万有引力定律教学设计12物理人教版.docx
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万有引力定律教学设计12物理人教版
6-3万有引力定律
矿院附中赵志平中关村外国语学校荣立华
一、设计思想
万有引力定律是本章的重点知识，本节课从内容上看，是对上一节教学内容的延伸，是下一节教学内容的学习基础；是猜想、假设、与验证相结合的教学内容；是一种演绎思维与归纳思维相结合的推理知识建构结构。
教材的立意还在于物理理论还必须接受实践的检验。
万有引力定律的得出是牛顿智慧的结晶。
牛顿从研究太阳与行星之间的引力想到普遍意义上的万有引力定律在牛顿的科学思想上是顺理成章的事情，用这个历史史实组织课堂，让学生体味科学探索的方法。
本节课以教师讲授为主、学生探究和展示为辅的教学方式。
讲授过程中以物理学史为主线，让学生以科学家的角度分析、思考问题。
除了说明牛顿的伟大功绩，还应该说明牛顿的工作是建立在前人工作基础之上的。
具体设计思路：
（一）、新课程标准倡导学生自主学习，重视学生科学探究，在“科学探究”中学生自己不断发现问题、解决问题、体会科学方法、学会交流合作及通过集体的智慧解决问题。
我将发现万有引力定律的过程设计为教师引导和学生探究先后结合的方法。
“地球对月球的力、地球对地面上物体的力、太阳对行星的力，真是同一种力吗？
”这个过程中所涉及到的逻辑思维和数学推导给学生带来的困难则由教师适时引导。
当学生亲自动手，计算出月球轨道上物体运动的加速度就是地面物体下落加速度的
倍时，学生一定会由衷地感叹自然界的和谐统一和科学的无穷魅力。
（二）、万有引力定律既是一个独立的科学定律，又是牛顿经典力学体系的重要组成部分，是普遍存在于宇宙中的任何有质量的物体（大到天体小到微观粒子）间的相互吸引力，是自然界的物体间的基本相互作用之一，对人类认识和探索未知世界有着重要的意义。
教学中要让学生知道学习万有引力定律不只是用来做几道题，而是一个人科学素养的具体体现。
（三）、我让学生查找关于卡文迪许的资料、做成ppt并让两到三组同学在课堂展示。
增加学生的学习兴趣，同时锻炼学生的语言组织能力和表达能力。
（四）、将不易测量的微小量转化为可测量的物理量的方法是物理学中重要且常用的研究方法。
通过卡文迪许扭秤实验对学生进行的物理思想和科学方法的渗透。
同时也能说明科学实验是发现科学真理的基础，也是检验科学真理的唯一标准。
二、教学设计流程图
对地球与月球之间作用力的猜想
教师引导学生探究猜想
验证猜想并推理得出万有引力定律
万有引力常量的测定方法
二、教学目标
知识与技能
1.了解万有引力定律发现的思路和过程，知道地球上的重物下落与天体运动的统一性。
2.知道万有引力是一种存在于所有物理之间的吸引力，知道万有引力的适用范围。
3.会用万有引力定律解决简单的引力计算问题，知道万有引力定律公式中r的物理意义，了解引力常量G的测定在科学史上的重大意义。
过程与方法：
1．通过对万有引力的学习，使学生体会在科学规律发现过程猜想与求证的重要性。
2．通过展示卡文迪许扭秤的设计方法，渗透科学发现与科学实验的方法。
情感态度与价值观：
理解科学发现、发展的过程和规律；感悟自然界的统一、和谐美；感悟科学家追求和宣传科学真理所表现出的坚定信念和献身精神；
教学重点
万有引力定律的内容及数学表达式
教学难点
万有引力定律发现的思维过程
扭秤实验的物理思想和科学方法;
教学资源
多媒体资料、卡文迪许扭秤
教法设计
讲授法、学生合作探究、学生课前查找资料课上展示、多媒体辅助教学
教学过程
教师活动
学生活动
设计意图
一、万有引力的猜想：
二、探究猜想：
三、验证猜想并总结得出万有引力定律：
四、引力常量G的测定
五、课堂小结
六、课后作业
一、万有引力的猜想：
复习：
1．牛顿时代的科学家认为什么原因使行星绕太阳运动？
2．太阳与行星之间作用力的规律是什么？
引入：
牛顿因看到苹果落地，而引发思考：
树上的苹果自由下落，为什么是向下运动，而不是向其他方向运动呢？
那么重力又是怎么产生的呢？
地球对苹果的引力与太阳与行星之间的作用力是不是同一种力呢？
另外，地面上的物体距地面很远时，如在高山上，似乎重力没有明显的减弱，难道在高山上还不够远吗？
如果物体延伸到月球那么远，物体是否也会向月球那样围绕地球运动？
地球对月球的力、地球对地面上物体的力、太阳对行星的力，真是同一种力？
二、探究猜想：
这个猜想需要由事实检验，假如地球对月球的力、地球对地面上物体的力真是像太阳和行星之间的力一样，都是同一种力，那么应该同样遵循平方反比规律
。
又由牛二定律：
可知
月球轨道半径约为地球半径的60倍。
月球轨道上物体运动的加速度就应该是地面附近物体下落加速度的
倍。
月球公转轨道近似为圆，则其运动可以近似看作匀速圆周运动。
那么，怎样求出月球轨道上物体运动的加速度？
，
，
教师引导，给出相应的数据：
牛顿当年知道的数据有：
月球的公转周期T=27.3天，月球到地球的距离
，地面附近的重力加速度g=9.8m/s2，假如同学们处于当时的环境中，能否利用你们的所知说明上述猜想的正确性？
结论：
地球对月球的力、地球对地面上物体的力、太阳对行星的力，确实是同一种力.
三、万有引力定律：
由上面的结论推广：
引力存在于任何两个物体之间，也正因为此，这个引力称做万有引力。
1、表述：
自然界中任何两个物体之间都存在相互作用的引力，引力的大小跟这两个物体的质量
和
的乘积成正比，跟两物体之间的距离
的平方成反比。
――1687年发表在《自然哲学的数学原理》上。
2、公式表示：
3、适用条件
①万有引力定律只适用于质点间引力大小的计算。
②当两物体是质量均匀分布的球体时，它们间的引力也可直接用公式计算，但式中的r是指两球心间距离。
③当研究物体不能看成质点时，可以把物体假想分割成无数个质点，求出两个物体上每个质点与另一物体上所有质点的万有引力，然后求合力。
（此方法仅给学生提供一种思路）
4对万有引力定律的进一步理解
（1）．普遍性：
万有引力是普遍存在于宇宙中的任何有质量的物体（大到天体小到微观粒子）间的相互吸引力，它是自然界的物体间的基本相互作用之一．
（2）．相互性：
两个物体相互作用的引力是一对作用力与反作用力，符合牛顿第三定律．
（3）．宏观性：
通常情况下，万有引力非常小，只有在质量巨大的天体间或天体与物体间它的存在才有宏观的物理意义．在微观世界中，粒子的质量都非常小，粒子间的万有引力很不显著，万有引力可以忽略不计
课堂练习1：
既然任何物体间都存在着引力，为什么当两个人接近时不会吸在一起？
我们通常分析物体的受力时是否需要考虑物体间的万有引力？
请你根据实际中的情况，假设合理的数据，通过计算说明以上两个问题。
四、引力常量G的测定
1686年牛顿发现万有引力，但由于当时实验条件和技术的限制，很难精确地测定上述比例式中比例系数．直到1789年，英国物理学家卡文迪许巧妙地利用了扭秤装置，第一次在实验室里对两个物体间的引力大小作了精确的测量和计算，比较准确地测出了引力常量．
1．卡文迪许扭秤实验
扭秤的主要部分是：
一个T字形轻而结实的框架，倒挂在一根石英丝下。
在T形架的两端各固定一个小球，再在每个小球的附近各放一个大球，根据万有引力定律，大球会对小球产生引力，T形架会随之扭转，只要测出其扭转的角度，就可以测出引力的大小。
由于引力很小，这个扭转的角度会很小。
怎样才能把这个角度测出来呢？
卡文迪许在T形架上装了一面小镜子，用一束光射向镜子，经镜子反射后的光射向远处的刻度尺，当镜子与T形架一起发生一个很小的转动时，刻度尺上的光斑会发生较大的移动。
这样，就起到一个化小为大的效果，通过测定光斑的移动，测定了T形架在放置大球前后扭转的角度，从而测定了此时大球对小球的引力。
扭秤装置把微小力转变成力矩来反映（一次放大），扭转角度又通过光标的移动来反映（二次放大）．从而确定物体间的万有引力．
2引力常量
3测定引力常量G的重要意义
（1）．证明了万有引力的存在．
（2）．扭秤实验的物理思想和科学方法“开创了测量弱力的新时代”……英国物理学家玻印廷语．
练习2：
大麦哲伦云和小麦哲伦云是银河系外离地球最近的星系。
大麦哲伦云的质量为太阳质量的1010倍，即
104kg，小麦哲伦云的质量为太阳质量的109倍，两者相距
光年，求它们之间的引力。
练习3：
一个质子有两个u夸克和一个d夸克组成。
一个夸克的质量是
kg，求两个夸克相距
m时的万有引力。
五、课堂小结：
本节课我们学习了万有引力定律，了解了任何两个有质量的物体之间都存在着一种引力，这个引力正比于两个物体质量的乘积，反比于两个物体间的距离。
其大小的决定式为：
其中G为万有引力恒量：
G=6.67×10-11N·m2/kg2
另外，我们还了解了科学家牛顿分析物体、解决问题的方法和技巧，希望对我们今后分析问题、解决问题能够有所借鉴。
六、课后作业
引力常量G的测出，使得万有引力定律在天文学的发展上起了重要的作用，请同学们通过网络或书籍查阅相关资料，进一步了解万有引力定律发现过程的物理史实。
学生思考、回答：
开普勒行星运动定律
太阳与行星之间的引力
学生回答:
重力的方向是竖直向下
学生思考：
300多年前牛顿苦思冥想的猜想：
“天上”的力与“人间”的力可能出于同一本源?
学生思考回答
请同学们选择公式进行计算。
＝
＝
学生讨论、练习
让学生通过计算体会到周围一般物体之间的万有引力很小，说明作受力分析时可以忽略两个人体之间的万有引力；
课前让学生查找关于卡文迪许的资料、做成ppt并在课堂展示
学生思考计算
学生思考计算
复习旧知
引入新课
通过启发式的设问,激发学生的探究兴趣与想象力
教师引导
猜想
演绎推理
验证：
让学生将圆周运动的知识运用到实际问题处理中。
让学生自己动手推导，得出结论。
有更强的说服力。
让学生领会扭秤实验的物理思想和科学方法;
让学生体会到是万有引力主宰着天体之间的关系；
让学生体会到微观粒子之间万有引力更加小。
板书设计
第三节万有引力定律
一、万有引力的猜想：
太阳对行星的力、地球对月球的力、地球对苹果的力是同一种力吗？
二、探究猜想：
。
可知
月球轨道上物体运动的加速度就应该是地面物体下落加速度的
倍。
三、万有引力定律：
1表述：
2公式表示：
3适用条件
1万有引力定律只适用于质点间引力大小的计算。
②当两物体是质量均匀分布的球体时，r是指两球心间距离。
4对万有引力定律的进一步理解
（1）．普遍性：
（2）．相互性：
（3）．宏观性：
四、引力常量G的测定
1．卡文迪许扭秤实验
2．引力常量
学习资料：
1.引力常量的测量：
2.卡文迪什（HenryCavendish）英国物理学家和化学家。
1731年10月10日生于法国尼斯。
1749年考入剑桥大学，1753年尚未毕业就去巴黎留学。
后回伦敦定居，在他父亲的实验室中做了许多电学和化学方面的研究工作。
1760年被选为英国皇家学会会员。
1803年当选为法国科学院外国院土。
卡文迪什毕生致力于科学研究，从事实验研究达50年之久，性格孤僻，很少与外界来往。
卡文迪什的主要贡献有：
1781年首先制得氢气，并研究了其性质，用实验证明它燃烧后生成水。
但他曾把发现的氢气误认为燃素，不能不说是一大憾事。
1785年卡文迪什在空气中引入电火花的实验使他发现了一种不活泼的气体的存在。
他在化学、热学、电学、万有引力等方面进行地行多成功的实验研究，但很少发表，过了一个世纪后，麦克斯韦整理了他的实验论文，并于1879年出版了名为《尊敬的亨利·卡文迪什的电学研究》一书，此后人们才知道卡文迪什做了许多电学实验。
麦克斯韦说：
“这些论文证明卡文迪什几乎预料到电学上所有的伟大事实，这些伟大的事实后来通过库仑和法国哲学家们的著作而闻名于科学界。
”
早在库仑之前，卡文迪什已经研究了电荷在导体上的分布问题。
1777年，他向皇家学会提出报告说：
“电的吸引力和排斥力很可能反比于电荷间距离的平方，如果是这样的话，那么物体中多余的电几乎全部堆积在紧靠物体表面的地方，而且这些电紧紧地压在一起，物体的其余部分处于中性状态。
”他还通过实验证明电荷之间的作用力。
他还早于法拉第用实验证明电容器的电容取决于两极板之间的物质。
他最早建立电势概念，指出导体两端的电势与通过它的电流成正比（欧姆定律在1827年才确立）。
当时还无法测量电流强度，据说他勇敢地用自己的身体当作测量仪器，以从手指到手臂何处感到电振动来估计电流的强弱。
卡文迪什的重大贡献之一是1798年完成了测量万有引力的扭秤实验，后世称为卡文迪什实验。
他改进了英国机械师米歇尔（JohnMichell，1724～1793）设计的扭秤，在其悬线系统上附加小平面镜，利用望远镜在室外远距离操纵和测量，防止了空气的扰动（当时还没有真空设备）。
他用一根39英寸的镀银铜丝吊一6英尺木杆，杆的两端各固定一个直径2英寸的小铅球，另用两颗直径12英寸的固定着的大铅球吸引它们，测出铅球间引力引起的摆动周期，由此计算出两个铅球的引力，由计算得到的引力再推算出地球的质量和密度。
他算出的地球密度为水密度的5.481倍（地球密度的现代数值为5.517g／cm3），由此可推算出万有引力常量G的数值为6.754×10-11Nm2/kg2（现代值前四位数为6.672）。
这一实验的构思、设计与操作十分精巧，英国物理学家J.H.坡印廷曾对这个实验下过这样的评语：
“开创了弱力测量的新时代”。
卡文迪什在1766年发表了《论人工空气》的论文并获皇家学会科普利奖章。
他制出纯氧，并确定了空气中氧、氮的含量，证明水不是元素而是化合物。
他被称为“化学中的牛顿”。
卡文迪什一生在自己的实验室中工作，被称为“最富有的学者，最有学问的富翁”。
卡文迪什于1810年2月24日去世。
后来，他的后代亲属德文郡八世公爵S.C.卡文迪什将自己的一笔财产捐赠剑桥大学于1871年建成实验室，它最初是以H.卡文迪什命名的物理系教学实验室，后来实验室扩大为包括整个物理系在内的科研与教育中心，并以整个卡文迪什家族命名。
该中心注重独立的、系统的、集团性的开拓性实验和理论探索，其中关键性设备都提倡自制。
近百年来卡文迪什实验室培养出的诺贝尔奖金获得者已达26人。
麦克斯韦、瑞利、J.J.汤姆孙、卢瑟福等先后主持过该实验室。
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