高中物理人教版必修 第二册 2. 万有引力定律教学设计.docxVIP

2.万有引力定律

课程：高中物理

教材：高中物理人教版必修第二册

章节：2.万有引力定律

教材分析

万有引力定律在力学体系中承上启下，既是对圆周运动与开普勒定律的深化应用，又为后续天体运动计算奠定基础。其核心在于建立质量与距离的定量关系F=Gm1m2r2，体现了物质间普遍相互作用的物理观念。教材通过历史脉络呈现知识发展，先由行星运动推导太阳系模型，再经月地检验推广到普遍规律，最后通过卡文迪什实验确立引力常量，这种递进式架构强化了科学发现逻辑。圆周运动与开普勒定律的数学推导是理解定律的关键，其中将周期T转化为距离r的运算涉及变量代换技巧。学生易在三个方面产生困惑：一是混淆向心力公式

学情分析

学生已掌握匀速圆周运动、向心力、牛顿运动定律及开普勒行星运动定律等基础知识，具备初步的物理建模和公式推导能力。高中学生在认知上逐渐从具体思维向抽象思维过渡，对自然现象背后的统一规律有强烈好奇心，尤其对“天体运动”与“地面物体”是否遵循相同规律存在探究兴趣。本节重点在于引导学生理解万有引力的提出过程及其普适性，难点是通过逻辑推理将开普勒定律与牛顿定律结合，得出引力与质量成正比、与距离平方成反比的关系，并理解“月—地检验”的思想意义，要求学生具备较强的综合分析和科学推理能力。

教学目标

物理观念：

能够运用万有引力定律分析天体运动现象，理解引力与质量、距离的定量关系。

科学思维：

通过牛顿推导万有引力定律的过程，体会从特殊到一般的科学推理方法。

科学探究：

会设计实验验证万有引力定律的基本假设，并能分析引力常量测量的科学意义。

科学态度与责任：

认识到万有引力定律揭示的自然界统一性，培养追求科学真理的探索精神。

重点难点

教学重点：

通过牛顿的思考过程，理解太阳与行星间引力的推导逻辑

通过月—地检验，掌握万有引力定律的普适性依据

教学难点：

通过开普勒定律与牛顿定律结合，理解引力与距离平方成反比的推导

通过引力常量的测量背景，理解万有引力定律验证的困难与意义

课堂导入

同学们，你们是否注意到一个有趣的现象：当我们用绳子拴住一个小球快速旋转时，小球会绕着手指做圆周运动，而一旦松开绳子，小球就会沿直线飞出去。同样地，地球绕着太阳转动，月球绕着地球转动，它们为什么不会像松开绳子的小球那样飞走呢？是什么神秘的力量在维持着这些天体的运动？让我们从这个小实验出发，思考一个更深层次的问题：自然界中是否存在一种普遍适用的力，支配着从微小物体到浩瀚天体的运动规律？

牛顿的思考与猜想

探究新知

创设情景

在操场上，同学们用力抛出一个球，球沿着曲线运动而不是直线飞出。这说明球的速度方向发生了改变。根据日常经验，物体速度方向的改变总是需要某种力的作用，比如绳子拉力使小球做圆周运动。类似地，行星在轨道上持续改变运动方向，绕太阳运行，这种现象背后必然存在某种力的作用。

问题探讨

问题：

问题1：为什么行星不会沿直线飞走，而是围绕太阳运动？

问题2：如果行星的运动方向不断改变，是否意味着它受到了某个力的作用？这个力的方向可能指向哪里？

问题3：太阳与行星之间是否存在相互作用力？如果有，这个力可能与哪些因素有关？

问题4：如何利用开普勒定律和牛顿运动定律推断太阳对行星的引力规律？

探讨：

问题1：行星不沿直线运动，说明其运动状态发生了改变。根据牛顿对惯性运动的理解，物体若不受力将保持匀速直线运动。因此，行星偏离直线路径必然是因为受到了外力作用。

问题2：速度方向的改变属于速度的变化，而根据牛顿的观点，任何速度的改变都需要力的作用。行星沿椭圆轨道运动，其速度方向始终在变，所需的力应指向轨道的弯曲中心。对于椭圆轨道，这一中心正是太阳所在的一个焦点，因此该力应指向太阳。

问题3：既然行星受到指向太阳的力，而太阳本身几乎静止，说明太阳是施力物体。这种力被称为太阳对行星的引力。胡克等人曾猜测这种力与距离平方成反比，但缺乏理论支撑。

问题4：结合开普勒第二定律（面积速度恒定）和牛顿第二定律F=ma，可推导出行星的向心加速度与太阳引力相关。进一步分析表明，引力大小与行星到太阳距离的平方成反比，即

归纳总结

力的作用必要性：使物体不沿直线运动需要力的作用。

引力方向：行星绕太阳运动所需的力指向椭圆轨道的一个焦点，即太阳所在位置。

引力来源：太阳对行星存在引力作用，是维持行星轨道运动的原因。

引力规律推测：若行星轨道为圆形，太阳对行星的引力大小与它们之间距离的二次方成反比。

理论基础建立：牛顿利用运动定律将行星的向心加速度与太阳引力联系起来，奠定了万有引力定律的基础。

概念深化

问题

为什么即使没有直接接触，太阳也能对遥远的行星施加引力？这种超距作用在牛顿时代是如何被理解和接受的？

答案

在牛顿时代，科学家尚未揭示引力的本质机制，但通过数