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1、第5章万有引力定律及其应用 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望n通过史实了解万有引力定律的发现过程，这里通过史实了解万有引力定律的发现过程，这里强调了对物理学发展历程的展示，体现了学科强调了对物理学发展历程的展示，体现了学科渗透的理念。当然学生不仅要了解发现过程，渗透的理念。当然学生不仅要了解发现过程，而且还应知道万有引力定律。而且还应知道万有引力定律。n万有引力定律的发现具有非常重要的意义，如万有引力定律的发现具有非常重要的意义，如促使物理学完成了第
2、一次大综合，预测了当时促使物理学完成了第一次大综合，预测了当时的未知天体，使人造卫星上天等等，万有引力的未知天体，使人造卫星上天等等，万有引力定律的发现让人类对世界有了更多的认识，学定律的发现让人类对世界有了更多的认识，学生应由此体会科学定律对人类认识世界的作用。生应由此体会科学定律对人类认识世界的作用。n（2）会计算人造卫星的环绕速度。知道）会计算人造卫星的环绕速度。知道第二宇宙速度和第三宇宙速度。第二宇宙速度和第三宇宙速度。n学生应该知道什么是环绕速度，会通过公式计学生应该知道什么是环绕速度，会通过公式计算人造卫星的环绕速度，知道为什么人造卫星算人造卫星的环绕速度，知道为什么人造卫星不会从
3、天上掉下来。不会从天上掉下来。n学生还应知道什么是第二宇宙速度和第三宇宙学生还应知道什么是第二宇宙速度和第三宇宙速度，什么情况下卫星达到第二宇宙速度和第速度，什么情况下卫星达到第二宇宙速度和第三宇宙速度。三宇宙速度。n这些内容学生会很感兴趣，因此可以组织学生这些内容学生会很感兴趣，因此可以组织学生观看有关人造地球卫星、航天飞机、空间站的观看有关人造地球卫星、航天飞机、空间站的录像片等，进一步激发学生的学习兴趣，了解录像片等，进一步激发学生的学习兴趣，了解人类在这方面的进展。人类在这方面的进展。n（3）通通过过实实例例，了了解解经经典典力力学学的的发发展展历历程程和和伟伟大大成成就就，体体会会经
4、经典典力力学学创创立立的的价价值值与与意意义义，认认识识经经典典力力学学的的实实用用范范围围和和局局限限性。性。n本本条条目目要要求求学学生生从从历历史史的的角角度度，通通过过实实例例了了解解经经典典力力学学的的发发展展历历程程，了了解解经经典典物物理理的的伟伟大大成成就就及及其其对对人人类类社社会会发发展展带带来来的的影影响响，例例如如，让让学学生生了了解解经经典典力力学学对对航航天天技技术术发发展展的的重重大大贡贡献献等等，再再如如，让让学学生生比比较较重重物物下下落落与与天天体体运运动动的的多多样样性性与与统统一一性性，了了解解万万有有引引力力定定律律对对科科学学发发展展所所起起的的重重
5、要要作作用用，由由此此，让让学学生生体体会会经经典典力力学学创创立立的的价价值值与与意意义义。在在实实践践活活动动中中可可以以让让学学生生收收集集我我国国和和世世界界航航天事业发展历史和前景的资料，写出调查报告等。天事业发展历史和前景的资料，写出调查报告等。n当当然然随随着着时时代代的的发发展展，科科技技的的进进步步，经经典典力力学学也也逐逐步步显显现现出出一一定定的的局局限限性性，因因此此，本本条条目目要要求求学学生生认认识识经经典典力力学学的的实实用用范范围围和和局局限限性性。这这有有利利于于学学生生整整体体上上了了解解物物理理学的发展历程，把握物理学的主要思想。学的发展历程，把握物理学的
6、主要思想。n（4）体体会会科科学学研研究究方方法法对对人人们们认认识识自自然然的的重重要要作作用用。举举例例说说明明物物理理学学的的进进展展对对于于自然科学的促进作用。自然科学的促进作用。n在在学学习习共共同同必必修修课课程程时时，学学生生还还应应体体会会科科学学研研究究方方法法对对人人们们认认识识自自然然的的重重要要作作用用。物物理理学学是是一一门门基基础础学学科科，对对其其他他学学科科的的发发展展发发挥挥了了重重要要的的作作用用，因因此此，学学生生应应该该通通过过实实例例了了解解物物理理学学的的发发展展对对自自然然科科学学的的进进步的重要作用。步的重要作用。n本章学习万有引力定律和天体运动
7、规律方面的有关知本章学习万有引力定律和天体运动规律方面的有关知识；培养发现问题、提出问题的能力和建立假设的能识；培养发现问题、提出问题的能力和建立假设的能力。本章重点是理解万有引力定律的内容、了解卫星力。本章重点是理解万有引力定律的内容、了解卫星发射的基本原理；难点是运用万有引力定律计算卫星发射的基本原理；难点是运用万有引力定律计算卫星的环绕速度。的环绕速度。n通过本章学习，了解经典力学对航天技术发展的重大通过本章学习，了解经典力学对航天技术发展的重大贡献；通过用万有引力定律发现未知天体的事实，了贡献；通过用万有引力定律发现未知天体的事实，了解科学定律对人类认识世界的作用。了解科学探索过解科学
8、定律对人类认识世界的作用。了解科学探索过程的曲折与艰辛，体会科学家勇于探索，实事求是的程的曲折与艰辛，体会科学家勇于探索，实事求是的科学态度与科学精神。科学态度与科学精神。编者编写意图：编者编写意图：课程简介课程简介n本章从本章从“嫦娥奔月到嫦娥奔月到阿波罗阿波罗上天上天”导入，按导入，按“万有引力定律及常量万有引力定律及常量的测定的测定”、“万有引力定律的应用万有引力定律的应用”、“人类对太空的不懈追求人类对太空的不懈追求”三部三部分编写。分编写。n通过导入嫦娥奔月的神话与通过导入嫦娥奔月的神话与“阿波罗阿波罗”的现实对比，一方面让学生体会的现实对比，一方面让学生体会人类在不懈追求中的伟大成
9、就，另一方面也由此激发学生对人类在不懈追求中的伟大成就，另一方面也由此激发学生对“阿波罗阿波罗”上天的好奇与求知欲，为万有引力定律的引进铺垫；接着介绍行星运动上天的好奇与求知欲，为万有引力定律的引进铺垫；接着介绍行星运动规律、万有引力定律及引力常量的测定等；然后通过卫星上天、未知天规律、万有引力定律及引力常量的测定等；然后通过卫星上天、未知天体的预测等凸秒显万有引力定律对人类社会进步和科学发展的促进作用；体的预测等凸秒显万有引力定律对人类社会进步和科学发展的促进作用；最后通过最后通过“古希腊人的思考古希腊人的思考”、“文艺复兴的撞击文艺复兴的撞击”、“牛顿的大综合牛顿的大综合”、“对太空的探索
10、对太空的探索”等，展示了万有引力定律的发现过程，反映了科等，展示了万有引力定律的发现过程，反映了科学探索过程的曲折与艰辛，体现了科学家勇于探索、实事求是的科学态学探索过程的曲折与艰辛，体现了科学家勇于探索、实事求是的科学态度与科学精神，凸现了牛顿对物理学上第一次大综合的重要意义，介绍度与科学精神，凸现了牛顿对物理学上第一次大综合的重要意义，介绍了人类在探索太空中取得的伟大成就。了人类在探索太空中取得的伟大成就。第第1节节万有引力定律及引力常量的万有引力定律及引力常量的测定测定n一、一、内容与地位内容与地位n根据普通高中物理课程标准共同必修模块根据普通高中物理课程标准共同必修模块“物理物理2”对
11、本节的要求，在教与学的过程中应对本节的要求，在教与学的过程中应让学生领悟到万有引力定律揭示了自然界最普让学生领悟到万有引力定律揭示了自然界最普遍的一种相互作用，它的发现具有非常重要的遍的一种相互作用，它的发现具有非常重要的意义，如促使物理学完成了第一次大综合。引意义，如促使物理学完成了第一次大综合。引力常量的测定又赋予了万有引力定律真正的实力常量的测定又赋予了万有引力定律真正的实用价值。沿着历史的足迹了解万有引力定律的用价值。沿着历史的足迹了解万有引力定律的发现过程，体验科学探究过程的艰辛与乐趣，发现过程，体验科学探究过程的艰辛与乐趣，并从中学习科学的研究方法和科学精神。并从中学习科学的研究方
12、法和科学精神。二、二、教学目标教学目标n（1）了解万有引力定律的发现过程，领）了解万有引力定律的发现过程，领悟科学的研究方法和科学精神。悟科学的研究方法和科学精神。n（2）理解万有引力定律的含义，知道万）理解万有引力定律的含义，知道万有引力定律并能进行简单计算。有引力定律并能进行简单计算。n（3）通过引力常量的测定理解）通过引力常量的测定理解“将直接将直接测量量转化为间接测量量测量量转化为间接测量量”是科学研究是科学研究的重要方法之一。的重要方法之一。三、重点与难点三、重点与难点n（1）理解万有引力定律的含义，万有引）理解万有引力定律的含义，万有引力定律并能进行简单计算。力定律并能进行简单计算
13、。n（2）理解引力常量的测定思路、方法及）理解引力常量的测定思路、方法及意义。意义。四、教学设计四、教学设计n（一）引入新课：（一）引入新课：n自古以来，人们不仅创造了关于星空的自古以来，人们不仅创造了关于星空的神话诗词，而且孜孜不卷地探索天体运神话诗词，而且孜孜不卷地探索天体运动的规律。教师在课前让学生查阅、收动的规律。教师在课前让学生查阅、收集上述相关资料感受人类对太空的向往集上述相关资料感受人类对太空的向往和不懈探索追求。引入时选择几个典型和不懈探索追求。引入时选择几个典型的材料让学生发表简短的演说，激发学的材料让学生发表简短的演说，激发学生的学习热情。生的学习热情。（二）新课教学（二）
14、新课教学n1、行星运动的规律、行星运动的规律1.”K”是与行星无关的常量，是与行星无关的常量，但对不同恒星，其周围绕行但对不同恒星，其周围绕行的行星的的行星的K值是不同的。值是不同的。即：水星即：水星冥王星周期由小冥王星周期由小到大到大2、万有引力定律、万有引力定律n（1）推导：行星为什么要绕太阳运动？）推导：行星为什么要绕太阳运动？行星受太阳的引力（已是常识），引力行星受太阳的引力（已是常识），引力有何规律呢？首先将行星运动近似为圆有何规律呢？首先将行星运动近似为圆轨道上的匀速圆周运动，请学生思考：轨道上的匀速圆周运动，请学生思考：能否根据行星运动的规律推导引力作用能否根据行星运动的规律推导
15、引力作用的规律？的规律？n由牛顿运动定律、开普勒第三定律可推导得：说明：该部分内容教师可视学生的具体情况取舍。当然，推导使得万有引力定律公式在逻辑上更严密，结构上前后呼应；值得提醒学生注意的是牛顿是在椭圆轨道下证明万有引力定律的。n(2)进一步请学生思考：进一步请学生思考：重力使苹果落地，重力使苹果落地，设想苹果树不断长高直至月球的轨道，苹果设想苹果树不断长高直至月球的轨道，苹果受地球引力依然落回地面，月球也受到地球受地球引力依然落回地面，月球也受到地球引力为什么没有落回地面？分小组讨论。引力为什么没有落回地面？分小组讨论。n预测：学生参与讨论，可能有不同的观点：预测：学生参与讨论，可能有不同
16、的观点：nA）引力与重力不同，引力作用下物体做环绕运）引力与重力不同，引力作用下物体做环绕运动，重力作用下物体竖直下落，力的作用效果不动，重力作用下物体竖直下落，力的作用效果不同；同；nB）月球太远引力不够大，所以月球才没有落回）月球太远引力不够大，所以月球才没有落回地面；地面；nC）只是月球有速度而苹果是静止，因而月球做）只是月球有速度而苹果是静止，因而月球做环绕运动（曲线运动）、苹果竖直下落，其实引环绕运动（曲线运动）、苹果竖直下落，其实引力与重力本质应是相同。力与重力本质应是相同。nn师：如何判断一物体的运动规律？师：如何判断一物体的运动规律？n应应由由受受力力情情况况和和运运动动初初态
17、态两两方方面面共共同同决决定定。进进一一步步明明确确月月球球与与苹苹果果不不同同在在于于两两者者受受力力时时的的运运动动初初态态不不同同，即即月月球球有有速速度度而而苹苹果果是是静静止止，地地球球对对月月球球的的引引力力提提供供了了月月球球绕绕地地球球运运动动所所需需的的向向心心力力，对对月月球球产产生生向向心心加加速速度度。地地球球对对苹苹果果的的重重力力产产生生自自由由下下落落加加速速度度。地地球球对对月月球球的的引引力力、地地球球对对苹苹果果的引力本质上是一样的。的引力本质上是一样的。（3）定量验证：）定量验证：牛顿的牛顿的“月月地地”检验检验n说明说明：定性分析有助于开拓学定性分析有助
18、于开拓学生思路，是否做定量验证教师生思路，是否做定量验证教师可视学生的具体情况取舍。可视学生的具体情况取舍。n结论；地球对地面物体的引力、结论；地球对地面物体的引力、行星对卫星的引力以及太阳对行星对卫星的引力以及太阳对行星的引力是同一性质的力，行星的引力是同一性质的力，遵循相同的规律，并由此推广遵循相同的规律，并由此推广为自然界任何两个物体间都存为自然界任何两个物体间都存在这样相互作用即万有引力。在这样相互作用即万有引力。（4）万有引力定律）万有引力定律n公式：公式：n适用条件：可以看成质点的两物体间或两适用条件：可以看成质点的两物体间或两均匀球体间的相互作用。均匀球体间的相互作用。nr的含义
19、：当两物体相距很远可以看成质点的含义：当两物体相距很远可以看成质点时，时，r是两质点间的距离；若是两个匀质的是两质点间的距离；若是两个匀质的球体，球体，r是两球心的距离。是两球心的距离。n请判断下面说法是否正确：当两物体间距离请判断下面说法是否正确：当两物体间距离r不断不断减小至趋于零时，两物体间引力减小至趋于零时，两物体间引力F趋于无穷大。这趋于无穷大。这不可能，我们没有这样的体验，但错在哪呢？不可能，我们没有这样的体验，但错在哪呢？n生：万有引力的公式不正确，没有普遍性生：万有引力的公式不正确，没有普遍性n师：当师：当r趋于零时两物体不能看成质点，万有引力趋于零时两物体不能看成质点，万有引
20、力定律公式已不再适用。定律公式已不再适用。n说明：可举一些实例说明以增加感性认识，如：两说明：可举一些实例说明以增加感性认识，如：两艘万吨级轮船相距艘万吨级轮船相距10km时相互吸引力的数量级为时相互吸引力的数量级为10-3N，等等。，等等。（三）（三）引力常量的测定及其意义引力常量的测定及其意义n牛顿的万有引力定律发表牛顿的万有引力定律发表111年后才由卡文迪许年后才由卡文迪许第一次较精确的测出引力常量，其关键是如何将第一次较精确的测出引力常量，其关键是如何将一般物体间几乎可以忽略的引力显现出来并做定一般物体间几乎可以忽略的引力显现出来并做定量测量。量测量。n1、实验思路、方法：、实验思路、
21、方法：n（1）由万有引力公式）由万有引力公式将直接测量量（将直接测量量（m、m、r、F）来表示间）来表示间接测量量（接测量量（G）n（2）将微小量巧妙地）将微小量巧妙地“放大放大”(如：放大微如：放大微小引力小引力F、放大石英丝、放大石英丝的扭转角度的扭转角度)n（3）可借鉴的演示实）可借鉴的演示实验：观察微小形变，如：验：观察微小形变，如：厚壁扁玻璃瓶的形变厚壁扁玻璃瓶的形变、“光放大光放大”讲台面的形讲台面的形变变说明：演示实验应请学生参与以调动学生积极性，增强师生的互动性。请学生思考并回答：卡文迪许的请学生思考并回答：卡文迪许的实验装置巧妙之处在哪？实验装置巧妙之处在哪？n师：收集学生观
22、点并归纳如下：师：收集学生观点并归纳如下：n将力将力F的测量转化为力矩的测量转化为力矩M（M=FL）的测）的测量，由于引力很小因此需将量，由于引力很小因此需将T型架的水平部分型架的水平部分做得很长；做得很长；n利用平面镜的反射来利用平面镜的反射来“放大放大”石英丝扭转角石英丝扭转角度，同时增大平面镜与刻度尺间的距离，使扭度，同时增大平面镜与刻度尺间的距离，使扭转角度更方便测量、提高测量的准确度；转角度更方便测量、提高测量的准确度；n整个装置轻巧、庞大并密封抗干扰以增强其整个装置轻巧、庞大并密封抗干扰以增强其灵敏度。灵敏度。n2、引力常量的测定的意义、引力常量的测定的意义n引力常量的测定证明了万
23、有引力定律的引力常量的测定证明了万有引力定律的正确并使之具有了真正的实用价值。正确并使之具有了真正的实用价值。n3、应用：计算天体的质量、应用：计算天体的质量n请思考：卡文迪许为什么被称为请思考：卡文迪许为什么被称为“能称能称出地球质量的人出地球质量的人”？根据这节课的知识，？根据这节课的知识，你能成为一个你能成为一个“能称出太阳质量的人能称出太阳质量的人”吗？吗？n建议：研究性小课题：我测引力常量建议：研究性小课题：我测引力常量n组织学生分小组进行实验方案设计、组织学生分小组进行实验方案设计、模拟实验，并形成小论文。这有助于模拟实验，并形成小论文。这有助于学生理解实验方法，培养创新精神。学生
24、理解实验方法，培养创新精神。五、案例心得五、案例心得n本节课属于物理规律的教学，要重视展示万有引力本节课属于物理规律的教学，要重视展示万有引力定律发现历史的过程，充分发挥史实对学生的启迪定律发现历史的过程，充分发挥史实对学生的启迪作用，让学生体验科学探究过程的艰辛与乐趣，学作用，让学生体验科学探究过程的艰辛与乐趣，学习科学的研究方法和科学精神。习科学的研究方法和科学精神。n对于万有引力定律学习，重视问题情景的创设，让对于万有引力定律学习，重视问题情景的创设，让学生经历问题分析的思维过程，使学生对规律的认学生经历问题分析的思维过程，使学生对规律的认识是丰富的、全面的。识是丰富的、全面的。n对于引力常量的测定的教学设计，通过一系列问题对于引力常量的测定的教学设计，通过一系列问题让学生在问题讨论中体会实验的巧妙设计，感受物让学生在问题讨论中体会实验的巧妙设计，感受物理研究的方法，激发学生的创新意识。通过应用实理研究的方法，激发学生的创新意识。通过应用实例的学习体会到引力常量的测定的重要意义。例的学习体会到引力常量的测定的重要意义。