人教版高中物理(必修2)_6.4 万有引力理论的成就_教学设计

人教版高中物理（必修2）第六章第4节

《万有引力理论的成就》教学设计

★新课标要求

（一）知识与技能

1、了解万有引力定律在天文学上的重要应用。

2、会用万有引力定律计算天体质量。

3、理解并运用万有引力定律处理天体问题的思路和方法。

（二）过程与方法

1、通过万有引力定律推导出计算天体质量的公式。

2、了解天体中的知识。

（三）情感、态度与价值观

体会万有引力定律在人类认识自然界奥秘中的巨大作用，让学生懂得理论来源于实践，反过来又可以指导实践的辩证唯物主义观点

★教学重点

1、行星绕太阳的运动的向心力是由万有引力提供的。

2、会用已知条件求中心天体的质量。

★教学难点

根据已有条件求中心天体的质量。

★学习者特征分析

1. 学生是湖南省湘潭县一中的高一学生；

2. 学生为高一的孩子，好奇心强，具有较强的探究欲望；

3. 学生有过较多的小组合作经验；

4. 学生已经学过万有引力定律；

5. 学生已了解行星绕太阳做圆周运动的向心力由万有引力充当

6．学生已认识到万有引力与重力是同一种性质的力

★教学环境和教学资源准备

学校教室配有多媒体投影仪和音箱，教师备有笔记本电脑，有网络随时可搜索到各种图片、声音甚至视频。本人平时收集了部分教学素材。

★文本教材与信息技术整合点分析

1. 引入课题时，利用图片，flash动画把学生带入一个实现童年的梦想，对天体有关知识的渴望物理情境中；

2. 卡文迪许、马克·吐温的人像图片的展现，加强对科学发展史、人物的了解；

3. 受力分析作图，动态呈现，印象深刻；

4. 题目的出示、解答过程示范等，美观标准、节省时间、提高效率； 5. 视频引用中央电视台探索与发现栏目内容，对海王星、冥王星的发现过程作生动的介绍。

★教学方法和教学策略

教师启发、引导，学生思考，讨论、交流学习成果。

★ 教学过程

（一）

引入新课

教师活动 媒体运用 学生活动 设计意图

到目前为止，太阳系的八大行星的运动轨道、周期、质量等一些情况，人们已经知晓，然而，抬头仰望星空，繁星闪耀，时隐时现，我们会产生这样的疑问，这些行星是怎样发现的？它们的质量又是如何测量出来的？——这些都离不开万有引力理论，今天这节课我们来学习“6.4 万有引力理论的成就”。 投影太阳系的八大行星图片、星空图片、课题 回忆、感受、思考 在创设的物理情境下，学生产生强烈的求知愿望。

（二） 讲授新课

一、测量天体的质量

复习万有引力定律，引出问题

教师活动 媒体运用 学生活动 设计意图

上节课我们学习了万有引力定律的有关知识，现在请同学们回忆一下，万有引力定律的内容及公式是什么？公式中的G又是什么？G是谁通过一个什么巧妙的装置测定的？ 投影问题1，出示公式，并投影问题2 思考并回答上述问题：

复习已学知识

卡文迪许测出引力常量后，把自己的实验向外界宣称“我称出了地球的质量”。请大家思索，他为何能这样讲，他是如何测出地球的质量？ 投影卡文迪许头像及扭秤装置等，板书课题与成就一。 学生思考：他为何能这样讲，他是如何测出地球的质量？ 激发学生求知欲

1、 利用万有引力等于重力测天体质量。

教师活动 媒体运用 学生活动 设计意图

上一节课我们证明了“天上的力”——万有引力与人间的力——重力，是同一种力，它们到底是什么关系，我们先来研究： 认真听老师的讲解，回忆上节课所学内容，作好知识学习的准备。

为万有引力测天体质量的方法1万有引力等于重力作铺垫

教师提问：讲台上的粉笔盒处于什么运动状态，受几个力？

教师提问：如果我们跳出地球以外看，物体处于什么运动状态？合力朝什么方向？由什么提供向心力？

教师补充：向心力

投影跳出地球外看示意图

动画受力分析

回答：处于平衡状态，受重力和支持力

学生回答：匀速圆周运动，合力垂直指向地轴提供向心力……

学生讨论并总结：

1、重力一般情况下是万有引力的分力，且小于从熟悉的情况入手，引发思维冲突，激发兴趣

学生自己总结出引力与重力的关系与区别

由万有引力与支持力的合力提供，或者说是万有引力的一个分力，重力是万有引力的另一个分力，重力与支持力的大小相等方向相反。

请大家思考，根据以上分析，重力与万有引力之间有哪些联系与区别：

已知：地球半径6400km，求一个1kg的物体放在地球表面的最大向心力？

结论：由于地球自转对物体的影响很小，我们可以不考虑地球自转的影响，近似认为地面上物体的重力就等于地球与物体间的万有引力。

即：F引=mg

从以上讨论中，你找到了卡文迪许测量地球的方向吗？

指出GM=gR2（黄金代换）经常使用

巩固练习：已知地球半径和万有引力常量，现有下列器材：弹簧秤、天平。请设计称量地球质量的实验方案。

投影例题

学生讨论结束后投影结论

板书

万有引力，赤道处相差最大，极点万有引力等于重力

2、重力的方向（竖直向下）不一定指向地球球心，赤道和两极点指向地心。

学生认真计算：

并认真思考计算结果的意义，我们是否可以不考虑地球自转的影响，

思考讨论交流：

设计方案得出地球的质量表达式，积极发言表达

通过创设情景，引导学生定量计算，用无可辩驳的事实证明猜想的正确性，增强学生的理性认识。

学以致用，体现科学的迷人，培养表达能力

2、利用万有引力等于天体的向心力测天体质量。

教师活动 媒体运用 学生活动 设计意图

有些天体人类暂不能到达（例如火星），或根本不能到其表面（例如太阳），又通过什么方法测它的质量？

听取学生代表发言，一起点评。

而在求解中心天体质量的三种表达式中，最常用的是已知周期求质量的方程。因为环绕天体运动的周期比较容易测量。 投影问题

学生讨论时黑板板书要点

学生讨论：应用天体运动的动力学方程——万有引力充当向心力，结合圆周运动向心加速度的三种表述方式可得三种形式的方程，即

（1）GrvmrMm22 ①

（2）G2rMm=mω2·r ②

（3）G2rMm=m224Tr ③

从上述动力学方程的三种表述中，可得到相应的天体质量的三种表达形式：

（1）M=v2r/G.

（2）M=ω2r3/G.

（3）M=4π2r3/GT2.

上述三种表达式分别对应在已知环绕天体的线速度v，角速度ω，周期T时求解中心天体质量的方法.

以上各式中M表示中心天体质量，m表示环绕天体质量，r表示两天体间距离，G表学生自己讨论、推导、比较，得出结论，理解意义、印象深刻。 示引力常量.

从以上各式的推导过程可知，利用此法只能求出中心天体的质量，而不能求环绕天体的质量，因为环绕天体的质量同时出现在方程的两边，已被约掉。

例、太阳光到达地球表面所需的时间为 t=500s，地球绕太阳运行一周的时间为T=365天，试估算出太阳的质量（取一位有效数字）。

教师活动：对学生求解过程点评 投影例题

投影学生求解过程，

投影示范解答

在练习本上分析计算，写出规范解答

分析：题干给出了阳光到达地球表面所需的时间为 t=500s即可算出地球的轨道的半径r=500×3×108=1.5×1011m

故：T=365×24×3600 s=3.15×107 s

由万有引力充当向心力可得：

G2rMm=m224Tr

故：M=2324GTr

代入数据解得

M=27113112)102.3(107.6)105.1(14.34kg=2×1030 kg

培养计算能力，规范解题表达，体会成功的快乐。

思考：如何测月球的质量？

练习：已知引力常量G和下列各组数据，能计算出地球质量的是( )

A．地球绕太阳运行的周期及地球离太阳的距离

B．月球绕地球运行的周期及月球离地球的距离

C．人造地球卫星在地面附近绕行的速度和运行周期 投影问题

投影问题 学生思考提出方案：

方案1：能否利用月球绕地球做圆周运动时，万有引力提供向心力？

方案2：利用嫦娥一号的运动周期和轨道半径求解，

方案3：登月，并测量月球的重力加速度，

学生思考解答 强调：在应用万有引力定律求解天体质量时，只能求解中心天体的质量，而不能求解环绕天体的质量。

激发学生的民族自豪感和爱国热情；

鼓励学生为祖国下一步航天事业而努力学习。

再一步巩固应用万有引力等于向心力来求解天体质量