万有引力教学案例

万有引力教学案例

针对本学期教学内容和学生的特点，采取重知识和重概念在此基础上提高学生能力的方法：强调学生的课前预习，争取少讲、精练、多思考。以下是为大家整理的万有引力教学案例资料，提供参考，欢迎阅读。

万有引力教学案例一

一、教学简析

1.教材分析：

本学期期采用的教材为xx育出版社出版的《物理》选修3-1，共分为三章，分别是

第一章静电场、第二章恒定电流、第三章磁场。静电场是高中阶段的基础内容之一，它的核心是电场的概念及描述电场特性的物理量，全章共9节内容，从电荷、电场的角度来研究电学中的基本知识。恒定电流为第二章内容，其主要研究的内容为一些基本的电路知识，主要包括欧姆定律、焦耳定律、串并联电路等，本章的知识须要以静电场的相关知识作为基础，在教学中应注意联系静电场的有关内容。最后一章为磁场，磁场和电场密切联系又具有相似性，因此通过对比，可以对本章内容起到良好的帮助。

2.学生分析：

本届高二学生基础不是太好，但不能降低要求，除对少部分同学要提高要求以外，对大多数学生以掌握基本概念基本规律为主要目的，此外还应适当掌握分析物理问题解决物理问题的方法，并提高能力。

3.教法、学法分析：

针对本学期教学内容和学生的特点，采取重知识和重概念在此基础上提高学生能力的方法：强调学生的课前预习，争取少讲、精练、多思考。培养学生分析问题解决问题的能力。特别培养学生利用数学知识解决物理问题的能力，提高学生的实验动手能力，加强学生实验的教学，加强物理综合知识的分析和讨论。培养学生的综合素质。充分调动学生的主动性、积极性。让学生变成学习的主人。

二、教育目标任务要求

1.认真钻研教学大纲及调整意见、体会教材编写意图。注意研究学生学习过程，了解

不同学生的主要学习障碍，在此基础上制定教学方案，充分调动学生学习主动性。

2.要特别强调知识与能力的阶段性，强调掌握好基础知识、基本技能、基本方法 , 这是能力培养的基础。对课堂例题与习题要精心筛选，不要求全、求难、求多，要求精、求少、求活，强调例题与习题的教育教学因素，强调理解与运用。

3.加强教科研工作，提高课堂效率。要把课堂教学的重点放在使学生科学地认识和理解物理概念和规律、掌握基本科学方法、形成科学世界观方面。要充分利用现代教育技术手段，提高教育教学质量和效益。

4.通过观察实验和推理，归纳出物理概念和物理规律，使学生学习和掌握有关规律，同时着重培养和发展他们的实验能力，以及由实验结果归纳出物理规律的能力。

5.结合所学知识的教学，对学生进行思想品德教育和爱国主义教育，辩证唯物主义的教育。

三、措施

1.严格执行教学处的集体备课制度，提高集体备课质量。每周集体备课，先由上一周安排的每一节教学内容的主备人向全组明确本节的重点、难点、教学方法、主要例题、课后作业、教学案等，然后由全组教师研讨、质疑、确认，形成共案。全组老师要统一教学进度、统一教学规范。

2.制定教学进度。在认真分析教材与学生实际情况的基础之上，确定课时安排。为实现给全体学生奠定一个扎实的物理基础提供合理的时间保证。必修物理将突出文科学生的特点、合理安排，以便保证全年级在学业水平测试中获得满意成绩。

3.提高课堂的教学效率，加强对课堂教学模式的探索。细化每一章每一节的教学要求，明确课时分配及每一节课的课时目标。对每一节课的重难点内容作更深入的分析、探讨，确立突破的方法和途径。加强对各种课型的研究，尤其是探究课。

4.精选习题。针对每一节课的课时目标，精心选择典型习题，做到知识点与习题的"对应。分类编排课堂例题、课外巩固习题、小练检测题、章节复习题。注重学生能力的提高过程。

5.强化作业批改。通过作业批改督促学生端正课外学习的态度、了解学生对知识的理解与掌握、规范学生的答题。为课时目标的确定和分类教学指导提供依据。

6.加强学科组老师的交流与合作。通过听课、评课对教学模式进行探究，提高课堂教学效果;在精选习题过程中，选题与审题分工合作;对每一节课的重难点进行突破时集思广益。

7.充分开发教学资源。加强实验教学，能充分利用实验室提供的器材，利用身边资源开发有价值的小实验为学生提供更多的感性认识。搜集多媒体素材，制作课件，提高教学容量与效果。

8.激发学生学习的兴趣和积极性，促进学生全面发展。成立学习小组，开展研究性学习，培养学生的合作、探究、表达能力;举行学科竞赛，促进学生的特长发展。开设讲座，介绍物理学前沿与物理学家生平，让学生明白科学的价值和意义。

万有引力教学案例二

一、课题：万有引力定律

二、课型：概念课(物理按教学内容课型分为：规律课、概念课、实验课、习题课、复习课)

三、课时：1课时

四、教学目标

(一)知识与技能

1.理解万有引力定律的含义并会用万有引力定律公式解决简单的引力计算问题。

2.知道万有引力定律公式的适用范围。

(二)过程与方法：在万有引力定律建立过程的学习中，学习发现问题、提出问题、猜想假设与推理论证等方法。

(三)情感态度价值观

1.培养学生研究问题时，抓住主要矛盾，简化问题，建立理想模型的处理问题的能力。

2.通过牛顿在前人的基础上发现万有引力定律的思考过程，说明科学研究的长期性，连续性及艰巨性，提高学生科学价值观。

五、教学重难点

重点：万有引力定律的内容及表达公式。

难点：1.对万有引力定律的理解;2.学生能把地面上的物体所受重力与其他星球与地球之间存在的引力是同性质的力联系起来。

六、教学法：合作探究、启发式学习等

七、教具：多媒体、课本等

八、教学过程

(一)导入

回顾以前对月-地检验部分的学习，明确既然太阳与行星之间，地球与月球之间、地球对地面物体之间具有与两个物体的质量成正比，跟它们的距离的二次方成反比的引力。这里进一步大胆假设：是否任何两个物体之间都存在这样的.力?

引发学生思考：很可能有，只是因为我们身边的物体质量比天体的质量小得多，我们不易觉察罢了，于是我们可以把这一规律推广到自然界中任意两个物体间，即具有划时代意义的万有引力定律.然后在学生的兴趣中进行假设论证。

(二)进入新课

学生自主阅读教材第40页万有引力定律部分，思考以下问题：

1.什么是万有引力?并举出实例。

教师引导总结：万有引力是普遍存在于宇宙中任何有质量的物体之间的相互吸引力。日对地、地对月、地对地面上物体的引力都是其实例。

2.万有引力定律怎样反映物体之间相互作用的规律?其数学表达式如何?并注明每个符号的单位和物理意义。

教师引导总结：万有引力定律的内容是：宇宙间一切物体都是相互吸引的。两物体间的引力大小，跟它的质量的乘积成下比，跟它们间的距离平方成反比.式中各物理量的含义及单位：F为两个物体间的引力，单位：N.m1、m2分别表示两个物体的质量，单位：kg，r为两个物体间的距离，单位：m。G为万有引力常量：G=6.67×10-11 N·m2/kg2，它在数值上等于质量是1Kg的物体相距米时的相互作用力，单位：N·m2/kg2.

3.万有引力定律的适用条件是什么?

教师引导总结：只适用于两个质点间的引力，当物体之间的距离远大于物体本身时，物体可看成质点;当两物体是质量分布均匀的球体时，它们间的引力也可直接用公式计算，但式中的r是指两球心间的距离。

4.你认为万有引力定律的发现有何深远意义?

教师引导总结：万有引力定律的发现有着重要的物理意义：它对物理学、天文学的发展具有深远的影响;它把地面上物体运动的规律和天体运动的规律统一起来;对科学文化发展起到了积极的推动作用，解放了人们的思想，给人们探索自然的奥秘建立了极大信心，人们有能力理解天地间的各种事物。

(三)深化理解

在完成上述问题后，小组讨论，学生在教师的引导下进一步深化对万有引力定律的理解，即：

1.普遍性：万有引力存在于任何两个物体之间，只不过一般物体的质量与星球相比太小了，他们之间的万有引力也非常小，完全可以忽略不计。

2.相互性：两个物体相互作用的引力是一对作用力与反作用力。

3.特殊性：两个物体间的万有引力和物体所在的空间及其他物体存在无关。

4.适用性：只适用于两个质点间的引力，当物体之间的距离远大于物体本身时，物体可看成质点;当两物体是质量分布均匀的球体时，它们间的引力也可直接用公式计算，但式中的r是指两球心间的距离。

(四)活动探究

请两名学生上讲台做个游戏：两人靠拢后离开三次以上。创设情境，加深学生对本节知识点的印象和运用，请一位同学上台展示计算结果，师生互评。

1.请估算这两位同学，相距1m远时它们间的万有引力多大?(可设他们的质量为50kg)

解：由万有引力定律得： 代入数据得：F1=1.7×10-7N

2.已知地球的质量约为6.0×1024kg，地球半径为6.4×106m，请估算其中一位同学和地球之间的万有引力又是多大?

解：由万有引力定律得：代入数据得：F2=493N

3.已知地球表面的重力加速度，则其中这位同学所受重力是多少?并比较万有引力和重力?

解：G=mg=490N。

比较结果为万有引力比重力大，原因是因为在地球表面上的物体所受万有引力可分解为重力和自转所需的向心力。

(五)课堂小结

小结：学生在教师引导下认真总结概括本节内容，完成多媒体呈现的知识网络框架图，并把自己这节课的体会写下来、比较黑板上的小结和自己的小结，进行生生互评。

(六)布置作业

作业：完成“问题与练习”。

除却巫山不是云啊～粗略一看觉得还行的样子。

衔接得也太棒了。

公式表示

F: 两个物体之间的引力 G:万有引力常量 m1: 物体1的质量 m2: 物体2的质量

r: 两个物体之间的距离(大小)(r表示径向矢量) 依照国际单位制，F的单位为牛顿(N)，m1和m2的单位为千克(kg)，r 的单位为米(m)，常数G近似地等于

G=6.67×10?11 N·m2/kg2（牛顿平方米每二次方千克）。

由此可知排斥力F一直都将不存在，这意味着净加速度的力是绝对的。（这个符号规约是为了与库仑定律相容而订立的，在库仑定律中绝对的力表示两个电子之间的作用力。）

适用范围

经典万有引力定律反映了一定历史阶段人类对引力的认识，在十九世纪末发现，水星在近日点的移动速度比理论值大，即发现水星轨道有旋紧，轨道旋紧的快慢的实际值为每世纪42.9″。这种现象用万有引力定律无法解释，而根据广义相对论计算的结果旋紧是每世纪43.0″，在观测误差允许的范围内。此外，广义相对论还能较好地解释谱线的红移和光线在太阳引力作用下的偏转等现象。这表明广义相对论的引力理论比经典的引力理论进了一步。

在法拉第和麦克斯韦之后，人们看到物理的实在除了粒子还有电磁场。电磁场具有动量和能量且能传播电磁波。这使人们联想万有引力定律也是物理的实在，能传播引力波，也有许多人努力探测它，但尚无很好的结果。电磁波的传播可用光子解释，类似地，光子也导致引力子概念的引出。万有引力也不再是超距作用，而以引力子为媒介。但这些都是物理学家正在探索的领域。

经典力学的适用范围并引入普朗克常量和真空中光速来界定经典力学的领地。粗糙的说，经典的万有引力定律适用范围也可用一数量表示。现在引入引力半径

，G、m分别表示引力常量和产生引力场的球体的球体的质量，c为光速。用R表示产生力场球体之半径，若，则可用牛顿引力定律。对于太阳，牛顿引力定律无问题；即使是对致密的白矮星，义相对论的。

,应用

，也仍然可用牛顿万有引力定律；至于黑洞和宇宙大爆炸，应当是应用广引力常量

牛顿在推出万有引力定律时，没能得出引力常量G的具体值。G的数值于1789年由卡文迪许利用他所发明的扭秤得出。卡文迪许的扭秤试验，不仅以实践证明了万有引力定律，同时也让此定律有了更广泛的使用价值。

扭秤的基本原理是在一根刚性杆的两端连结相距一定高度的两个相同质量的重物，通过秤杆的中心用一扭丝悬挂起来。秤杆可以绕扭丝自由转动，当重力场不均匀时，两个质量所受的重力不平行。这个方向上的微小差别在两个质量上引起小的水平分力，并产生一个力矩使悬挂系统绕扭丝转动，直到与扭丝的扭矩平衡为止。扭丝上的小镜将光线反射到记录相板上。当扭丝转动时，光线在相板上移动的距离标志着扭转角的大小。平衡位置与扭秤常数和重力位二次导数有关。在一个测点上至少观测3个方位，确定4个二次导数值，测量精度一般达几厄缶。 根据扭力系统的构造形状，分为z型、L型和斜臂式扭秤。z型扭秤由一个轻金属制成的z型秤臂、两个质量相等的重荷和一根细金属丝组成的。两个重荷分别固定在z型秤臂的两端。细金属丝将整个系统悬挂起来，组成一套扭力系统。由于两个重荷处于不同的位置，所以，当通过两个重荷的重力等位面Q?和Q?。互不平行或弯曲时，两个重荷将受到重力场水平分量的作用。当重力场水平分量gH?和gH?的大小和方向不同时，秆臂就要绕着扭丝转动，直到水平旋转的重力矩和扭丝的扭力矩相平衡为止。秤臂偏转的角度除和扭力系统的构造和扭丝的扭力系数有关外，还和两个重荷间的重力变化有关。因此，准确记录扭力系统的偏角，就可以求出重力位的二次导数。由于扭力系统的灵敏度很高，秤臂稳定下来的时间较长。同时还需要在3～5个方向上照相记录，所以，仪器附有自动控制系统，并安放在特制的小房里工作。仪器的操作和测量结果的计算都比较烦琐，每测—个点需要2～3小时，工件效率较低。 扭秤的测量结果用矢量图表示，用一短线表示曲率，矢量方向相应于最小曲率平面的方位，矢量长度表示等位面曲率差大小。在短线中心以箭头画出总梯度，指向重力增加的方向。 扭秤的灵敏度很高并可测多个参数，但是也有其不足之处。由于具有极高的灵敏度，对于测试环境的要求也很高，易受外界干扰，包括温度、地面震动、大气压强波动、扭丝的滞弹性效应等。因此对于精度要求不高的重力测量工作，一般都是重力仪去完成。但是对于高精度的测量，如引力物理方面的测量，以及高精度仪器的验证以及标定，都需要利用扭秤来完成。因此即便是如今，扭秤在实验物理领域也有着相当重要的地位。

卡文迪许测出的G=6.67×10?11N·m2/kg2 ，与现在的公认值6.67×10?11N·m2/kg2极为接近；直到1969年G的测量精度还保持在卡文迪许的水平上。[3]

科学意义

万有引力定律的发现，是17世纪自然科学最伟大的成果之一。它把地面上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。它第一次解释了（自然界中四种相互作用之一）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。

万有引力定律揭示了天体运动的规律，在天文学上和宇宙航行计算方面有着广泛的应用。它为实际的天文观测提供了一套计算方法，可以只凭少数观测资料，就能算出长周期运行的天体运动轨道，科学史上哈雷彗星、海王星、冥王星的发现，都是应用万有引力定律取得重大成就的例子。利用万有引力公式，开普勒第三定律等还可以计算太阳、地球等无法直接测量的天体的质量。牛顿还解释了月亮和太阳的万有引力引起的潮汐现象。他依据万有引力定律和其他力学定律，对地球两极呈扁平形状的原因和地轴复杂的运动，也成功的做了说明。推翻了古代人类认为的神之引力。

对文化发展有重大意义：使人们建立了有能力理解天地间的各种事物的信心，解放了人们的思想，在科学文化的发展史上起了积极的推动作用。

力学应用

自由落体运动

令a1为事先已知质点的重力加速度。由牛顿第二定律知，即。取代前面方程中的F 同理亦可得出a2.依照国际单位制，重力加速度（同其他一般加速度）的单位被规定为米每平方秒 (m/s2或 m·s?2)。非国际单位制的单位有伽利略、单位g（见后）以及英尺每秒的平方。

请注意上述方程中的a1，质量m1的加速度，在实际上并不取决于m1的取值。因此可推论出对于任何物体，无论它们的质量为多少，它们都将按照同样的比率向地面坠落（忽略空气阻力）。

如果物体运动过程中r只有极微小的改变——譬如地面附近的自由落体运动——重力加速度将几乎保持不变（参看条目地心引力）。而对于一个庞大物体，由于r的变化导致的不同位点所受重力的变化，将会引起巨大而可观的潮汐力作用。

令m1为地球质量5.98*102?kg，m2为1kg，R为地球半径6380000m，代入万有引力公式，计算出F=9.8N，这说明1kg的物体在地球表面受重力为9.8N。换句话说，等式两边同除以m2，结果就是重力加速度g。 具有空间广度的物体：

如果被讨论的物体具有空间广度（远大于理论上的质点），它们之间的万有引力可以以物体的各个等效质点所受万有引力之和来计算。在极限上，当组成质点趋近于“无限小”时，将需要求出两物体间的力（矢量式见下文）在空间范围上的积分。

从这里可以得出：如果物体的质量分布呈现均匀球状时，其对外界物体施加的万有引力吸引作用将同所有的质量集中在该物体的几何中心原理时的情况相同。（这不适用于非球状对称物体）。 矢量式：

地球附近空间内的重力示意图：在此数量级上地球表面的弯曲可被忽略不计，因此力线可以近似地相互平行并且指向地球的中心牛顿万有引力定律亦可通过矢量方程的形式进行表述而用以计算万有引力的方向和大小。在下列公式中，以粗体显示的量代表矢量。 地球的重力示意图

其中：

F??: 物体1对物体2的引力 G: 万有引力常量

m?与m?: 分别为物体1和物体2的质量 r?? = | r? r? |: 物体2和物体1之间的距离 r?1= r?+r?物体2和物体1之间的距离 : 物体1到物体2的单位矢量

可以看出矢量式方程的形式与之前给出的标量式方程相类似，区别仅在于在矢量式中的F是一个矢量，以及在矢量式方程的右端被乘上了相应的单位向量。而且，我们可以看出：F?? = F??

同样，重力加速度的矢量式方程与其标量式方程相类似。

重力与引力

1.重力是由于地球的吸引而产生的，但能否说万有引力就是重力呢？分析这个问题应从地球自转入手。由于地球自转，地球上的物体随之做圆周运动，所受的向心力F?=mrω2=mRω2cosa,F?是引力F提供的，它是F的一个分力，cosa是引力F与赤道面的夹角的余弦值，F的另一个分力F?就是物体所受的重力，即F?=mg。

由此可见，地球对物体的万有引力是物体受到重力的原因，但重力不完全等于万有引力，这是因为物体随地球自转，需要有一部分万有引力来提供向心力。

2.重力与万有引力间的大小关系 （1）重力与纬度的关系

在赤道上满足mg=F-F向（物体受万有引力和地面对物体的支持力Fn的作用，其合力充当向心力，Fn的大小等于物体的重力的大小）。 在地球两极处，由于F向=0，即mg=F，在其他位置，mg、F与F向间符合平行四边形定则。同一物体在赤道处重力最小，并随纬度的增加而增大。 （2）重力、重力加速度与高度的关系

在距地面高度为h的高处，若不考虑地球自转的影响时，则mg\\"=F=GMm/(R+h)2；而在地面处mg=GMm/R2。

距地面高为h处，其重力加速度g\\"=GM/(R+h)2，在地面处g=GM/R2。 在距地面高度为h的轨道上运行的宇宙飞船中，质量为m的物体的重力即为该处受到的万有引力，即mg\\"=GmM/(R+h)2，但无法用测力计测出其重力。

匀速圆周运动

一个天体环绕另一个中心天体做匀速圆周运动。其向心力由万有引力提供。即F引=GMm/r2≈mg=ma向，而a向=v2/r=ω2r=vω=(4π2/T2)r=4π2f2r，因此应用万有引力定律解决天体的有关问题，主要有以下几个度量关系：F引=GMm/r2(r为轨道半径）=mg=ma向=mv2/r=mω2r=m(4π2/T2)r=m4π2f2r.重力场：

球状星团 M13 证明重力场的存在。重力场是用于描述在任意空间内某一点的物体每单位质量所受万有引力的矢量场。而在实际上等于该点物体所受的重力加速度。

以下是一个普适化的矢量式，可被应用于多于两个物体的情况（例如在地球与月球之间穿行的火箭）的计算。对于两个物体的情况（比如说物体1是火箭，物体2是地球）来说，我们可以用替代并用m替代m?来将重力场表示为： 因此我们可以得到：

该公式不受产生重力场的物体的限制。重力场的单位为力除以质量的单位；在国际单位制上，被规定为N·kgㄢ（牛顿每千克）。

天体力学领域

1.计算天体质量 (1)计算地球质量

若不考虑地球自转,地面上物体所受重力即地球对它的万有引力 mg=GmM/R2由此可得地球质量 M=gR2/G (2)计算太阳质量

测量地球绕太阳公转周期,公转轨道半径,将轨道看成圆,匀速圆周运动向心力就是万有引力

即GMm/R2=m(2π/T)2 R 地球质量为m, 太阳质量 M=4π2R3/GT2 运用类似方法已知人造卫星质量,卫星绕某天体运动的周期和轨道半径 可算出天体质量 2.估算天体密度

若设某天体半径R,卫星绕天体表面运行时,轨道半径为R, 又测得已知运行周期为T 设卫星质量为m 则GMm/R2=m(2π/T)2R 天体质量M=4π2R3/GT2 体积V=4πR3/3 ρ=M/V=3π/GT2

存在问题

简介

尽管牛顿对重力的描述对于众多实践运用来说十分地精确，但它也具有几大理论问题且被证明是不完全正确的。

理论问题 没有任何征兆表明重力的传送媒介可以被识别出，牛顿自己也对这种无法说明的超距作用感到不满意（参看后文条目“局限性”）。

牛顿的理论需要定义重力可以瞬时传播。因此给出了古典自然时空观的假设，这样亦能使约翰内斯·开普勒所观测到的角动量守恒成立。但是，这与爱因斯坦的狭义相对论理论有直接的冲突，因为狭义相对论定义了速度的极限——真空中的光速——在此速度下信号可以被传送。

观测问题

牛顿的理论并不能完全地解释出水星在沿其轨道运动到近日点时出现的进动现象。牛顿学说的预言（由其它行星的重力拖曳产生）与实际观察到的进动相比每世纪会出现43弧秒的误差。

牛顿的理论预言的重力作用下光线的偏折只有实际观测结果的一半。广义相对论则与观察结果更为接近。

所有物体的重力质量与惯性质量相同的这一观测现象是牛顿的系统所不能解释的。广义相对论则将它作为一个基本条件。参看条目等效原理。