人教版高一物理必修二教案-6.2太阳与行星间的引力 (2)

《太阳与行星间的引力》教学设计 一、教材分析 本节课为人教版普通高中物理必修二第六章第二节内容。在 行星运动规律与万有引力定律两节内容之间安排本节内容，突出 科学探究的重要性，让学生在建立模型简化模型的情况下，用自 己已有的知识进行合理的教学推导，体验万有引力定律的发现历 程。 二、学情分析 1.学生学科知识分析 在学习《太阳与行星的引力》这节课之前，学生已经学习了 牛顿三大定律，圆周运动知识及开普勒三大定律，能熟练地运用 已有知识解决力学问题，理论上已具备探究“万有引力定律”的 基础和能力。 2.学生能力分析 高一学生已具有一定的观察力、记忆力、抽象概括力，具备 了一定的探究能力，自主学习能力。 三、教学设计思想 本节课主要以教师引导为基础，学生探究为主体，进行“导 探”式教学方法，让学生在教师的引导下，独立思考，小组讨论， 相互交流的方式体验探究方法，完成探究过程。教学设计思路主 要如下： 1.知识回顾：开普勒三大定律及意义和圆周运动知识。 2.提出问题：是什么力量支配着行星绕太阳运动呢？ 3.科学足迹：重温在不同时期，科学家对行星绕太阳运动规 律的原因提出的观点。 4.科学猜想：行星受到太阳的引力，使行星绕太阳运动，太 阳对行星的引力应该与行星到太阳的距离有关。 5.建立模型，简化模型：行星绕太阳运动的椭圆轨道按照 “圆”轨道来处理。 6.科学探究：根据开普勒第二定律及牛顿第二定律，得到太 阳对行星的引力与行星的质量成正比，与行星和太阳之间距离的 二次方成反比，即 2r mF  7.提出问题：太阳对行星有引力，行星对太阳有没有引力？ 8.分析探究：根据牛顿第三定律运用类比法，得到行星对太 阳的引力与太阳的质量 M 也成正比即 2' r MF  9.根据以上推理，得到太阳与行星间引力大小： 2r MmF  10.引力常量为 G,写出等式： 2r MmGF＝ 11.回顾内容 12.课堂练习 13.课后思考:地球对月球的引力与地球吸引地球表面物体 的力有没有相同点。 四、教学目标 1.知识与技能 (1)了解不同科学家提出的行星绕太阳运动的不同观点及引 力思想形成的过程。 (2)在匀速圆周运动、牛顿运动定律及开普勒定律的基础上， 推导出太阳与行星间的引力的表达式，并了解其物理意义。 2.过程与方法 （1）建立物理模型，通过复杂问题简单化的思想，把行星 椭圆运动轨道简化为圆运动轨道 （2）通过“提出问题→科学猜想→建立模型→科学探究→ 理论分析→合理推导→得出结论→验证结论”培养学生探究思维 能力，体会逻辑推理和数学工具在物理学中的重要性。 3.情感态度和价值观 （1）培养学生通过探索自然规律，体会自然界的奇妙与和 谐，增强学生的求知欲。 （2）培养学生独立思考能力及同学交流合作精神，完成科 学探究。 五、教学重难点 1.太阳与行星间的引力的推导思路和过程。 2.突出教学重难点的方法：引导学生动手参与推导过程，明 确完成目标过程中的每一步的研究对象、物理模型、物理规律和 教学工具。 六、教学准备 1.教学课件（PPT 文件） 2.行星运动数据（excel 文件） 3.多媒体教学设备 七、教学过程 （一）新课引入 1.知识回顾: 上节课我们学习了行星的运动，知道了开普勒 对行星运动规律的描述有三条定律，同学们回顾一下。 学：开普勒第一定律：所有行星绕太阳运动的轨道都是椭圆， 太阳处在椭圆的一个焦点上。 开普勒第二定律：对每个行星来说，它与太阳的连线在相等 的时间扫过相等的面积。 开普勒第三定律：所有行星的轨道的半长轴的三次方跟公转 周期的二次方的比值都相等。 kT r 2 3 2.提出问题：开普勒三大定律为我们描述了行星运动规律， 那么是什么支配着行星绕太阳如此和谐而又有规律地运动呢？ （过度）这节课我们沿着科学家的足迹来探究这一问题。 （二）新课教学 （板书课题） 6.2 太阳与行星间的引力 科学足迹： 一、人类对行星运动规律的原因认识的过程 教：关于行星运动规律原因的认识过程，同学们查询资料后 都有什么收获？ 学：伽利略：一切物体都有合并的趋势。 开普勒：行星的运动是受到了来自太阳的类似于磁力的 作用 。 笛卡尔：在行星的周围有旋转的物质(以太)作用在行星 上，使得行星绕太阳运动。 胡克：行星的运动是太阳吸引的缘故，并且力的大小与 到太阳距离的平方成反比。 （行星运动轨道是圆形） 科学猜想 教：牛顿在前人研究的基础上，提出了更加完整的观点，并 且推测出：太阳和行星的引力与距离的二次方程反比，并阐述了 普通意义下的万有引力定律。 教：同学们思考一下，物体怎样才会不沿直线运动？ 学：需要力，且力与速度不在一条直线上。 教：行星绕太阳运动就需要力，这个力由什么提供？ 学：太阳对行星的引力使行星绕太阳运动。 二、引力的推导 （过度）这一节和下一节，我们将追寻牛顿的足迹，用自己 的手和脑，重新发现“万有引力定律”。 〔建立模型〕 教：行星的运动轨迹实际是椭圆，但我们还不了解，椭圆运 动规律怎么办？同学们，我们来看看八大行星的运动轨道数据， 从表中分析半长轴和半短轴的差距。 行星 轨道半长轴（106km） 轨道半短轴（106km） 水星 57．9 56．7 金星 108．2 108．1 地球 149．6 149．5 火星 227．9 226．9 木星 778．3 777．4 土星 1427．0 1424．8 天王星 2882．3 2879．1 海王星 4523．9 4523．8 学生活动：粗略计算时，可忽略半长轴和半短轴的差距，即 把行星绕太阳的运动看做圆周运动。 〔小组讨论〕 教：这个圆周运动是匀速的还是变速的呢？ 引导学生从开普勒第二定律角度小组讨论分析。 讨论结果：对任意一个行星来说，它与太阳的连线，在相等 的时间内扫过相等的面积，若看做圆周运动，则说明相等时间内 走过的弧长相等，所以行星绕太阳做匀速圆周运动。 〔科学探究〕 教：做匀速圆周运动的物体需要向心力，那么行星绕太阳做 匀速圆周运动的向心力由什么来提供呢？ 学：太阳对行星的引力提供行星绕太阳做圆周运动的向心 力。 【探究 1】：太阳对行星的引力 F 教：太阳对行星的引力 F 与行星到太阳的距离 r 有什么样定 量关系呢？       T rv r vmF 2 2 ＝         kT r T mrF 2 3 2 24＝  2 24 r kmF ＝  2r mF  教：行星运动速度 V，不容易测量，怎么办？ 学：消去 v（行星运行轨道周期 T 容易测量）       T rv r vmF 2 2 ＝  2 24 T mrF ＝ 教：能不能根据这个关系式，得到 rF  呢？ 学：不能，不同行星 T 不同。要得到 F 与 r 关系,不能出现 T，消去 T(用开普勒第三定律)        kT r T mrF 2 3 2 24＝  2 24 r kmF ＝ 教：k 值与什么量有关？ 学：与太阳有关的常量，与行星无关。即 2r mF  学生讨论结果：m 是行星质量，行星为受力物体，即 m 是 受力物体的质量。 这表明：太阳对行星的引力与行星的质量成正比，与行星和 太阳距离的二次方成反比。 【探究 2】：行星对太阳的引力 'F 教：刚才以行星为研究对象，得到太阳对行星的引力，下面 我们以太阳为研究对象，看看行星对太阳的引力 'F 什么特征？ 引导学生：分析探究 1 中结论，运用类比法，及牛顿第三定 律进行讨论。 学生活动：对力 'F ，太阳是受力物体，根据牛顿第三定律， 太阳也要受到行星大小相等方向相反的引力作用，太阳对行星， 行星对太阳的引力是同种性质的力，那么行星对太阳的引力也应 该与太阳的质量成正比。（讨论、推导、交流） 活动结果：行星对太阳的引力也应该与太阳的质量成正比。 2 2 '4' r mkF ＝ 或 2' r MF  （M 为太阳质量， 'k 是与行星有关的常数） 【探究 3】：太阳与行星间的引力 F 教：太阳对行星的引力和行星对太阳的引力有什么关系？你 能结合探究 1、探究 2 中内容得到什么关系？ 学：这两个力是作用力与反作用力的关系，根据牛顿第三定 律可知： 'FF＝ 教：如果把这个结论进一步拓展，你还能得到什么结论？ 学：……，可以得到太阳与行星间的引力： 2r MmF  结论： 2r MmGF＝ (G 为比例系数，与太阳、行星质量无关)， 方向：太阳与行星间引力的方向沿着二者的连线。 适用范围：太阳与行星间的引力 回顾内容：教：今天我们学到了什么？ 古人观点 牛顿思考 理论验算 总结规律        2 2 ' r MF r mF 2r MmGF＝ 课堂练习： 1、下列关于行星对太阳的引力的说法中正确的是（ ） A.行星对太阳的引力与太阳对行星的引力是同一性质的力 B.行星对太阳的引力与太阳的质量成正比，与行星的无关 C.太阳对行星的引力大于行星对太阳的引力 D.行星对太阳的引力大小与太阳的质量成正比，与行星距 太阳的距离成反比 2、两个行星的质量分别为 m1 和 m2，绕太阳运行的轨道半径 分别是 r1 和 r2，若它们只受太阳引力的作用，那么这两个行星的 向心加速度之比为（ ） A、1 B、 22 11 rm rm C、 12 12 rm rm D、 2 1 2 2 r r 课后思考:地球对月球的引力与地球吸引地球表面物体的力 有没有相同点。