高中物理新课程教学设计案例万有引力理论的成就.doc

高中物理新课程教学设计案例:万有引力理论的成就
新课程背景下高中物理课堂教学设计要突出物理课程标准提出的“知识与技能”、“过程与方法”、“情感、态度与价值观”的课程目标。
[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、会用万有引力定律计算天体的质量
3、理解并运用万有引力定律研究天体问题的思路、方法
二、过程与方法：
1、让学生参与课前的准备工作，收集课外的各种天体有关的现象和应用。
2、学生对物理现象进行观察、分析，采用老师与学生双向交流感知现象下的物理规律的普遍联系。
三、情感态度与价值观：
1、通过知识的学习，培养学生学科学、爱科学、用科学的精神，树立起事物之间存在普遍联系的观点。
2、借助多媒体课件和丰富的网上资料，培养学生热爱物理、热爱科学的情感
[教学重点] ：地球质量的计算、太阳等中心天体质量的计算.
教学策略：通过数据分析、类比思维、归纳总结建立模型来加深理解。
[教学难点] ：根据已有条件求中心天体的质量.
教学策略：通过类比思维、归纳总结建立模型来加深理解。
[教具准备] 录像资料、多媒体课件
[教学设计思想] 1、通过对地球表面物体的重力与地球对物体的万有引力的关系的理解得出地球的质量.
2、通过环绕天体的运动半径和周期求中心天体的质量。
[教学过程]
复习:万有引力定律的内容和表达式
内容:自然界中任何两个物体都是相互吸引的，引力的大小跟这两个物体的质量的乘积成正比，跟它们的距离的二次方成反比。

适用于两个质点或均匀球体；r为两质点或球心间的距离；
万有引力定律是17世纪自然科学最伟大的成果之一，它把地面上的物体运动的规律和天体运动的规律统一了起来，对以后物理学和天文学的发展具有深远的影响，而且它第一次揭示 了自然界中的一种基本相互作用的规律，在人类认识自然的历史上树立了一座里程碑.
G为万有引力恒量（1798年由英国物理学家卡文迪许利用扭秤装置测出）,万有引力常量一经测出，万有引力定律对天文学的发展起了很大的推动作用，这节课我们来讨论万有引力定律在天文学上的应用.
进行新课:
一、地球质量的称量
一百多年前,英国人卡文迪许用他自己设计的扭秤，“第一个称出了地球的质量”
多媒体投影图：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。
R
M
G
θ
m
w
r
F
向
F
引
给出数据：地球半径R、纬度θ（取900）、地球自转周期T，计算两个分力的大小比值，引导学生得出结论：
向心力远小于重力，万有引力大小近似等于重力
因此不考虑（忽略）地球自转的影响，
重力加速度g和地球半径R在卡文迪许之前就知道了，一旦测得引力常量G，则可以算出地球质量M。
地球质量：
问题探究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=6.67×10-11 Nm2/kg2，试估算地球的质量。
解:在地球表面,
地球质量： =6×1024kg
估算地球平均密度.
=5.5×103 kg/m3
板书:模型一: 在星球表面,物体的重力近似等于万有引力.
1、可求星球的质量
2、可求星球的表面重力加速度：
轨道重力加速度：
3、黄金替代式GM＝Rg
二、天体质量
所有做圆周运动的天体，如月球绕地球做圆周运动、地球绕太阳做圆周运动……它们所需要的向心力都来自万有引力，因此，万有引力等于向心力，这是我们研究天体运动建立动力学方程的基本关系式．
1、由可得：
2、由可得：
3、由可得：
中心天体质量与行星质量m无关。
上面三式中，因为线速度与角速度实际操作中不好测量，周期好测量，所以我们用得最多的公式将会是第三个
在处理这部分知识时，大家头脑一定要清醒，左边中向心力公式，向心力应用的对象是做圆周运动的物体，对地月系统来说就是月球。所以左边公式中的m是月球质量、T是月球做圆周运动的周期即公转周期、r是月球做圆周运动的半径即地心到月心的距离。右边是万有引力公式，m是月球质量M则是中心天体即地球的质量、r是两球心距离即地心到月心的距离。
问题探究二：地球绕太阳公转可看做是匀速圆周运动， 试估算出太阳的质量大约是多少?
解:日常生活常识告诉我们：地球绕太阳一周为365天。
故：T=365×24×3600 s=3.15×107 S,光从太阳到地球大约8分钟故：R=8×3×108m
由万有引力充当向心力可得：GMm/R2=m(2π/T)2R
故：M=4π2R3/GT2代入数据解得M=2×1030 kg
板书:模型二:环绕天体围绕中心天体做匀速圆周运动,由万有引力提供向心力: G＝m＝mω2r＝m·r
三、发现未知天体
请阅读课本“发现未知天体”，回到如下问题：
问题1：笔尖下发现的行星是哪一颗行星？
问题2：人们用类似的方法又发现了哪颗星？
1、1781年发现天王星的运行轨道与根据万有引力定律计算出来的轨道总有一些偏差．
2、预测在天王星的轨道外面还有一颗未发现的行星
3、亚当斯和勒维耶各自独立地计算出这颗“新”星的运行轨道．人们称其为“笔尖下发现的行星”
4、1946年9月23日晚，德国的伽勒在预言的位置发现了这颗新星——海王星．
5、用类似的方法在1930年3月14日，人们发现了——冥王星．
本课小结:这节课我们主要掌握的知识点是：
万有引力定律在天文学中的应用，一般有两个模型：
1、 模型一: 在星球表面,物体的重力近似等于万有引力.
2、 模型二:环绕天体围绕中心天体做匀速圆周运动,由万有引力提供向心力: G＝m＝mω2r＝m·r
布置作业：本课习题1-4