《太陽與行星間的引力》教學(xué)設(shè)計(jì)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(jiǎn)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。教學(xué)重點(diǎn)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：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；教師呈現(xiàn)推導(dǎo)過程要層次分明，突出關(guān)鍵。教學(xué)難點(diǎn)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：?jiǎn)l(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)準(zhǔn)備1.歷史上關(guān)于行星運(yùn)動(dòng)原因的猜想（文本）。2.太陽對(duì)行星的引力與行星對(duì)太陽的引力大小相等（動(dòng)畫）。3.前人和牛頓關(guān)于太陽與行星間引力問題的思考及貢獻(xiàn)（文本）。4.牛頓在鄉(xiāng)間的蘋果樹下沉思1（圖片、文本）。5.多媒體教學(xué)設(shè)備。教學(xué)過程（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，它的美表現(xiàn)在基本物理規(guī)律的簡(jiǎn)潔和普遍性，然而物理學(xué)的簡(jiǎn)潔性是隱蔽的，它所具有的美是深邃而含蓄的，不懂得它的語言，是很難領(lǐng)會(huì)到的。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(jiǎn)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(jiǎn)潔的定律，真可謂“囊括萬殊，裁成一相”。從本節(jié)課開始，我們來探索萬有引力定律的美之所在。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。2、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？下面讓我們首先閱讀課本67頁相關(guān)內(nèi)容，了解前人關(guān)于行星繞太陽運(yùn)動(dòng)原因的不同觀點(diǎn)以及引力思想形成的歷程。任務(wù)：閱讀課本67頁，了解歷史上人們關(guān)于行星運(yùn)動(dòng)原因的猜想（2分鐘）問：科學(xué)家們思考的問題是什么？答：“行星為什么這樣運(yùn)動(dòng)”。問：主要觀點(diǎn)是什么？答：行星繞太陽運(yùn)動(dòng)是因?yàn)樾行鞘艿教枌?duì)對(duì)它的引力。問：牛頓以外的科學(xué)家們，探究的不足主要表現(xiàn)在什么地方？造成這種不足的原因是有哪些？答：胡克證明了如果行星的軌道是圓形的，則它所受引力的大小與行星到太陽距離的二次方成反比。但并沒有能證明軌道是橢圓的情況。因?yàn)橛嘘P(guān)運(yùn)動(dòng)的清晰概念是在他們之后由牛頓建立的，他們沒有這些概念，無法深入研究。問：牛頓是怎樣研究太陽和行星間引力的？答：牛頓是根據(jù)力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，即已知力的作用規(guī)律，可以推測(cè)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(cè)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(cè)太陽對(duì)行星作用力的規(guī)律。簡(jiǎn)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。運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)力牛頓運(yùn)動(dòng)定律問：牛頓最后有什么重大發(fā)現(xiàn)？答：牛頓研究了太陽和行星間的引力，并將研究的結(jié)果做了進(jìn)一步的推廣，最終發(fā)現(xiàn)了著名的萬有引力定律。引入：好！牛頓當(dāng)年是怎樣推導(dǎo)太陽和行星間引力公式的呢？牛頓又是怎樣發(fā)現(xiàn)萬有引力定律的呢？這一節(jié)課和下一節(jié)課，我們就將追尋牛頓當(dāng)年的足跡，用自己的手和腦，重新“發(fā)現(xiàn)”萬有引力定律。讓我們先研究太陽和行星之間的引力開始吧（板書標(biāo)題）。（二）新課教學(xué)：探究太陽和行星間的引力猜想：根據(jù)我們已有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，你認(rèn)為太陽和行星間引力的大小可能跟哪些因素有關(guān)？答：可能影響太陽與行星間引力大小的因素有：太陽的質(zhì)量、行星的質(zhì)量、太陽和行星之間的距離、太陽的大小及形狀、行星的大小及形狀……2、抽象、建立模型：抽象：?jiǎn)枺貉芯课锢韱栴}時(shí)，經(jīng)常采用的方法是忽略無關(guān)緊要的次要因素，抓住主要因素，這個(gè)過程叫做抽象。你認(rèn)為在剛才我們所設(shè)想的若干可能的因素中，哪些是無關(guān)緊要的次要因素可以忽略的？答：太陽和行星自身的大小遠(yuǎn)小于兩者之間的距離，完全可以忽略太陽和行星的形狀，從而將太陽和行星都抽象為質(zhì)點(diǎn)。建模：大多數(shù)行星繞太陽運(yùn)動(dòng)的軌道十分接近圓，可以將行星的軌道按“圓”處理?？梢杂靡韵聢D示表示行星繞太陽的運(yùn)動(dòng)：MMmrF研究太陽對(duì)行星的引力：思路：已知運(yùn)動(dòng)規(guī)律-------->求受力規(guī)律（太陽對(duì)行星的引力）行星繞太陽做什么運(yùn)動(dòng)？這種運(yùn)動(dòng)對(duì)受力有什么要求？答：勻速圓周運(yùn)動(dòng)。要有向心力。需要的向心力由什么力提供？有多大？答：需要的向心力由太陽對(duì)它的引力提供。大小為：-----------------------------------------(1)引力和向心力有什么關(guān)系？如何求太陽對(duì)行星的引力？答：引力和向心力相等?？梢酝ㄟ^向心力求引力。即：-----------------------------------------(2)一般的，天文觀測(cè)能直接得到行星運(yùn)動(dòng)的線速度嗎？選擇什么公式實(shí)現(xiàn)代換？請(qǐng)同學(xué)們?cè)诓莞灞旧狭惺浇獯?。答：不能，一般來說，天文觀測(cè)直接得到的是行星運(yùn)動(dòng)的周期。選擇--------------------------------------------------(3)可以實(shí)現(xiàn)代換，得：-----------------------(4)根據(jù)我們的猜想，的表達(dá)式中是否應(yīng)該出現(xiàn)行星的公轉(zhuǎn)周期？選擇什么公式實(shí)現(xiàn)代換？請(qǐng)同學(xué)們?cè)诓莞灞旧狭惺浇獯稹４穑翰粦?yīng)該，需要的向心力與行星公轉(zhuǎn)的周期有關(guān)，提供的向心力應(yīng)該與天體本身的因素有關(guān)，而不應(yīng)該與行星的公轉(zhuǎn)周期有關(guān)。選擇---------------------------------------------------------(5)可以實(shí)現(xiàn)代換，得：---------------------------(6)上式有何物理意義呢？如何對(duì)上式做簡(jiǎn)化？答：等號(hào)右邊除了、以外，其余都是常量，對(duì)任何行星來說都是相同的。物理意義是：太陽對(duì)不同行星的引力，與行星的質(zhì)量成正比，與行星和太陽之間距離的二次方成反比。即：---------------------------------------------------(7)上面我們以行星為研究對(duì)象，從力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系出發(fā)，根據(jù)勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力公式，經(jīng)過兩次代換，得出了的結(jié)論。讓我們?cè)倩仡^看看的含義：這個(gè)公式反映了當(dāng)中心天體不變時(shí)，不同的行星由于質(zhì)量不同，受到的引力大小也不同，引力大小與行星自身的質(zhì)量成正比，與兩者之間的距離的平方成反比。但是，如果中心天體的質(zhì)量發(fā)生變化，引力F變不變呢？用疊加的觀點(diǎn)分析此問題，可以得出：F將變化，且M增大，F(xiàn)也增大；反之亦然。很顯然，F(xiàn)還應(yīng)與中心天體的質(zhì)量M有關(guān)，它們之間有什么關(guān)系呢？怎樣研究F與M的關(guān)系呢？（思考1分鐘）思路分析：剛才我們選擇行星為研究對(duì)象，研究的結(jié)果中并沒有出現(xiàn)太陽質(zhì)量M。下面我們不妨嘗試以太陽為研究對(duì)象，看看行星對(duì)太陽的引力F’什么特征？行星對(duì)太陽的引力：MmMmrF‘MmrF根據(jù)牛頓第三定律，太陽對(duì)行星的引力F和行星對(duì)太陽的引力F’有什么關(guān)系？研究行星對(duì)太陽的引力F’，能否采取推導(dǎo)太陽對(duì)行星引力F同樣的方法？為什么？如果說反映了當(dāng)中心天體質(zhì)量不變時(shí)，引力F與受力星體質(zhì)量成正比，與兩者之間距離的二次方成反比。那么，通過類比的方法，你能否寫出行星對(duì)太陽的引力F’的表達(dá)式？物理意義：不同行星對(duì)太陽的引力，與太陽的質(zhì)量成正比，與行星和太陽間距離的二次方成反比。歸納綜合：通過以上兩步的探究，我們得到：F和F’有什么關(guān)系？請(qǐng)你用一個(gè)式子綜合概括上面兩個(gè)式子；--------------------------------------(8)說明上式的物理意義是什么？物理意義：太陽與行星間引力的大小，與太陽的質(zhì)量、行星的質(zhì)量成正比，與兩者之間距離的二次方成反比。請(qǐng)你將上式改寫成等式形式。寫成等式就是：--------------------------------------(9)這就是太陽和行星間引力的計(jì)算公式。式中是比例系數(shù)，與太陽、行星都沒有關(guān)系。太陽與行星間引力的方向沿著二者的連線。在歷史上，牛頓曾說他是站在巨人的肩膀上才發(fā)現(xiàn)這個(gè)公式的。下面我們來看一看牛頓發(fā)現(xiàn)這個(gè)公式的幾個(gè)重要的歷史片段。前輩天文學(xué)家，特別是第谷，積累了大量的天文觀測(cè)資料開普勒用了20年時(shí)間研究第谷的天文觀測(cè)記錄，發(fā)現(xiàn)了行星運(yùn)動(dòng)定律伽利略、笛卡兒提出過有益的觀點(diǎn)胡克、哈雷認(rèn)為行星繞太陽運(yùn)動(dòng)是因?yàn)槭艿教枌?duì)它的引力，甚至證明了如果行星的軌道是圓形的，則引力大小與兩者之間距離的二次方成反比牛頓吸收了前人的研究成果，總結(jié)了他們成功的經(jīng)驗(yàn)和失敗的教訓(xùn)，在自己創(chuàng)立的微積分的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出了行星繞太陽做橢圓運(yùn)動(dòng)時(shí)，太陽對(duì)行星的引力也存在距離平方成反比的數(shù)學(xué)關(guān)系……。通過回顧牛頓發(fā)現(xiàn)引力公式的幾個(gè)重要的歷史片段，我們不難看出，牛頓說他是站在巨人的肩膀上才發(fā)現(xiàn)這個(gè)公式的，這不僅僅是牛頓的謙虛，科學(xué)發(fā)展的這段歷史也真實(shí)地說明了這一點(diǎn)。再來看看我們的推理過程。首先，我們把行星繞太陽的橢圓運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為勻速圓周運(yùn)動(dòng)……；其次，我們一致認(rèn)為行星繞太陽做勻速圓周運(yùn)動(dòng)需要向心力，這個(gè)向心力是由太陽對(duì)行星的引力提供的……；其三，我們預(yù)期太陽對(duì)行星的引力與太陽到行星的距離有關(guān)，希望通過行星繞太陽做勻速圓周運(yùn)動(dòng)需要的向心力求出這個(gè)引力，通過兩次數(shù)學(xué)代換得到了太陽對(duì)行星的引力與太陽到行星的距離相關(guān)的數(shù)學(xué)表達(dá)式……；其四，通過類比得到了行星對(duì)太陽的引力與太陽到行星的距離相關(guān)的數(shù)學(xué)表達(dá)式……；其五，綜合概括得到了太陽與行星間引力的數(shù)學(xué)表達(dá)式……。我們所建立的物理模型和運(yùn)用的物理知識(shí)都是牛頓在1687年發(fā)表的傳世之作《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書中的；另外，由于沒有學(xué)習(xí)高等數(shù)學(xué)的有關(guān)知識(shí)，我們不能推導(dǎo)出行星繞太陽做橢圓運(yùn)動(dòng)時(shí)，太陽對(duì)行星的引力也存在距離平方成反比的數(shù)學(xué)關(guān)系式；不敢說我們的工作能和牛頓相提并論！如果說牛頓是站在巨人的肩膀上發(fā)現(xiàn)了引力公式的，那么我們是站在誰的肩膀上“發(fā)現(xiàn)”引力公式的呢？同學(xué)們！雖然我們的工作不能和牛頓相提并論，但通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，我們還是體會(huì)到了牛頓當(dāng)年推導(dǎo)“太陽和行星間的引力”的思路與方法．而體會(huì)這種思路和方法對(duì)我們今后的學(xué)習(xí)和研究是很有幫助的！而這正是我們今天要追尋牛頓當(dāng)年的足跡，重新“發(fā)現(xiàn)”萬有引力定律的目的和意義所在！希望大家課后認(rèn)真體會(huì)！（三）練習(xí)反饋：1、下列關(guān)于行星對(duì)太陽的引力的說法中正確的是（）A.行星對(duì)太陽的引力與太陽對(duì)行星的引力是同一性質(zhì)的力B.行星對(duì)太陽的引力與太陽的質(zhì)量成正比，與行星的質(zhì)量無關(guān)C.太陽對(duì)行星的引力大于行星對(duì)太陽的引力D.行星對(duì)太陽的引力大小與太陽的質(zhì)量成正比，與行星距太陽的距離成反比2．下面關(guān)于行星繞太陽旋轉(zhuǎn)的說法中正確的是（）A.離太陽越近的行星周期越大B.離太陽越遠(yuǎn)的行星周期越大C.離太陽越近的行星的向心加速度越大D.離太陽越近的行星受到太陽的引力越大從學(xué)生已有的知識(shí)結(jié)構(gòu)來看，學(xué)生在學(xué)習(xí)萬有引力之前，應(yīng)該對(duì)力、質(zhì)量、速度、加速度、向心力、向心加速度等概念有較好的理解，并且掌握自由落體、拋體和勻速圓周運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律，能熟練運(yùn)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律解決動(dòng)力學(xué)問題。所以在推導(dǎo)太陽與行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，教師可以要求學(xué)生自主地運(yùn)用原有已經(jīng)習(xí)得的知識(shí)進(jìn)行推導(dǎo)，并要求說明每一步推理的理論依據(jù)是什么，教師僅在難點(diǎn)問題上做適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)撥。本節(jié)課的教學(xué)力求按兩條線索展開，明線是引導(dǎo)學(xué)生在解決了行星運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)問題的基礎(chǔ)上探索解決行星運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)問題，促使學(xué)生拓展性地運(yùn)用前面已學(xué)的經(jīng)典力學(xué)知識(shí)（此前用于解決地球上的問題）解決天體運(yùn)動(dòng)，暗線是再現(xiàn)歷史上牛頓完成這些探索性工作的細(xì)節(jié)和歷史意義，從而體現(xiàn)科學(xué)探究的方法。從行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律到萬有引力定律的簡(jiǎn)歷過程，是本章的重要內(nèi)容，是極好的科學(xué)探究過程及對(duì)學(xué)生進(jìn)行人文教育的教育素材。在行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律與萬有引力定律兩節(jié)內(nèi)容之間安排本節(jié)內(nèi)容，是為了更突出發(fā)現(xiàn)萬有引力定律的這個(gè)科學(xué)過程。如果說上一節(jié)內(nèi)容是從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度描述行星運(yùn)動(dòng)的話，那么，本節(jié)內(nèi)容是從動(dòng)力學(xué)角度來研究行星運(yùn)動(dòng)的，研究過程是依據(jù)已有規(guī)律進(jìn)行的演繹推理過程。本節(jié)內(nèi)容與下一節(jié)內(nèi)容結(jié)合起來應(yīng)該說是一個(gè)比較完成的探究過程，從問題的提出、猜想與假設(shè)、演繹與推理、結(jié)論的得出、檢驗(yàn)論證等，是一次很好的探究性學(xué)習(xí)的過程。1、有一個(gè)卵原細(xì)胞中含有A與A’、B與B’兩對(duì)同源染色體，它形成的含有AB的配子有（）A.1個(gè)B.0或1個(gè)C.2個(gè)D.4個(gè)2、下列關(guān)于受精作用及結(jié)果的敘述，正確的是（）A．精卵相互識(shí)別的基礎(chǔ)是細(xì)胞膜的流動(dòng)性B．后代從雙親各獲得一半的DNAC．使后代產(chǎn)生不同于雙親的基因組合D．后代繼承了雙親的全部遺傳性狀3、關(guān)于受精過程的敘述錯(cuò)誤的是A．獲能后的精子與卵子相遇后，釋放頂體酶穿過透明帶進(jìn)入放射冠B．透明帶反應(yīng)是防止多精入卵的第一道屏障C．精子與卵黃膜相互融合，精子入卵D．雄原核形成的同時(shí)，卵子完成第二次減數(shù)分裂4、采集的卵母細(xì)胞，都要要體外經(jīng)人工培養(yǎng)成熟后，才能與獲能的精子受精，以下原因不正確的是（）A、卵子從輸卵管中沖出也要經(jīng)歷類似精子獲能的過程B、動(dòng)物排出的卵子成熟程度不同C、體外人工培養(yǎng)至減數(shù)第二次分裂中期時(shí)，才算成熟D、沖出的卵子還需要培養(yǎng)一段時(shí)間由小變大5、右圖表示海星胚胎發(fā)育過程中的兩個(gè)階段。請(qǐng)據(jù)圖回答下列問題：(1)甲圖為海星胚胎發(fā)育過程中的期，乙圖為海星胚胎發(fā)育過程中的期。(2)隨著胚胎發(fā)育的進(jìn)行，甲圖中1處的細(xì)胞最可能成為乙圖中[]胚層的一部分，甲圖中2處的細(xì)胞最可能成為乙圖中[]胚層的一部分。(3)如果乙圖中三個(gè)胚層繼續(xù)發(fā)育，除了要進(jìn)行相應(yīng)的細(xì)胞分裂以外，還必須經(jīng)過，形成組織、器官，最后才能發(fā)育成一個(gè)完整的幼體。(4)假設(shè)海星的體細(xì)胞的染色體數(shù)為2N，則乙圖中4處細(xì)胞的染色體數(shù)為。(5)在發(fā)育過程中，乙圖所示胚胎的早期細(xì)胞從一個(gè)部位移到另一部位時(shí)，被移植的細(xì)胞能參與該部位將來的器官形成。但如果在晚期，將未來發(fā)育成后肢的部分移植到胚體的另一部位，發(fā)現(xiàn)此細(xì)胞仍發(fā)育成后肢，使動(dòng)物畸形。這說明。A.乙圖所示胚胎的細(xì)胞具有全能性B.乙圖所示胚胎