人教版高中物理必修1《1　重力　基本相互作用》教学设计1

3．1 重力基本相互作用

知识与技能

1．理解力的概念，知道力的三要素；

2．正确理解重力的概念，知道物体重心的含义及位置；

3．了解四种基本相互作用。

过程与方法

1．知道认识力的作用是从力的作用产生的效果开始的；

2．能通过探究活动体验力的作用效果与力的大小、方向、作用点三个因素有关；

3．能通过多个实验现象归纳得出力的作用是相互的；

4．通过“重心”概念的引入渗透“等效代换”的物理方法。

情感态度与价值观

通过本节课的学习，培养全面观察分析问题的能力

教学重点

理解力的概念、领会重力的产生原因和特点；

教学难点

理解重心的概念。

新课教学

引入：

在初中你们已经学过了力，今天我们来进一步学习力。

演示：1、用手压锯条、拉皮筋等 ，学生观察现象，是什么原因导致这种变化呢？

2、扔掉手中的粉笔，拖动桌面上的书等，又有什么现象，又是什么原因引起这样的变化呢？

锯条、皮筋的形状发生了改变，粉笔、书的运动状态发生了改变，这些都是由于这些物体受到了其他物体的力的作用的结果。在物理学中，人们把改变物体的运动状态，产生形变的原因，即物体与物体之间的相互作用称作力。

力的作用效果：

1、   使物体发生形变。

2、   运动状态发生改变（包括速度的大小，方向，大小和方向）。

一、力和力的图示

1、  力的定义：物体与物体之间的相互作用。

问题：力可以离开物体而单独存在吗？

（1）、力的物质性

力是物体对物体的作用，有力就有受力物体和施力物体，两者是同时存在的，不分先后。在研究某物体时，我们把它叫做受力物体，对它作用的物体叫做施力物体。不是有生命的物体才能作为施力物体，施力物体和受力物体不是绝对的，在研究不同问题时，同一物体有时是受力物体，有时是施力物体。

问题：我们用手拍打桌子时，是手给桌子一个力，可为什么我们的手也会感到疼痛呢？（让学生用力打桌子，体会手的感觉）

（2）、相互性

力是物体间的相互作用，甲对乙有作用力，同时乙对甲也有力的作用，力的作用是相互的。

问题：用大小相等的力沿不同的方向拖动桌面上的书，书的运动一样吗？

（3）、矢量性

力是有大小和方向的物理量（矢量），力的作用效果不仅与其大小有关，也与方向有关。

如何通过作图来表示力呢？

1、   力的图示

课本图3.1-2可以把力的三要素（大小、作用点、方向）表示出来。

2、   力的示意图

只画出力的作用点和方向，表示这个物体在这个方向上受到了力。

3、   力的单位：牛顿   符号N

演示：竖直上抛一粉笔头，结果它会落在地上，粉笔为什么会掉下来呢？

二、 重力

抛向空中的物体会落回地面，地球在自转而海水不会洒向太空，都是地球与他们之间存在着相互吸引的作用。

1、   重力的产生：地面附近的物体，由于地球的吸引而使物体受到的力叫重力。

说明：

（1）重力是由于地球吸引而产生的，但不能说重力就是地球对物体的万有引力。

（2）在地球表面附近的物体都要受到重力作用，与物体的运动状态和是否受到其他力等情况无关。

2、   重力的大小

重力的大小可以根据公式计算，其中g是我们以前所学的自由落体加速度，它的大小与物体所处的高度和纬度有关，当高度增加时g的值减小，当纬度增加时，g值增大。

则重力如何变化呢？

3、   测量

问题：如何测重力的大小？

重力仍可以用弹簧秤测量，但在操作的过程中要注意弹簧秤要保持竖直、静止状态时读数。

原理：二力平衡

4、   方向

例举一些生活中的小例子，引导学生找到重力的方向是竖直向下的。

竖直向下（不能说是垂直向下也不能说是指向地心）

5、   作用点

（1）重心：物体的各部分都受到重力的作用，从效果上看，我们可以认为各部分受到的重力集中于一点（即重心）。重心是重力的等效作用点。

（2）重心位置的确定：

问题：质量分布均匀，形状规则的物体，重心是怎样确定的呢？

a. 质量分布均匀的物体（也称匀质物体），且形状规则，重心就是其几何中心。

如：均匀细直棒的重心在棒的中点，均匀球体的重心在球心，均匀圆柱的重心在轴线的中心。

思考：重心一定在物体上吗？举例。

讨论：

对于非匀质物体和形状不规则的物体的重心怎样决定呢？观察课本图3.1-4

b. 非匀质物体和不规则的物体的重心，不仅与形状有关还与物体内的质量分布有关。

演示悬挂法和支撑法找重心（适用于薄板）

原理：拉力（或支持力）与重力是对平衡力，绳的反向延长线必过重心

课堂练习：课本第2题

点评：1、力的图示

      2、重力方向

      3、重力是非接触力

      4、重力与运动状态无关

三、四种相互作用力（自学）

思考：自然界中存在着哪几种相互作用，其区别是什么？

1、   万有引力相互作用

存在于一切物体之间，相互作用强度随距离增大而减小。

2、   电磁相互作用

存在于电荷之间和磁体之间，他们的本质是相同的。

3、   强相互作用

存在于原子核内。

4、   弱相互作用

存在于放射现象中。

小结

力在我们初中已接触过，但其概念的理解仍是难点，关键是在于力是物体间的相互作用这一问题上，并且两个力的地位是相同的。重力的学习中，重点应放在重心上。

第一节 重力 基本相互作用

一、教学目标

1、知识与技能

1.了解力是物体对物体的作用，力的作用是相互的，认识力能使物体发生形变或使物体运动状态发生改变

2．知道力的三要素，会画力的图示和力的示意图；了解四种基本相互作用

3．知道重力的方向以及重力的大小与物体质量的关系；知道物体重心的含义

2、过程与方法

1． 能通过探究活动体验力的作用效果与力的大小、方向、作用点三个因素有关

2． 能通过多个实验现象归纳得出力的作用是相互的]

3． 通过“重心”概念的引入渗透“等效代换”的物理学方法

3、情感、态度与价值观

1． 通过实例激发学生对科学的求知欲、激励探索与创新的意识

2． 通过本节课的学习，培养全面观察分析问题的能力

二、教学重点、难点

1． 力的概念，图示以及力的作用效果 2．重力的概念及重心的理解

三、教学过程

1．观察图片归纳出力的概念，力是物体间的相互作用。其作用效果是：使物体发生形变或改变物体的运动状态。

2．通过分析“孤掌难鸣”、 “用手指推书本运动，手指有什么感觉”等现象归纳出力的性质，

1）物质性：a.不能离开物体而存在 ；b. 一个力与两个物体相对应。施力物体、受力物体；

2）相互性：a.施力物体同时是受力物体，受力物体同时是施力物b.相互作用的两个物体可以接触也可以不接触

3）矢量性： 力有大小和方向

3．介绍力的三要素：大小、方向和作用点

4．如何表示一个力呢？

1）力的图示：用一根带箭头的线段表示力的方法。能精确表示（大小、方向、作用点）

作力的图示步骤（动画展示）：①选定标度（用多长的线段表示多少牛的力）

②从作用点沿力的方向画一线段，根据选定的标度和力的大小按比例确定线段的长度，

③在线段的一端加箭头表示力的方向，箭头或箭尾表示力的作用点，力的方向所沿的直线叫力的作用线

例：用力的图示法表示出作用在小车上水平方向的大小为100N的力。

做完题后归纳出做力的图示时应注意的几点：

1、画同一物体受多个力的图示时，表示各力的标度应统一。

2 、线段长度要合理。

2）力的示意图：只在图中画出力的方向。表示物体在这个方向上受到了力。 粗略表示（方向、作用点）（即表示这个物体在这个方向受到了力）

四、力的分类

（一）传统分类方法

1、从力性质来分重力、弹力、摩擦力、分子力、电场力、磁场力等

2、从力的效果来分 拉力、压力、支持力、动力、阻力等

说明：性质不同的力，效果可以相同；不同效果的力也可以是同一种性质的力。

二）现代分类方法——四种基本相互作用

1、万有引力：

存在于一切物体之间，相互作用的强度随距离的增大而减小。

2、电磁相互作用：

存在于电荷与电荷、磁体与磁体、电流与电流之间，他们本质上是同一种相互作用的不同表现，作用规律与万有引力相似。

3、强相互作用：

存在于原子核内质子质子、质子与中子、中子与中子之间，它是短程力，作用范围只有约10－15 m。

4、弱相互作用：

在放射现象中发现的，也是短程力。强度只有强相互作用的10－12倍。

五、重力

1、重力 是由于地球的吸引而使物体受到的力。

特点： 1）重力是非接触力 2）重力的施力物体是地球

2、重力的大小和方向 G=mgg = 9.8 N/kg 方向：竖直向下

重力不等于地球的吸引力，它只是地球吸引力的一部分。

3、重力的作用点————重心

1)定义：一个物体各部分都受到重力作用，从效果上看，我们可以认为各部分的重力作用集中于一点，这一点叫物体的重心。

2)重心的确定：质量分布均匀，形状规则的物体重心位置在几何中心

物体的重心除了跟物体的形状有关外，还跟物体内质量的分布有关

注意：重心不一定在物体上

3)悬挂法测物体的重心：（动画展示）

六、例题例题

1．下列关于力的说法中正确的是（ ）

A 射出枪口的子弹，能打到很远的距离，是因为子弹离开枪口后受到一个推力的作用

B 甲用力把乙推倒，说明只是甲对乙有力的作用，乙对甲没有力的作用

C 只有有生命或有动力的物体才会施力，无生命或无动力的物体只会受到力

D 任何一个物体，一定既是受力物体，也是施力物体

2．关于力的下述说法中正确的是（ ）

A．力是物体对物体的作用 B．只有直接接触的物体间才有力的作用

C．力可以离开物体而独立存在 D．力的大小可以用天平测量

3．关于物体所受的重力，以下说法中正确的是（　　　）

A、物体只有在地面静止时才受到重力作用

B、物体在自由下落时所受的重力小于物体在静止时所受到的重力

C、物体在向上抛出时受到的重力大于物体在静止时所受到的重力

D、同一物体在同一地点，不论其运动状态如何，它所受到的重力都是一样大

七、课堂小结（略）

八、课后作业

【小资料】

目前物理学界公认，世界存在四种基本的相互作用：万有引力（简称引力）、电磁力、强相互作用、弱相互作用。 在宏观世界里，能显示其作用的只有两种：引力和电磁力。

　　引力是所有物体之间都存在的一种相互作用。由于引力常量G很小，因此对于通常大小的物体，他们之间的引力非常微弱，在一般的物体之间存在的万有引力常被忽略不计。但是，对于

基本相互作用

一个具有极大质量的天体，引力成为决定天体之间以及天体与物体之间的主要作用。

　　电磁相互作用包括静止电荷之间以及运动电荷之间的相互作用。两个点电荷之间的相互作用规律是19世纪法国物理学家库仑发现的。运动着的带电离子之间，除存在库仑静电作用力之外，还存在磁力（洛伦兹力）的相互作用。引力、电磁力能在宏观世界里显示其作用。这两种力是长程力，从理论上说，他们的作用范围是无限的，但是电磁力与引力相比要弱得多。宏观物体之间的相互作用，除引力外，所有接触力都是大量原子、分子之间电磁相互作用的宏观表现。

　　弱相互作用和强相互作用是短程力，短程力的相互作用范围在原子核尺度内。强作用力只在10-15m范围内有显著作用，弱作用力的作用范围不超过10-16m。这两种力只要在原子核内部核基本离子的相互作用中，才显示出来，在宏观世界里不能察觉他们的存在。

　　四种相互作用按强弱来排列，顺序是：强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用、引力相互作用。一对质子在相距10-16m时，各种相互作用的强度为（假定此时强相互作用强度的数量级为1）：

引力相互作用

　　所有具有质量的物体之间的相互作用，表现为吸引力，是一种长程力，力程为无穷。其规律是牛顿万有引力定律，更为精确的理论是广义相对论。在4种基本相互作用中最弱，远小于强相互作用 、电磁相互作用和弱相互作用，在微观现象的研究中通常可不予考虑，然而在天体物

引力相互作用

理研究中起决定性作用。按照近代物理的观点，引力作用是通过场或通过交换场的量子实现的，引力场的量子称为引力子。 重力相互作用，简称-(重力或引力)-，是四个基本相互作用中最弱的，但是同时又是作用范围最大的（不会如电磁力一般相互抵销）。但当距离增大，重力相互作用的影响力就会递减，假设两物件的相互距离为'，其作用力则可以1/'2的计算式推论出来。不像其他的相互作用，重力可以广泛地作用于所有的物质。由于其广泛的作用范围，当物质质量为极大，物质有关的属性以及与物质的带电量有时可以相对地忽略。

　　而由于其广泛的作用范围，引力可以解释一些大范围的天文现象，比如：银河系、黑洞和宇宙膨胀；以及基本天文现象例如：行星的公转；还有一些生活常识例如物体下落、很重的物体好像被固定在地上、人不能跳得太高等。

　　万有引力是第一种被数学理论描述的相互作用。在古代，亚里士多德建立了具有不同质量的物体是以不同的速度下落的理论。到了科学革命时期，伽利略·伽利莱用试验推翻了这个理论－如果忽略空气阻力，那么所有的物体都会以相同的速度落向地面。艾萨克·牛顿被苹果砸到时发现地心引力，进而引伸出万有引力定律(1687年)，是一个用来描述通常重力行为非常好的近例。在1915年,阿尔伯特·爱因斯坦完成了广义相对论，将重力用一种更精确的方式描述－时空几何，并指出引力是空间与时间弯曲的一种影响。

　　如今，一个活跃的领域正致力于用一个使用范围更广的理论来统一广义相对论和量子力学－大统一理论。在量子力学中，一个在量子引力理论中设想的粒子－引力子被广泛地认为是一个传递引力的粒子。引力子仍是假想粒子，目前还没有被观测到。

　　尽管广义相对论在非量子力学限制的情况下较精确地描述了引力，但是仍有不少描述万有引力的替代理论。这些在物理学界严格审视下的理论都是为了减少一些广义相对论的局限性，而目前观测工作的焦点就是确定什么理论修正广义相对论的局限性是可能的。

电磁相互作用

　　带电物体或具有磁矩物体之间的相互作用，是一种长程力，力程为无穷。宏观的摩擦力、弹性力以及各种化学作用实质上都是电磁相互作用的表现。其强度仅次于强相互作用，居

电磁相互作用

四种基本相互作用的第二位。电磁作用研究得最清楚，其规律总结在麦克斯韦方程组和洛伦兹力公式中，更为精确的理论是量子电动力学。量子电动力学是物理学的精确理论，按照量子电动力学，电磁相互作用是通过交换电磁场的量子（光子）而传递的，它能够很好地说明正反粒子的产生和湮没，电子、μ子的反常磁矩(见粒子磁矩)与兰姆移位等真空极化引起的细微电磁效应，理论计算与实验符合得非常好。电磁相互作用引起的粒子衰变称为电磁衰变。最早观察到的原子核的γ跃迁就是电磁衰变，其他还有如π0→γ＋γ等。电磁衰变粒子的平均寿命为 10-16～10-20秒（s）。

弱相互作用

　　最早观察到的原子核的β衰变是弱作用现象。弱作用仅在微观尺度上起作用，其力程最短，其强度排在强相互作用和电磁相互作用之后居第三位。其对称性较差，许多在强作用和电磁作用下的守恒定律都遭到破坏（见对称性和守恒定律），例如宇称守恒在弱作用下不成立。弱作用的理论是电弱统一理论，弱作用通过交换中间玻色子薄0而传递。弱作用引起的粒子衰变称为弱衰变，弱衰变粒子的平均寿命大于10-13s。 最早观察到的原子核的β衰变是弱相互作用现象，凡是涉及中微子的反应

弱相互作用

都是弱相互作用过程。弱相互作用仅在微观尺度上起作用，起力程最短（大约在10-18m范围内，比强交互作用的范围小），强度在四种相互作用中排第三位。由于弱相互作用比强相互作用和电磁相互作用的强度都弱，故有此名。有两种弱相互作用，一种是有轻子(电子e，中微子ν，μ子以及它们的反粒子)参与的反应，如β衰变，μ子的衰变以及π介子的衰变等；另一种是Κ介子和∧超子的衰变。

　　弱相互作用的一个特点是对称性低。在弱相互作用中﹐空间反射﹑电荷共轭和时间反演的对称性都被破坏﹔同位旋﹑奇异数﹑粲数﹑底数等在强作用下守恒的量子数都不守恒。

　　弱相互作用与电磁相互作用虽然很不相同﹐却又有相似之处。弱相互作用流与电流一样是守恒的﹐它们之间还有以对称性相联系的关系。在60年代末提出了弱作用和电磁作用统一的规范理论。标准的弱电统一规范模型与所有低能的弱作用实验结果一致。理论中预言的中间玻色子也已於1983年发现。

强相互作用

　　最早认识到的质子、中子间的核力属于强相互作用，是质子、中子结合成原子核的作用力，后来进一步认识到强子是由夸克组成的，强作用是夸克之间的相互作用力。强作用最强，也是一种短程力。其理论是量子色动力学，强作用是一种色相互作用，具有色荷的夸克所具有的相互作用，色荷通过交换8种胶子而相互作用，在能量不是非常高的情况下， 强相互作用的媒介粒子是介子。强作

弱相互作用

用具有最强的对称性，遵从的守恒定律最多。强作用引起的粒子衰变称为强衰变，强衰变粒子的平均寿命最短，为10-20～10-24s，强衰变粒子称为不稳定粒子或共振态。强相互作用是作用于强子之间的力，是所知四种宇宙间基本作用力最强的，也是作用距离第二短的（大约在10-15m范围内，比弱交互作用的范围大）。核子间的核力就是强相互作用，它抵抗了质子之间的强大的电磁力，维持了原子核的稳定。现在物理学家认为强相互作用的产生与夸克、胶子有关。 强相互作用比其他三种基本作用有更大的对称性﹐也就是说﹐在强相互作用中有更多的守恒定律。强相互作用不像引力和电磁相互作用那样是长程力而是短程力。但是它的力程比弱相互作用的力程长﹐约为10-15m。大约等於原子核中核子间的距离。

　　对强相互作用本质的了解长期以来是物理学中的难题。人们曾经提出过许多强相互作用的理论﹐它们取得的成就都很有限。原因之一是理论中没有小参量﹐因而找不到可靠的近似方法。人们由强子的夸克模型和规范场的概念出发提出量子色动力学。在这个理论中﹐强相互作用是组成强子的夸克之间通过一些称为胶子的规范粒子场传递的作用。这个理论有在小距离处作用变弱的性质。它被认为是有希望的强相互作用基本理论。