《太陽與行星間的引力》教學設計.doc

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《太陽與行星間的引力》教學設計 　　【學習內容分析】 　　在行星運動規(guī)律與萬有引力定律兩節(jié)內容之間安排本節(jié)內容，是為了更突出發(fā)現萬有引力定律的這個科學過程。如果說上一節(jié)內容是從運動學角度描述行星運動的話，那么，本節(jié)內容是從動力學角度來研究行星運動的，研究過程是依據已有規(guī)律進行的演繹推理過程。教科書在尊重歷史事實的前提下，通過一些邏輯思維的鋪墊，讓學生以自己現有的知識基礎身于歷史的背景下，經歷一次“發(fā)現”萬有引力的過程，因此體驗物理學研究問題的方法就成為主要的教學目標。 　　【學情分析】 　　在學太陽對行星的引力之前，學生已經對力、重力、向心力、加速度、重力加速度、向心加速度等概念有了較好的理解，并且掌握自由落體運動和圓周運動等運動規(guī)律，能熟練運用牛頓運動定律解決動力學問題。已經完全具備深入探究和學習萬有引力定律的起點能力。所以在推導太陽與行星運動規(guī)律時，教師可以要求學生自主地運用原有的知識進行推導，并要求說明每一步推理的理論依據是什么，教師僅在難點問題上做適當的點撥。 　　【教學目標】 　　一、知識與技能 　　1．了解關于行星繞太陽運動的不同觀點和引力思想形成的歷程。 　　2．知道行星繞太陽運動的原因，知道太陽與行星間存在著引力作用，知道行星繞太陽做勻速圓周運動向心力來源。 　　3．知道太陽與行星間引力的方向和表達式，知道牛頓定律在推導太陽與行星間引力時的作用，領會將不易測量的物理量轉化為易測量物理量的方法。 　　二、過程與方法 　　1．追尋得出太陽與行星間引力的科學探究過程，認識科學探究中交流和獨創(chuàng)的意義； 　　2．了解物理學的研究方法，認識物理模型和數學工具在物理學發(fā)展過程中的作用； 　　3．通過思維程序“提出問題→猜想與假設→理論分析→實驗觀測→驗證結論”培養(yǎng)學生探究思維能力。 　　三、情感態(tài)度與價值觀 　　1．領略自然界的奇妙與和諧，蘊涵其中的規(guī)律之簡潔，發(fā)展對科學的好奇心與求知欲，樂于探究自然界的奧秘，體驗探索自然規(guī)律的艱辛與喜悅。 　　2．培育與他人合作的精神，將自己的見解與他人交流的愿望。 　　【教學重難點】 　　1．太陽與行星間的引力的推導思路和過程。 　　2．突出教學重難點的方法：引導學生動手參與推導過程，關注學生推導細節(jié)并及時交流和反饋，總結推導步驟；教師呈現推導過程要層次分明，突出關鍵。 　　【教學資源】 　　1．教學課件（PPT文件） 　　2．行星運動數據 　　3．多媒體教學設備 　　【教學流程圖】 　　【教學過程設計】 　　復習舊課： 　?。ㄒ龑W生回答，教師及時糾正補充） 　　教師活動：請同學們從運動的描述角度思考，開普勒行星運動定律的物理意義？（提問） 　　學生活動：第一定律揭示了描述行星運動的參考系、及其運動軌跡；第二定律揭示了行星在橢圓軌道上運動經過不同位置的快慢情況，近日點附近速度大，遠日點附近速度??；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。 　　教師活動：課件展示開普勒三定律： 　　開普勒第一定律也叫橢圓軌道定律，它的具體內容是：所有行星分別在大小不同的軌道上圍繞太陽運動。太陽在這些橢圓的一個焦點上。他的這條定律否定了行星軌道為圓形的理論。 　　開普勒第二定律：對任意行星來說，他與太陽的連線在相等的時間內掃過相等的面積。 　　開普勒第三定律的具體表述是：行星繞太陽運動軌道半長軸R的立方與運動周期T的平方成正比。 　　 　　教師活動： 　　開普勒在1609和1619年發(fā)表了行星運動的三個定律，解決了描述行星運動的問題，但好奇的人們，面向天穹，深情地叩問：是什么力量支配著行星繞著太陽做如此和諧而有規(guī)律的運動呢？（問題的提出：） 　　引導學生思考： 　　問題1：行星在橢圓軌道上運動是否需要力？這個力是什么力提供的？大小跟太陽與行星間的距離有什么關系嗎？ 　　學生活動：行星在橢圓軌道上運動需要力，這個力可能是太陽與行星之間引力提供的，大小跟太陽與行星間的距離應有關。 　　問題2：行星的實際運動是橢圓運動，但我們還不知道求出橢圓運動加速度的運動學公式，我們現在怎么辦？把它簡化為什么運動呢？ 　　學生活動：猜測可以簡化為圓周運動。 　　問題3：既然把行星繞太陽的運動簡化為圓周運動。那么行星繞太陽的運動可進一步簡化為勻速圓周運動嗎？為什么？ 　　學生活動：猜測可以簡化為勻速圓周運動。 　　教師活動：多媒體展示八大行星的軌道數據： 行星 軌道半長軸（106km） 軌道半短軸（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 　　觀察八大行星的軌道半長軸與半短軸的區(qū)別并結合開普勒第二定律的內容得到結論：行星繞太陽的運動可以看作是勻速圓周運動。（簡化模型） 　　教師活動： 　　總結：行星做曲線運動→必受到力的作用→把行星繞太陽的運動簡化為圓周運動→進一步簡化為勻速圓周運動。 　　設計說明：依照已學知識點提出問題，然后讓學生個體作答解決問題，同時不斷拋出新的討論點，引導學生積極參與討論探究。模型簡化也經過先猜測再推理的過程。 　　【新課教學】 　　一、人類對行星運動規(guī)律原因認識的過程： 　　教師活動：介紹十七世紀前以及伽利略，開普勒，笛卡兒的觀點： 　　17世紀前：行星理所應當的做這種完美的圓周運動； 　　伽利略：一切物體都有合并的趨勢，這種趨勢導致物體做圓周運動； 　　開普勒：受到了來自太陽的類似于磁力的作用。 　　笛卡兒：在行星的周圍有旋轉的物質作用在行星上，使得行星繞太陽運動。 　　進一步介紹： 　　到牛頓這個時代的時候，科學家們對這個問題有了更進一步的認識，例如胡克、哈雷等，他們認為行星繞地球運動受到太陽對它的引力，甚至證明了行星軌道如果為圓形，引力的大小跟太陽距離的二次方成反比，但無法證明在橢圓軌道下，引力也遵循這個規(guī)律。（猜想與假設） 　　牛頓在前人的基礎上，證明了如果太陽和行星的引力與距離的二次方成反比，則行星的軌跡是橢圓，并且闡述了普遍意義下的萬有引力定律。 　　過渡： 　　這一節(jié)和下一節(jié)，我們將追尋牛頓的足跡，用自己的手和腦，重新“發(fā)現”萬有引力定律。由于受到數學知識的限制，我們要對行星繞太陽的運動進行簡化，簡化為勻速圓周運動。 　　二、引力的推導： 　　教師活動：太陽與行星間的引力F跟行星到太陽的距離有關，然而它們之間有什么定量關系呢？關于這個問題我們可以將行星的運動簡化行星繞太陽做勻速圓周運動。那么太陽對行星的引力，就等于行星做勻速圓周運動的向心力。如果設行星的質量為m，速度為v，運行周期為T，行星到太陽的距離為r，則行星繞太陽做勻速圓周運動的向心力可以怎樣表示？ 　　學生活動：向心力可以表示為 = 　　教師活動：在天文觀測中我們應該用哪個方程來探究向心力呢？ 　　學生活動：天文觀測中難以直接得到行星運動的速度v，但可以得到行星公轉的周期T，因此應該用來表示向心力。 　　教師活動：能不能根據得到的結論？ 　　學生活動：不同行星的公轉周期是不同的，所以不能說。 　　教師活動：而且要尋找F跟的關系，那么表達式中就不應該出現周期T，所以要設法消去上式中的T，應該怎么消呢？ 　　學生活動：可以把開普勒第三定律變形為，代入上式得到： 　　或① 　　教師活動：我們注意到K是一個與行星無關，而僅與太陽有關的常數，這表明太陽對不同行星的引力，與行星的質量成正比，與行星和太陽間距離的二次方成反比。 　　教師活動：但是，如果中心天體的質量發(fā)生變化，引力F變不變呢？ 　　用疊加的觀點分析此問題，可以得出：F將變化，且M增大，F也增大；反之亦然。很顯然，F還應與中心天體的質量M有關，它們之間有什么關系呢？怎樣研究F與M的關系呢？（思考1分鐘） 　　思路分析：剛才我們選擇行星為研究對象，研究的結果中并沒有出現太陽質量M。下面我們不妨嘗試以太陽為研究對象，看看行星對太陽的引力什么特征？ 　　對于太陽對行星的引力，太陽是施力物，而根據牛頓第三定律，太陽也要受到行星大小相等，方向相反的引力作用，對于這個引力，太陽又是受力物。對稱性是許多物理規(guī)律的一個重要特性。如果太陽與行星，行星與衛(wèi)星間的引力是同種性質的力，那么行星對太陽的引力是不是也應該與太陽的質量成正比呢？如果這個猜想是正確的，那么行星對太陽的引力又可以表示成什么呢？ 　　學生活動：（討論、推導、交流）， 或②（M為太陽質量，是與行星有關的常數） 　　教師活動：很好，太陽對行星的引力和行星對太陽的引力有什么關系？你能結合①、②式得到什么關系？ 　　學生活動： 　教師活動：這個結論也可以寫成： ，方向：太陽與行星間引力的方向沿著二者的連線。 　　適用范圍：太陽與行星間的引力 　　教師活動：上面，我們用自己的手和腦，得到了太陽與行星間的引力公式。我們今天得到的結論是萬有引力定律么？ 　　講述：通過演繹推理得到的結論，推廣到一般意義上的規(guī)律，在科學上是十分嚴謹的事情，需要經過實踐和實驗的檢驗。 　　設計說明：書本上根據太陽對不同行星的引力，行星對太陽的引力，推導太陽與行星間的引力為過于牽強附會，不符合學科的認知規(guī)律，學生不易接受,學生感到很茫然，而用該方法思路過程很嚴密,學生容易掌握。 　　【板書設計】 太陽與行星間的引力 　　探究1．行星饒?zhí)栠\動向心加速度為，根據牛頓第二定律， 　　太陽對不同行星的引力： 　　探究2（1）太陽對行星的引力大小： 　　結論：或 （1） 　?。?）行星對太陽的引力 　　結論： 或（2） 　?。?）由（1）、（2）式得 　?。?）太陽與行星間的引力： 　　 是比例系數，與太陽、行星都沒有關系 　　方向：太陽與行星間引力的方向沿著二者的連線。 　　適用范圍：太陽與行星間的引力 　　【教學反思】 　　為了讓學生掌握建立物理模型、運用數學工具進行數學推導發(fā)現物理規(guī)律的研究方法，教學中應該調動學生參與探究的過程，這需要教師的引導，為此，本節(jié)課采用“導探”式教學法，即在教師的引導下，讓學生通過獨立思考、合作交流、小組討論的方式完成探究的過程，讓學生真正體驗科學探究的方法。 　　太陽與行星間的引力一節(jié)，是為了更突出發(fā)現萬有引力定律的這個科學過程。如果照搬教材的內容，教學時間顯得太寬松，并且最后推導不太嚴密,學生不易接受,而且并不能讓學生充分的體會牛頓的科學智慧。所以筆者在實際教學中對教材中關于太陽與行星間的引力的推導過程做了改進并用了兩種不同的方法,這樣不僅教學時間變得緊湊，更重要是讓學生體驗了：從問題的提出、猜想與假設、演繹與推理、結論的得出等更為完整的探究過程． 　　【創(chuàng)新點】 　　1．根據行星與太陽之間距離和行星饒?zhí)栃D的周期數據通過EXCEL軟件探究行星饒?zhí)栃D的加速度與半徑的關系； 　　2．通過嚴謹合理的數學推導得，學生知道它的來龍去脈，真正理解其中道理，更容易接受。