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2019-2020年人教版必修二6.2《太陽與行星間的引力》WORD教案1 科目 物理 年級(jí) 高一 班級(jí) 時(shí)間 xx年 3月 日 課題：（人教必修2）第六章第二節(jié)：太陽與行星間的引力 教 學(xué) 目 標(biāo) 1.知識(shí)與技能 （1）了解關(guān)于行星繞太陽運(yùn)動(dòng)的不同觀點(diǎn)和引力思想形成的歷程。 （2）在開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律、勻速圓周運(yùn)動(dòng)知識(shí)和牛頓運(yùn)動(dòng)定律的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)得到太陽與行星間的引力的表達(dá)式，并初步理解其物理意義。 2.過程與方法 （1）追尋得出太陽與行星間引力的科學(xué)探究過程，認(rèn)識(shí)科學(xué)探究中交流和獨(dú)創(chuàng)的意義。 （2）了解物理學(xué)的研究方法，認(rèn)識(shí)物理模型和數(shù)學(xué)工具在物理學(xué)發(fā)展過程中的作用。 （3）通過推導(dǎo)太陽與行星間的引力公式，體會(huì)邏輯推理在物理學(xué)中的重要性． 3.情感態(tài)度與價(jià)值觀 （1）感受太陽與行星間的引力關(guān)系，從而體會(huì)大自然的奧秘．領(lǐng)略自然界的奇妙與和諧，蘊(yùn)涵其中的規(guī)律之簡潔，發(fā)展對(duì)科學(xué)的好奇心與求知欲，樂于探究自然界的奧秘，體驗(yàn)探索自然規(guī)律的艱辛與喜悅。 （2）通過探究體驗(yàn)“發(fā)現(xiàn)”的樂趣．體驗(yàn)邏輯推理的樂趣，提高分析問題、解決問題。 3）培育與他人合作的精神，將自己的見解與他人交流的愿望，和勇于修正錯(cuò)誤的科學(xué)精神。 教 材 分 析 重點(diǎn)：太陽與行星間引力的推導(dǎo)。 突出教學(xué)重點(diǎn)的方法：通過有效問題的設(shè)置，引導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手參與推導(dǎo)過程，關(guān)注學(xué)生推導(dǎo)細(xì)節(jié)并及時(shí)交流和反饋，總結(jié)推導(dǎo)步驟；過程中突出層次關(guān)系，抓住關(guān)鍵。 難點(diǎn)：太陽與行星間引力的推導(dǎo)。 突破教學(xué)難點(diǎn)的策略：有效設(shè)置問題，啟發(fā)和引導(dǎo)學(xué)生思考并界定問題、預(yù)定目標(biāo)，明確達(dá)成目標(biāo)過程中的每一步的研究對(duì)象、物理模型、物理規(guī)律和數(shù)學(xué)工具。 教 學(xué) 過 程 設(shè) 計(jì) 一、新課引入： 在有些人看來，物理是枯燥、難懂的，其實(shí)物理學(xué)是優(yōu)美的，不過它的美表現(xiàn)在基本物理規(guī)律的簡潔和普遍性，并且是含蓄的，隱蔽的，因此有時(shí)很難讓人所領(lǐng)會(huì)。萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)堪稱一部逐步揭示物理規(guī)律簡潔美的壯麗史詩。上窮碧落下黃泉，天上人間，凡有引力參與的一切復(fù)雜現(xiàn)象，無不歸結(jié)為一條簡潔的定律，真可謂“囊括萬殊，裁成一相”。因此從本節(jié)課開始，我們來探索萬有引力定律的美之所在。首先，讓我們從回顧開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律開始本節(jié)課的探究之旅。 1、開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律的內(nèi)容是什么？從運(yùn)動(dòng)的描述角度看，分別描述了什么物理情景？ 第一定律：所有行星繞太陽運(yùn)動(dòng)的軌道都是橢圓，太陽處在橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上； 第一定律指明了研究行星運(yùn)動(dòng)的參考系、及行星運(yùn)動(dòng)的軌跡； 第二定律：對(duì)任意一個(gè)行星來說，它與太陽的連線在相等的時(shí)間內(nèi)掃過相等的面積； 第二定律揭示了行星在橢圓軌道上運(yùn)動(dòng)經(jīng)過不同位置的快慢情況，近日點(diǎn)附近速度大，遠(yuǎn)日點(diǎn)附近速度小； 第三定律：所有行星的軌道的半長軸的三次方跟它的公轉(zhuǎn)周期的二次方的比值都相等。 第三定律：揭示了不同行星雖然橢圓軌道和環(huán)繞周期不同，但由于中心天體相同，所以共同遵循軌道半長軸的三次方與周期的二次方比值相同的規(guī)律。 二、新課講授： 1、探究引力的存在 問：開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律揭示了行星的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，回答了人們千百年來一直追尋的 “行星怎樣運(yùn)動(dòng)”的問題。然而好奇的人們，卻并不滿足，他們面向天穹，深情地叩問：行星為什么要這樣運(yùn)動(dòng)？是什么力量支配著行星繞著太陽做如此和諧而有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)呢？ 學(xué)生猜想是什么原因，并根據(jù)自己已有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)初步說出理由。 經(jīng)過若干個(gè)學(xué)生的發(fā)言、補(bǔ)充后，組織學(xué)生理出邏輯順序： 橢圓運(yùn)動(dòng)（至少速度變方向）→變速運(yùn)動(dòng)→加速度（由牛頓第二定律）→合外力→引力 　 　評(píng)價(jià)：大家之所以能順利地確定引力存在是由于我們所處的時(shí)代，是由于上一章我們學(xué)過的圓周運(yùn)動(dòng)的知識(shí)，你知道幾百年前科學(xué)剛剛萌芽發(fā)展的時(shí)代科學(xué)家們（不是一般民眾）怎樣回答的這個(gè)問題嗎？ 閱讀媒體素材：了解歷史上人們關(guān)于行星運(yùn)動(dòng)原因的猜想 簡單介紹開普勒、笛卡兒、胡克、哈雷、牛頓等人的觀點(diǎn)，其中開普勒認(rèn)為是太陽發(fā)出的磁力；笛卡兒認(rèn)為是流質(zhì)渦旋帶動(dòng)；胡克、哈雷認(rèn)為是太陽引力，甚至證明了如果行星軌道是圓形的，引力大小跟軌道半徑的平方成反比（但對(duì)于橢圓軌道他們無法證明）；牛頓支持胡克、哈雷的觀點(diǎn)，而且對(duì)橢圓軌道也做了嚴(yán)格的證明。（圖片：流質(zhì)渦旋帶動(dòng)可以以一個(gè)水的漩渦形象替代） 評(píng)價(jià)：由于流質(zhì)渦旋帶動(dòng)符合人們的生活經(jīng)驗(yàn)，所以當(dāng)時(shí)被廣泛接受，甚至牛頓都是在信仰這種學(xué)說中長大的，因此牛頓敢于堅(jiān)持引力說是需要很大的勇氣的。當(dāng)然這種勇氣也來自他廣泛汲取的別人的成就，包括歐幾里得數(shù)學(xué)，阿基米德靜力學(xué)，開普勒定律，伽利略運(yùn)動(dòng)理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，慣性概念，惠更斯的向心力等，同時(shí)亦來自于他自己的研究思考成果：后來出版的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》的初步理論。下面我們就沿著牛頓的足跡來探究太陽及行星間的引力 2、探究太陽對(duì)行星引力大小 問3：既然太陽對(duì)行星有一種引力，那么這個(gè)引力是由哪些因素決定的呢？大小、方向如何呢？ 1、猜想：請(qǐng)同學(xué)們猜一猜這個(gè)引力大小跟什么有關(guān)？不說根據(jù)。 　　學(xué)生能猜出距離、二者質(zhì)量，但很可能也會(huì)說出行星周期、線速度、角速度等。 2、驗(yàn)證思路：有什么辦法來驗(yàn)證你的結(jié)論的正確性？ 　 學(xué)生討論出：由運(yùn)動(dòng)情況（通過運(yùn)動(dòng)學(xué)公式）→加速度（通過牛頓第二定律）→受力情況。（即已知力的作用規(guī)律，可以推測物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；已知物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，也可以推測力的作用規(guī)律。開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律既然描述了行星繞太陽運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，那么就可以根據(jù)這個(gè)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，推測太陽對(duì)行星作用力的規(guī)律。簡單地說，就是把解決問題歸結(jié)為“已知運(yùn)動(dòng)求力”的動(dòng)力學(xué)問題。） 牛頓運(yùn)動(dòng)定律 運(yùn)動(dòng) 力 M m F r 　　過渡介紹：在牛頓所處時(shí)代，行星的運(yùn)動(dòng)情況觀測資料已經(jīng)相當(dāng)豐富，因此得出行星受到的引力的表達(dá)式是可能的，但是運(yùn)動(dòng)軌跡橢圓難倒了胡克、哈雷等，也使牛頓困惑了許多年，直到他用自己發(fā)明的微積分解決了問題（歷史上是否如此呢？缺乏考證）。我們不會(huì)微積分，因此我們研究不了橢圓，但是多數(shù)行星的軌道十分接近圓，因此我們現(xiàn)在就通過圓軌道用剛才的思路導(dǎo)出太陽對(duì)行星引力的表達(dá)式，驗(yàn)證我們的猜測，同時(shí)再現(xiàn)牛頓當(dāng)時(shí)的思維過程。 3、模型簡化： 問：行星軌道按圓處理，開普勒定律怎樣表述？ 　　（投影出答案） 4、驗(yàn)證推理： 問：若已知某行星勻速圓周運(yùn)動(dòng)軌道半徑為r， 線速度為v，質(zhì)量為m行，則它需要的向心力多大？　　F需向=m行 　　引導(dǎo)：天文觀測能直接得到行星的線速度嗎？能直接觀測出什么？應(yīng)該怎樣變化剛才的公式？ 　　將代入得F需向= 　　引導(dǎo)：這是行星需要的向心力，我們要求的是太陽對(duì)行星的引力，這兩個(gè)力有何關(guān)系嗎？ 　　F太陽對(duì)行星=F需向= 　　引導(dǎo)：我們知道引力應(yīng)該是某種性質(zhì)的力，不管行星運(yùn)動(dòng)還是靜止都應(yīng)該存在這個(gè)力，因此太陽對(duì)行星的引力大小應(yīng)該與行星的周期是無關(guān)的，僅與兩個(gè)星球本身情況有關(guān)，即以上得到的僅是太陽對(duì)行星的引力計(jì)算式，而不是決定式！為找到引力的決定式，我們必須將周期T去掉？怎么辦呢？ 引導(dǎo)：由開普勒第三定律得，代入得F太陽對(duì)行星= 　　再共同分析出公式中除了m行、r2以外，其余都是常量，對(duì)任何行星都相同，這才是只跟距離以及天體本身有關(guān)的表達(dá)式，即太陽對(duì)行星引力的決定式。 　　總結(jié)上式的物理意義，并給出簡化式：F太陽對(duì)行星 　 3、探究行星對(duì)太陽引力大小 問：剛才我們猜測到太陽對(duì)行星的引力應(yīng)該與雙方的質(zhì)量均有關(guān)，直覺告訴我們這個(gè)猜測是正確的，可是我們得出的結(jié)論好像只與行星質(zhì)量有關(guān)，難道我們猜測錯(cuò)了嗎？ 　　引導(dǎo)學(xué)生觀察等式F太陽對(duì)行星=討論出結(jié)論：公式中的常數(shù)k是開普勒第三定律中的常數(shù)，此常數(shù)是一個(gè)與行星無關(guān)而與太陽有關(guān)的量，與太陽的什么有關(guān)，最可能就是質(zhì)量，因此說太陽對(duì)行星的引力與雙方的質(zhì)量均有關(guān)。 　　問：那么與太陽質(zhì)量到底有什么關(guān)系呢？怎樣研究這一問題呢？ 　　引導(dǎo)學(xué)生討論得出研究思路：如果還是研究太陽對(duì)行星的引力，只能到上式為止，不可能再有什么突破，何不研究行星對(duì)太陽的引力呢？因?yàn)樘枌?duì)行星的引力和行星對(duì)太陽的引力是一對(duì)作用力與反作用力，二者同性質(zhì)且等大。 　　（以上這兩個(gè)問題的設(shè)計(jì)目的就是為了由討論太陽對(duì)行星的引力向討論行星對(duì)太陽引力進(jìn)行過渡，讓學(xué)生理解這種研究方向的轉(zhuǎn)變是一種思維的必然，同時(shí)也讓學(xué)生體會(huì)到牛頓能夠轉(zhuǎn)變這種研究方向，其思維技巧多么高超。） 問：行星對(duì)太陽的引力跟太陽的質(zhì)量有什么關(guān)系呢？ 　　引導(dǎo)學(xué)生討論。利用施力物與受力物互換的辦法得出：F行星對(duì)太陽。另一種應(yīng)該利用運(yùn)動(dòng)相對(duì)性的辦法，行星圍繞太陽做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，若以行星為參考系，太陽也在繞行星做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，即若行星繞太陽轉(zhuǎn)了一周，以行星為參考系，太陽也繞行星轉(zhuǎn)了一周。 　　4、行星與太陽之間的引力大小 問：既然太陽對(duì)行星的引力與行星對(duì)太陽的引力是一對(duì)作用力與反作用力，二者同性質(zhì)且等大，那么它們的大小應(yīng)該是相同的表達(dá)式，因此 F太陽對(duì)行星與F行星對(duì)太陽應(yīng)該能合二為一，你能辦到嗎？ 　　組織討論得出F太陽與行星之間 　　（學(xué)生可能得出r4，組織學(xué)生評(píng)價(jià)是否正確） 　　問：該式的物理意義，問能否寫成等式？ 　　F太陽與行星之間 　　G是比例系數(shù)，與行星和太陽質(zhì)量均無關(guān)。 　?。蓪⒁陨详P(guān)鍵步驟列出投影出示） 　?。ㄒ陨细鞴降哪_標(biāo)只是為了強(qiáng)調(diào)物理意義，本節(jié)課是必需的，以后不是必需的） 　5、總結(jié) 　　（一）將本節(jié)課的探究過程的幻燈片最后重新播放一遍，替代總結(jié)。 （二）點(diǎn)評(píng)邏輯思維的嚴(yán)謹(jǐn)與巧妙，提醒學(xué)生感悟、學(xué)習(xí)這種思維。 　6、課堂練習(xí) 1、下列說法正確的是（ ） A.行星繞太陽的橢圓軌道可以近似的看作圓形軌道，其向心力來源于太陽對(duì)行星的引力； B．太陽對(duì)行星的引力大于行星對(duì)太陽的引力，所以行星繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)而不是太陽繞行星運(yùn)轉(zhuǎn)； C．太陽對(duì)行星的引力關(guān)系不適用于地球?qū)πl(wèi)星的作用力； D．行星與衛(wèi)星之間的引力，地面上的物體所受的重力和太陽對(duì)行星的引力，是性質(zhì)不相同的力。 2．關(guān)于地球和太陽，下列說法正確的是（ ） A.地球?qū)μ柕囊Ρ忍枌?duì)地球的引力??； B.地球繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)的向心力來源于太陽對(duì)地球的引力； C.太陽對(duì)地球的作用力有引力和向心力； D.在地球?qū)μ柕囊ψ饔孟拢柪@地球做圓周運(yùn)動(dòng)。 3.對(duì)于太陽對(duì)行星的引力的表達(dá)式F＝GMm/r2,下面說法正確的是（ ） A．公式中G常量，與太陽和行星均無關(guān)； B．公式中G由太陽與行星間的距離，作用力和質(zhì)量決定； C．M和m受到的引力總是大小相等，方向相反，是一對(duì)平衡力； D．M和m受到的引力總是大小相等，方向相反，是作用力和反作用力。 7作業(yè)：思考上式結(jié)論中是否適用于行星和它的衛(wèi)星，如果要驗(yàn)證你的結(jié)論是否成立 ，我們需要觀測這些衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的哪些數(shù)據(jù)？觀測前你對(duì)這些數(shù)據(jù)的規(guī)律有什么假設(shè)？ 教 學(xué) 反 思