高中物理万有引力理论的成就教学设计学情分析教材分析课后反思.docx
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高中物理万有引力理论的成就教学设计学情分析教材分析课后反思
人教版必修二
第六章万有引力与航天
第四节《万有引力理论的成就》
教学设计
姓名：
单位：
§6.4万有引力理论的成就
教学设计
【课标解读】通过本节内容让学生了解万有引力定律在天文学上的重要应用，并会用
（1）忽略星球的自转
（2）围绕天体做圆周运动的向心力为中心天体对围绕天体的万有引力两条线索来计算天体质量，能够理解并运用万有引力定律处理天体问题的思路和方法。
【教材分析】《万有引力理论的成就》是人教版高中新教材必修2第六章第4节。
教材的第六章是万有引力与航天，高考重点考查运用万有引力定律及向心力公式分析人造卫星的绕行速度，运行周期以及计算天体的质量、密度等。
本节正是涉及计算天体质量和密度这一部分内容，是高考的重要考点。
该节承接第3节万有引力定律，通过卡文迪许测量G值进而得到地球质量这一说法，将学生引入并使之体会，理解万有引力理论的巨大作用和价值。
使学生掌握了万有引力充当向心力的研究方法同时，也为后面学习人造卫星的知识做了铺垫。
【学情分析】学生在上一节已经学习了万有引力定律，并对两个物体之间的万有引力进行简单计算。
但学生对万有引力定律有什么价值，有哪些作用和影响还没能够有一个足够的认识。
对于公式的深刻理解以及灵活运用上还很欠缺。
另外，学生对于重力和万有引力之间的关系应该有一些困惑。
通过本节内容的学习，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，培养热爱科学的情感。
【设计思路】本教学设计以“建构主义”的学习理论为依托，力图贯穿“以学生发展为本”的教学理念，根据学科特点和学生的认知过程，努力创设主动学习情境，只有让学生主动参与探究的全过程，成为学习的主体，才能激发学生的求知欲望，加深对知识的理解和应用。
在探究过程中，教师为学生设置合理的疑问，并提供思考讨论，产生探究的动机，从而提出问题，解决问题。
不仅重视知识的获得，而且更重视学生获得知识的过程和方法，更加突出了学生的学习。
让学生在掌握基础知识的同时，领会物理思想方法，提高理解能力和应用能力，使学生对于万有引力和向心力的在天体方面的应用有深刻感受。
整个教学过程中，教师是一个引导者和参与者，组织者和帮助者，学生是学习的主人，课堂上教师要组织引导学生合作、交流、讨论，充分重视学生在探究过程中的情感、态度与价值观的培养。
【教学目标】
（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．使学生了解为什么在地球表面重力近似等于万有引力，并依此计算出地球的质量。
3．理解万有引力作为天体运动的向心力，会用万有引力定律进行有关计算。
（二）过程与方法
1．理解并运用万有引力定律处理天体问题的思路和方法。
2．让学生体会根据事件的之间相似性采取类比方法分析新问题的方法。
（三）情感、态度与价值观
1.体会万有引力定律在人类认识自然界奥秘中的巨大作用
2.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。
【课型】新授课、拓展课
【教学重点、难点】
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。
难点：
根据已有条件求中心天体的质量。
【教学方法和学习方法】
教学方法：
问题解决法、探究法。
学习方法：
自学辅导法、阅读法、合作学习。
【教学资源】多媒体课件
【教学过程】
导入新课
问题情境创设：
由初中的阿基米德在研究杠杆原理后，曾经说过一句名言（给我一个支点，我可以撬动球）卡文迪也可以有类似的豪言状语：
给我一个扭秤，我就可以称量地球的质量。
（卡文迪许为什么能把自己的实验说成是“称量地球的重量”？
），让学生带着疑问走进新课，激起学生的好奇心、求知欲，从而增强对物理学习的兴趣。
1.首先回顾一下万有引力定律的内容和公式：
2.物体做圆周运动的向心力公式是什么？
分别写出向心力与线速度、角速度以及周期的关系式。
3.重力与万有引力有着什么关系？
一、“科学真实迷人”
学生阅读教材“科学真实迷人”部分的内容，思考问题
1、推导出地球质量的表达式，说明卡文迪许为什么能把自己的实验说成是“称量地球的重量”？
分析：
物体m在纬度为θ的位置，万有引力指向地心，分解为两个分力：
m随地球自转围绕地轴运动的向心力和重力。
因此,重力是万有引力的一个分力。
实际上随地球自转的物体向心力远小于重力，在忽略自转的影响下万有引力大小近似等于重力大小。
【例1】设地面附近的重力加速度g=9.8m/s2，地球半径R=6.4×106m，引力常量G=6.67×10-11Nm2/kg2，试估算地球的质量。
kg
二、计算天体的质量
学生阅读教材“天体质量的计算”部分的内容，同时考虑下列问题
1.地球绕太阳实际做何运动?
而我们通常可认为做什么运动?
2.应用天体运动的动力学方程——万有引力充当向心力求出的天体质量有几种表达式?
各是什么?
.应用此方法能否求出环绕天体的质量?
学生活动：
分组讨论。
1.天体实际运动是沿椭圆轨道运动的，而我们通常情况下可以把它的运动近似处理为圆形轨道，即认为天体在做匀速圆周运动.
2.在研究匀速圆周运动时，为了描述其运动特征，我们引进了线速度v，角速度ω，周期T三个物理量.
3.根据环绕天体的运动状况，求解向心加速度有三种求法.即：
（1）
（2）（3）
4.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）即：
①
（2）即：
②
（3）即：
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）.需要条件：
地球绕太阳运动的线速度v；地球轨道半径。
（2）需要条件：
地球绕太阳运动的角速度ω；地球轨道半径。
（3）需要条件：
地球绕太阳运动的公转周期T；地球轨道半径。
【例2】把地球绕太阳公转看做是匀速圆周运动，已知地球到太阳的距离为1.5×1011m，已知引力常量为：
G=6.67×10-11N•m2/kg2，则可估算出太阳的质量大约是多少千克?
（结果取一位有效数字）
分析：
题干给出了轨道的半径，虽然没有给出地球运转的周期，但日常生活常识告诉我们：
地球绕太阳一周为365天。
故：
T=365×24×3600s=3.2×107s
由万有引力充当向心力可得：
G=m故：
M=
代入数据解得M=kg=2×1030kg
教师点评：
1.天体之间存在着相互作用的万有引力，而行星（或卫星）都在绕恒星（或行星）做近似圆周的运动，而物体做圆周运动时合力充当向心力，故对于天体所做的圆周运动的动力学方程只能是万有引力充当向心力，这也是求解中心天体质量时列方程的根源所在。
2．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。
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。
思维扩展：
计算地球的质量，除了上述的方法外，还可以怎么求？
借助于月球，那么需要知道哪些量？
月球绕地球运行的周期T=27.3天，月球与地球的平均距离r=3.84×108m
m
M=5.98×1024kg
三、发现未知天体
请同学们阅读课文“发现未知天体”部分的内容，考虑以下问题
1．应用万有引力定律除可估算天体质量外，还可以在天文学上有何应用？
2．应用万有引力定律发现了哪些行星？
学生活动：
阅读课文，找出相应的答案：
1．应用万有引力定律还可以用来发现未知的天体。
2．海王星、冥王星的发现以及哈雷彗星的按时回归确立了万有引力定律的地位。
引导学生深入探究：
人们是怎样应用万有引力定律来发现未知天体的?
学生活动：
讨论并发表见解。
人们在长期的观察中发现天王星的实际运动轨道与应用万有引力定律计算出的轨道总存在一定的偏差，所以怀疑在天王星周围还可能存在有行星，然后应用万有引力定律，结合对天王星的观测资料，便计算出了另一颗行星的轨道，进而在计算的位置观察新的行星。
教师点评：
万有引力定律的发现，为天文学的发展起到了积极的作用，用它可以来计算天体的质量，同时还可以来发现未知天体.
（三）课堂小结
1．地球表面，不考虑（忽略）地球自转的影响，物体的重力近似等于重力
地球质量：
.
2．建立模型求中心天体质量
围绕天体做圆周运动的向心力为中心天体对围绕天体的万有引力，通过围绕天体的运动半径和周期求中心天体的质量。
中心天体质量:
（四）巩固练习
1．已知以下哪组数据，可以计算出地球的质量M（BCD）
A地球绕太阳运行的周期T地及地球离太阳中心的距离R地日
B月球绕地球运动的周期T月及地球离地球中心的距离R月地
C人造地球卫星在地面附近绕行时的速度v和运行周期T卫
D若不考虑地球的自转，已知地球的半径及重力加速度
2．A、B两颗人造地球卫星质量之比为1：
2，轨道半径之比为2：
1，则它们的运行周期之比为（C）
A1：
2B1：
4C：
1D4：
1
3．若知道太阳的某一颗行星绕太阳运转的轨道半径r、周期T、万有引力常量G，则可求得（B）
A．该行星的质量B．太阳的质量C．该行星的密度D．太阳的平均密度
4．空间探测器进入某行星的万有引力范围之内以后，在靠近该行星表面的上只做匀速圆周运动，测得运动周期为T，则这个行星的平均密度ρ=
【板书设计】
§6.4 万有引力理论的成就
一、“科学真是迷人”
---------地球质量的估算
∵
∴kg
二、计算天体的质量
条件一：
已知地球绕太阳运动的线速度v；地球轨道半径
∵
∴M=.
条件二：
已知地球绕太阳运动的角速度ω；地球轨道半径
∵
∴M=
条件三：
已知地球绕太阳运动的公转周期T；地球轨道半径。
∵m
∴M=
三、发现未知天体：
（五）课后作业：
§4．万有引力理论的成就——课后作业
1．若已知太阳的一个行星绕太阳运转的轨道半径为r，周期为T，引力常量为G，则可求得
A．该行星的质量B．太阳的质量
C．该行星的平均密度D．太阳的平均密度
（考察利用万有引力求中心天体质量;及如何用密度公式。
）
2．下列说法正确的是
A．海王星和冥王星是人们依据万有引力定律计算的轨道而发现的
B．天王星是人们依据万有引力定律计算的轨道而发现的
C．天王星的运行轨道偏离根据万有引力计算的轨道，其原因是由于天王星受到轨道外面其他行星的引力作用
D．以上均不正确
（考察利用万有引力发现未知天体。
）
3．某球状行星具有均匀的密度ρ，若在赤道处随行星一起转动的物体对行星表面的压力恰好为零，则该行星自转周期为（万有引力常量为G）
（考察建立模型会受力分析；理解天体质量及密度的求法。
）
4．地球公转轨道半径是R1，周期是T1，月球绕地球运转的轨道半径是R2，周期是T2，则太阳质量与地球质量之比是
（考察利用万有引力求中心天体的质量。
）
5．天文学上把两个相距较近，由于彼此的引力作用而沿各自的轨道互相环绕旋转的恒星系统称为“双星”系统，设一双星系统中的两颗星保持距离不变，共同绕着连线上的某一点以不同的半径做匀速圆周运动，则
A．两子星的线速度的大小一定相等
B．两子星的角速度的大小一定相等
C．两子星受到的向心力的大小一定相等
D．两子星的向心加速度的大小一定相等
（考察双星受力分析及运动的特点：
w、F引相同。
）
★6．在第6题中若已知两颗星的质量分别为m1和m2，则它们的轨道半径之比为。
★7．太阳系某行星到太阳的距离约等于地球到太阳距离的4倍，如果地球在轨道上的公转速度为30km/s，则该
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