高中物理《万有引力理论的成就》教学设计1
一、内 容
人教版普通高中课程标准试验教科书物理必修2第六章第4节《万有引力理论的成就》
二、教学分析
1.教材分析
本节课是《万有引力定律》之后的一节，内容是万有引力在天文学上的应用。教材主要安排了“科学真是迷人”、“计算天体质量”和“发现未知天体”三个标题性内容。学生通过这一节课的学习，一方面对万有引力的应用有所熟悉，另一方面通过卡文迪许“称量地球的质量”和海王星的发现，促进学生对物理学史的学习，并借此对学生进行情感、态度、价值观的学习。
2．教学过程概述
本节课从宇宙中具有共同特点的几幅图片入手，对万有引力提供天体圆周运动的向心力进行了复习引入万有引力在天体运动中有什么应用呢？接下来，通过“假设你成为了一名宇航员，驾驶宇宙飞船……发现前方未知天体”，围绕“你有什么办法可以测出该天体的质量吗”全面展开教学。密度的计算以及海王星的发现自然过渡和涉及。在教材的处理上，既立足于教材，但不被教科书所限制，除了介绍教科书中重要的基本内容外，关注科技新进展和我国天文观测技术的发展，时代气息浓厚，反映课改精神，着力于培养学生的科学素养。
三、教学目标
1.知识与技能
（1）通过 “计算天体质量”的学习，学会估算中数据的近似处理办法，学会运用万有引力定律计算天体的质量；
（2）通过“发现未知天体”，“成功预测彗星的回归”等内容的学习，了解万有引力定律在天文学上的重要应用。
2.过程与方法
运用万有引力定律计算天体质量，体验运用万有引力解决问题的基本思路和方法。
3.情感、态度、价值观
（1）通过“发现未知天体”、“成功预测彗星的回归”的学习，体会科学定律在人类探索未知世界的作用；
（2）通过了解我国天文观测技术的发展，激发学习的兴趣，养成热爱科学的情感。
四、教学重点
1.中心天体质量的计算；
2. “称量地球的质量”和海王星的发现，加强物理学史的教学。
五、教学准备 实验器材、PPT课件等多媒体教学设备
六、教学过程
（一）、图片欣赏复习引入
通过几张宇宙图片的欣赏，学生体验宇宙中螺旋的共同特点，万有引力提供向心力是天体都遵循的规律。那么，万有引力定律在天体运动中还有哪些具体的应用呢？让我们一起进入本章《万有引力理论的成就》的学习。
（二）、创设情境 解决中心问题
情境创设：假如你成为了一名宇航员，驾驶宇宙飞船航行在宇宙深处，突然，前方一美丽的天体出现在你的面前。你先关闭了宇宙的发动机，然后飞船刚好绕美丽天体做了完美的圆周运动，绕行一周后，飞船就平稳的降落在了星球上。
合作讨论：你有什么办法可以测得这一神秘天体的质量吗？
（学生通过小组探究，教师巡回指导，形成自己本组的意见，由小组选出的代表来向全班展示自己思考的结果。）
小组代表讲解展示：
思路一：测出宇宙飞船绕行一周的时间和轨道半径，根据万有引力提供向心力，
即：
从而得出星球（中心天体）的质量
思路二：根据宇航员降落在星球表面上后，重力近似等于万有引力，
即： 得出
在思路二完成之后，紧接着问题：如何测得星球表面的重力加速度g呢？
（学生讨论回答，现场教师展示借助小球的自由落体运动，通过现代技术“传感器”现场完成重力加速度的测量。）
设计说明： 1.通过“学生成为宇航员驾驶宇宙飞船发现未知天体”的情境创设，围绕”如何测得星球的质量？”这一中心问题展开学生的讨论活动，在让学生觉得有趣味的同时，通过小组讨论、合作学习来促使学生创造性的思考、解决本节课的中心问题。2.多媒体和现代测量方法——传感器让学生感受技术带来的便捷。
（三）、物理学史 展现人文魅力
启示：一旦测出了引力常量G，那么就可以利用公式 得到地球的质量了。
1798年，卡文迪许通过自己设计的扭秤实验，成功得到了引力常量的值。因此卡文迪许把自己的实验说成是“称量地球的重量”，是不无道理的。
而正是这段故事，让一个外行人、著名文学家马克·吐温满怀激情的说：“科学真是迷人。根据零星的事实，增添一点猜想，竟能赢得那么多的收获！”
(四)、课堂延伸——如何得到这一天体的`密度？
设计说明：在这一问题中，老师提示了球体的体积公式，然后就把时间交给学生了。学生进行了积极的演算，可得到的答案有两种，一种是带有半径的，而另一种则是把半径约分掉的 。“为什么半径可以约掉呢？”这一问题又再一次促进了学生的思考。而这也保证了课堂的开放性。
(五)、发现未知天体
视频：“海王星的发现”，——展现科学发现的足迹，注重学生进行科学态度和情感。
诺贝尔物理学奖获得者、物理学家冯劳厄说：“没有任何东西像牛顿引力理论对行星轨道的计算那样，如此有力的树立起人们对年轻物理学的尊敬。从此以后，这门自然科学成了巨大的精神王国……”
(六)、课堂小结与反馈 简单回顾本节课的教学内容
七、板书设计： 第4节《万有引力理论的成就》
一、 图片欣赏，引入新课
二、 测中心天体的质量
三、 卡文迪许——人文魅力
四、 应用
1.测天体密度
2.发现未知天体
八、教学反思：
本节课在教学设计上创造性的使用教材，通过“学生成为宇航员驾驶宇宙飞船发现未知天体”的情境创设，让学生在极大的趣味中完成了本节中心内容的教学。学生的学习过程脉络清晰。物理学家的人文魅力学生也有一定的感知。
高中物理《万有引力理论的成就》教学设计2
教学目标
1、知识与技能
(1)了解地球表面物体的万有引力两个分力的大小关系，计算地球质量;
(2)行星绕恒星运动、卫星的运动的共同点：万有引力作为行星、卫星圆周运动的向心力，会用万有引力定律计算天体的质量;
(3)了解万有引力定律在天文学上有重要应用。
2.过程与方法：
(1)培养学生根据数据分析找到事物的主要因素和次要因素的一般过程和方法;
(2)培养学生根据事件的之间相似性采取类比方法分析新问题的能力与方法;
(3)培养学生归纳总结建立模型的能力与方法。
3.情感态度与价值观：
(1)培养学生认真严禁的科学态度和大胆探究的心理品质;
(2)体会物理学规律的简洁性和普适性，领略物理学的优美。
教学重难点
教学重点
地球质量的计算、太阳等中心天体质量的计算。
教学难点
根据已有条件求中心天体的质量。
教学工具
多媒体、板书
教学过程
一、计算天体的质量
1.基本知识
(1)地球质量的计算
①依据：地球表面的物体，若不考虑地球自转，物体的重力等于地球对物体的万有引力，即
②结论：
只要知道g、R的值，就可计算出地球的质量.
(2)太阳质量的计算
①依据：质量为m的行星绕太阳做匀速圆周运动时，行星与太阳间的万有引力充当向心力，即
②结论：
只要知道卫星绕行星运动的周期T和半径r，就可以计算出行星的质量.
2.思考判断
(1)地球表面的物体，重力就是物体所受的万有引力.(×)
(2)绕行星匀速转动的卫星，万有引力提供向心力.(√)
(3)利用地球绕太阳转动，可求地球的质量.(×)
3.探究交流
若已知月球绕地球转动的周期T和半径r，由此可以求出地球的质量吗?能否求出月球的质量呢?
【提示】 能求出地球的质量.利用
为中心天体的质量.做圆周运动的月球的质量m在等式中已消掉，所以根据月球的周期T、公转半径r，无法计算月球的质量.
二、发现未知天体
1.基本知识
(1)海王星的发现
英国剑桥大学的学生亚当斯和法国年轻的天文学家勒维耶根据天王星的观测资料，利用万有引力定律计算出天王星外“新”行星的轨道.1846年9月23日，德国的加勒在勒维耶预言的位置附近发现了这颗行星——海王星.
(2)其他天体的发现
近100年来，人们在海王星的轨道之外又发现了冥王星、阋神星等几个较大的天体.
2.思考判断
(1)海王星、冥王星的发现表明了万有引力理论在太阳系内的正确性.(√)
(2)科学家在观测双星系统时，同样可以用万有引力定律来分析.(√)
3.探究交流
航天员翟志刚走出“神舟七号”飞船进行舱外活动时，要分析其运动状态，牛顿定律还适用吗?
【提示】 适用.牛顿将牛顿定律与万有引力定律综合，成功分析了天体运动问题.牛顿定律对物体在地面上的运动以及天体的运动都是适用的.
三、天体质量和密度的计算
【问题导思】
1.求天体质量的思路是什么?
2.有了天体的质量，求密度还需什么物理量?
3.求天体质量常有哪些方法?
1.求天体质量的思路
绕中心天体运动的其他天体或卫星做匀速圆周运动，做圆周运动的天体(或卫星)的向心力等于它与中心天体的万有引力，利用此关系建立方程求中心天体的质量.
2.计算天体的质量
下面以地球质量的计算为例，介绍几种计算天体质量的方法：
(1)若已知月球绕地球做匀速圆周运动的周期为T，半径为r，根据万有引力等于向心力，即
(2)若已知月球绕地球做匀速圆周运动的半径r和月球运行的线速度v，由于地球对月球的引力等于月球做匀速圆周运动的向心力，根据牛顿第二定律，得
(3)若已知月球运行的线速度v和运行周期T，由于地球对月球的引力等于月球做匀速圆周运动的向心力，根据牛顿第二定律，得
(4)若已知地球的半径R和地球表面的重力加速度g，根据物体的重力近似等于地球对物体的引力，得
解得地球质量为
3.计算天体的密度
若天体的半径为R，则天体的密度ρ
误区警示
1.计算天体质量的方法不仅适用于地球，也适用于其他任何星体.注意方法的拓展应用.明确计算出的是中心天体的质量.
2.要注意R、r的区分.R指中心天体的半径，r指行星或卫星的轨道半径.以地球为例，若绕近地轨道运行，则有R=r.
例：要计算地球的质量，除已知的一些常数外还需知道某些数据，现给出下列各组数据，可以计算出地球质量的有哪些?( )
A.已知地球半径R
B.已知卫星绕地球做匀速圆周运动的轨道半径r和线速度v
C.已知卫星绕地球做匀速圆周运动的线速度v和周期T
D.已知地球公转的周期T′及运转半径r′
【答案】 ABC
归纳总结：求解天体质量的技巧
天体的质量计算是依据物体绕中心天体做匀速圆周运动，万有引力充当向心力，列出有关方程求解的，因此解题时首先应明确其轨道半径，再根据其他已知条件列出相应的方程.
四、分析天体运动问题的思路
【问题导思】
1.常用来描述天体运动的物理量有哪些?
2.分析天体运动的主要思路是什么?
3.描述天体的运动问题，有哪些主要的公式?
1.解决天体运动问题的基本思路
一般行星或卫星的运动可看做匀速圆周运动，所需要的向心力都由中心天体对它的万有引力提供，所以研究天体时可建立基本关系式：
2.四个重要结论
设质量为m的天体绕另一质量为M的中心天体做半径为r的匀速圆周运动
以上结论可总结为“越远越慢，越远越小”.
误区警示
1.由以上分析可知，卫星的an、v、ω、T与行星或卫星的质量无关，仅由被环绕的天体的质量M和轨道半径r决定.
2.应用万有引力定律求解时还要注意挖掘题目中的隐含条件，如地球的公转周期是365天，自转一周是24小时，其表面的重力加速度约为9.8 m/s2.
例：)据报道，天文学家近日发现了一颗距地球40光年的“超级地球”，名为“55 Cancri e”，该行星绕母星(中心天体)运行的周期约为地球绕太阳运行周期的480(1)，母星的体积约为太阳的60倍.假设母星与太阳密度相同，“55 Cancri e”与地球均做匀速圆周运动，则“55 Cancri e”与地球的( )
【答案】 B
归纳总结：解决天体运动的关键点
解决该类问题要紧扣两点：一是紧扣一个物理模型：就是将天体(或卫星)的运动看成是匀速圆周运动;二是紧扣一个物体做圆周运动的动力学特征，即天体(或卫星)的向心力由万有引力提供.还要记住一个结论：在向心加速度、线速度、角速度和周期四个物理量中，只有周期的值随着轨道半径的变大而增大，其余的三个都随轨道半径的变大而减小
五、双星问题的分析方法
例：天文学家将相距较近、仅在彼此的引力作用下运行的两颗恒星称为双星.双星系统在银河系中很普遍.利用双星系统中两颗恒星的运动特征可推算出它们的总质量.已知某双星系统中两颗恒星围绕它们连线上的某一固定点分别做匀速圆周运动，周期均为T，两颗恒星之间的距离为r，试推算这个双星系统的总质量.(引力常量为G)
归纳总结：双星系统的特点
1.双星绕它们共同的圆心做匀速圆周运动，它们之间的距离保持不变;
2.两星之间的万有引力提供各自需要的向心力;
3.双星系统中每颗星的角速度相等;
4.两星的轨道半径之和等于两星间的距离.
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