟的简单介绍。刚才两组同学分别向大家介绍了宇宙和太阳系，大家的这些知识都是通过各种途径查到的，人类对于宇宙的了解，其实经历了漫长的过程，从一无所知到今天对于人类的空间环境、天体的演变、太阳系的形成等都有了深入的认识和了解。而在探索宇宙的过程中，需要用到很多物理知识，其中最基础的，也是最重要的就是万有引力定律。今天这节课，我们就来学习第一节：万有引力定律。万有引力定律的发现经历了漫长的过程，是很多科学家和科学研
11、究者心血的集合和结晶。首先向大家介绍的是丹麦天文学家第谷，是近代天文学的奠基人，他长期进行天文观察，一生积累了无数天文资料。在他逝世前，他把自己一生的观测资料全部给了他的助手开普勒。在此基础上，开普勒经过20年的计算和整理于1609年发表了行星运动的第一、第二定律，后来又发表了行星运动的第三定律。第一环节 发现问题在我们的书本上有开普勒三大定律的内容，请大家自己阅读。第一定律：把太阳的位置精确定在椭圆的一个焦点上，各行星在椭圆轨道上绕太阳运行。展示FLASH。第二定律（面积定律）：行星与太阳的连线在相等的时间内扫过的面积相等。展示FLASH。请问：从开普勒第二定律，你是否能得到，行星在绕日转动
12、时，速度是不是匀速的？在近日点和远日点的速度有什么关系?第三定律：行星绕太阳一周所需时间的平方跟椭圆轨道长半轴的立方之比是个常数。开普勒第三定律讲的是T与R的定量关系，请你写出它的数学表达式：T2/ R3=k。这三大定律告诉我们行星是怎样运动的。行星运动的轨迹是椭圆，但是这个椭圆轨道的长半轴和短半轴相差不大，为了研究和学习的方便，我们近似地做一些简化，把行星的运动近似地看成匀速圆周运动。提问：我们知道任何物体做圆周运动都需要什么力？向心力。如果是一根绳子拉一个小球在水平面上作圆周运动，是什么力提供了向心力？现在究竟是什么神奇的力量让这些巨大的行星环绕在太阳周围？难道是有一根隐性的铁链？第二环节
13、 大胆猜想（1）提问学生：这个力是什么力？让学生发表自己的猜想。大家对这个力进行了自己的猜想，那么历史上科学家在没有完全知道这个力之前，也进行了一些猜想，让我们一起来看看，科学家的猜想和大家的猜想是不是一样。（2）展示在开普勒时代，科学家们从不同角度对这个问题所作出的猜想。1、吉尔伯特（英）：行星依靠太阳发出的磁力维持绕日运动。（日心说后不久）2、开普勒（德）：意识到太阳有一种力支配着行星的运动。3、笛卡儿（法）：提出“漩涡”假设，空间存在一种看不见的物质旋转，带动行星绕日运动。（1664年）4、胡克（英）、哈雷等物理学家认为是引力。17世纪中叶）看来大家的猜想和科学家们的猜想有很多相似的地方
14、，实际上，说明我们每个人都有成为科学家的潜质。如果加上自己的努力，我们大家今后都可能成为科学家，甚至是伟大的科学家。（3）牛顿的猜想牛顿是历史上最伟大的物理学家，他当时也在思考这个问题，我想大家一定听过这样一个故事。请第三小组学生讲述牛顿、苹果和万有引力的故事。学生讲述：1665至1667年间，牛顿已在思考引力的问题。一天傍晚，他坐在苹果树下乘凉，一个苹果从树上掉了下来。他忽然想到：为什么苹果只向地面落，而不向天上飞呢？于是认为物体是受到了地球给它的引力的作用。你相信这个故事吗？这个故事对你有什么启示？不管你是否相信这个故事，我们需要学习的是牛顿他善于观察、善于思考，并刻苦钻研的精神。现在英国
15、剑桥大学里仍然有一棵苹果树，据说是牛顿当年发现引力时的那棵，很多参观者到剑桥总要去看看那棵树。但是实际上这个故事并不完全真实，至少万有引力的发现并不是简单地看到苹果落地就发现的。牛顿当时是怎样思考的呢？分析牛顿的猜想：苹果为什么落地？是因为：是因为苹果受到地球的引力。行星为什么绕太阳运动？是因为：是因为行星受到太阳的引力。不仅仅地球对苹果有吸引力，太阳对行星有吸引力。在这里牛顿又进行了大胆的设想：其实任何两个物体之间都存在这种引力，第一次提出了“万有引力”这一概念。一、万有引力：任何具有质量的物体间都存在相互吸引的作用力，这种力叫做万有引力。设问：月球受到地球给它的引力，为何月球没有象苹果那样
16、落下来呢？留一分钟时间让学生讨论。解释：月球相对于地球有初速度，这个初速度的大小足以让它围绕地球做圆周运动。月球受到的万有引力是提供它作圆周运动所需要的向心力，仅仅改变它运动的方向，而没有改变它速度的大小。而苹果相对于地球静止，受到引力后下落到地面。第三环节 合理分析牛顿认为：任何两个物体之间存在万有引力。设问：那么引力的大小可能跟哪些因素有关？又与这些因素存在什么样的关系？大家提出了很多设想，那么到底万有引力的大小与这些因素有没有关系，我们跟随牛顿的步伐来研究。牛顿在研究的过程中，遇到很多问题，首先要解决以下几个问题。（1）分析问题问题一：当时通过观察发现行星是沿椭圆轨道运动，速度的大小、方
17、向不断变化，如何解决这种变化的曲线运动问题，当时缺乏相应的数学工具。伟大的牛顿不仅是一个物理学家还是一个数学家，他发明了微积分,跨越曲线运动的障碍。问题二 ：天体是一个庞然大物，如果认为任何两物体之间都存在引力，如何计算由天体各部分对行星产生的力的总效果呢？比如，太阳对地球的引力，应该是太阳对地球各部分的引力的总效果。显示资料：地球的半径为6400km，而太阳与地球之间的距离为1.5108km。地球的半径远小于日地距离，可以将地球看成是一个质点。问题三 ：如果天体间是互相吸引的，那么在众多天体共存的太阳系中，如何解决它们之间的互相干扰问题呢？比如地球受到太阳给它的引力，同时还受到其他行星的引力
18、，还有地球的卫星也会给它引力。怎么解决这个问题呢？在研究的过程中，我们可以合理简化,抓住主要矛盾忽略次要矛盾，比如研究行星的绕日公转，仅仅考虑太阳对它的引力。（2）发现过程我们一起来看看，当初牛顿是怎样得到万有引力定律的。行星的运动近似认为是匀速圆周运动,是万有引力提供了行星作圆周运动所需要的向心力。根据开普勒第二、第三定律。根据牛顿第三定律。集体提问：太阳给地球有引力的作用，地球同时也给太阳有引力作用。这是一对什么力？作用力与反作用力。引力作用是相互，地球作用在质量是m 的物体上的引力大小恰好等于质量为 的物体作用在地球的引力。天体的运动跟地面上物体的运动，有着共同的规律，地球重力，也是随着
19、与地心距离的增大按平方反比例而减弱的，牛顿通过计算证明，由于月球与地球的距离是地球半径的60倍，月球轨道运动的向心加速度应该等于地面上重力加速度的1/3600。这就是著名的月地检验，它跟实际测量的结果符合得相当好。第四环节 概括总结牛顿在总结了这些规律和前人研究成果的基础上，再通过自己的思考和研究，最终得出：（1）万有引力定律：自然界中任何两个物体之间都是相互吸引的，引力的大小跟这两个物体的质量的乘积成正比，跟距离的平方成反比。公式：式中的G为引力常量，大小为：，它的物理意义是：两个1Kg的物体，他们的距离为1米时，他们的万有引力的大小为。万有引力定律是在把物体视为质点的基础上推导出来，所以它
20、有它的适用条件：万有引力公式适用于质点间引力大小的计算，若是均匀球体，则r为两球体球心之间的直线距离。第五环节 验证应用牛顿虽然发现了万有引力定律，却没能在实验室直接验证出万有引力的存在及其规律，人们也没有办法计算出两个物体间万有引力的大小。万有引力定律到底是对还是错？第四小组：八大行星中，水星、金星、火星和土星都是人眼能直接看到的。人们第一次通过望远镜发现的新行星是天王星。但是人们发现天王星时，其运行轨道与人们用万有引力定律所算出的轨道有偏差。这是为什么呢？引导学生猜想：（1）万有引力定律是错误的。（2）天王星外还有一颗未知行星，它对天王星有较大的引力作用。万有引力定律已被大量的事实所证实，
21、现在我们大家都知道它是自然界普遍的规律。人们根据猜想（2），用万有引力定律计算出天王星外的未知天体的轨道半径。果然在所算出的位置人们发现海王星。总结：发现海王星有什么意义？一个科学的理论，不但要能说明已知事实，而且要能预言当时不知道的事实。海王星的发现进一步证明了万有引力定律的正确性。根据同样方法发现了冥王星。说明科学理论具有预见性。（举例说明：哈雷慧星的回归，探测矿藏分布等）。卡文迪许用一种非常巧妙的方式验证了万有引力定律并测出引力常数G的大小：。介绍卡文迪许实验的原理，扭秤的巧妙构思，用动画演示。用扭秤模拟装置实验演示。两个质量均为m的小球固定在一根轻杆的两端，在用一根石英细丝将这两杆水平
22、的悬挂起来，每个质量为m的小球附近各放置一个质量为M的大球。根据万有引力定律，当大球在位置一时，由于小球受到吸引力，悬杆转动，使悬丝扭转。悬丝扭转的角度可用镜尺系统来测定。为了提高测量的灵敏度，还可以将大球放在位置二，向相反的方向吸引小球。这样，两次悬杆平衡之间的夹角纠正大了一倍。卡文迪许用一根39英寸（约1m）的镀银铜丝，吊起一根6英尺(180厘米)长的木杆，在杆的两端各固定一个直径2英寸（6厘米）的小铅球，另用两颗直径12英寸（30厘米）的固定着的大铅球吸引它们。卡文迪许扭秤实验被称之为历史上最巧妙的物理实验，开创了弱力测量的新时代。卡文迪许被称为世界上第一个测地球质量的人。总结：今天我们一起学习了万有引力的概念和万有引力定律的内容，更重要的是，我们了解了万有引力定律的发现过程，这个过程中是漫长的，是艰苦的。很多科学家付出了辛勤的劳动，正是他们的劳动，为我们今天了解自己的生存环境，走入太空，以及快捷、舒适、现代化的生活打下坚实的基础。- 8 - 版权所有高考资源网
