【單元設計】第七章《萬有引力與宇宙航行》單元教學設計及教材分析課件高一物理人教版（2019）必修第二冊

1、高中物理必修高中物理必修2 2 第七章第七章萬有引力與宇宙航行萬有引力與宇宙航行單元教學設計及教材分析單元教學設計及教材分析一、單元主題分析一、單元主題分析二、整體設計思路二、整體設計思路三、主要學習活動設計三、主要學習活動設計四、學習評價與作業(yè)設計四、學習評價與作業(yè)設計五、附錄：萬有引力推導五、附錄：萬有引力推導一、單一、單 元元 主主 題題 分分 析析 本章描述了人類對天體運動規(guī)律的探究過程，展現了牛頓力學的巨大價值，介紹了人類走向太空的努力。對萬有引力定律的探索和求證過程，引導學生學習科學家們富有創(chuàng)造而又嚴謹的科學思維和科學態(tài)度。對萬有引力定律應用的學習，使學生體會萬有引力定律的重要價值

2、。隨著我國航天事業(yè)的飛速發(fā)展，這部分的知識也成為學生學習的熱點和重點。原教材原教材 萬有引力與航天萬有引力與航天 1. 行星的運動 2. 太陽與行星間的引力 3. 萬有引力定律 4. 萬有引力理論的成就 5. 宇宙航行 6. 經典力學的局限性新教材新教材 萬有引力與宇宙航行萬有引力與宇宙航行 1. 行星的運動 2. 萬有引力定律 3. 萬有引力理論的成就 4. 宇宙航行 5. 相對論時空觀與牛頓力學的局限性 回顧過去萬有引力定律的建立過程展示現在萬有引力定律成就與我國航天事業(yè)發(fā)展展望未來超越牛頓力學 1.新舊教材章節(jié)結構對比新舊教材章節(jié)結構對比2.普通高中物理課程標準普通高中物理課程標準（20

3、172017年版年版20202020年修訂年修訂） 對本單元內容要求對本單元內容要求曲線運動與曲線運動與萬有引力定律萬有引力定律課課 標標牛頓力學局限性牛頓力學局限性與相對論初步與相對論初步2.2.4 通過史實，了解萬有引力定律的發(fā)現過程。知道萬有引力定律。認識發(fā)現萬有引力定律的重要意義。認識科學定律對人類探索未知世界的作用。 2.2.5 會計算人造地球衛(wèi)星的環(huán)繞速度。知道第二宇宙速度和第三宇宙速度。2.3.1 知道牛頓力學的局限性，體會人類對自然界的探索是不斷深入的。 2.3.2 初步了解相對論時空觀。 2.3.3 關注宇宙起源和演化的研究進展。 3.單元教學流程單元教學流程對行星運對行星運

4、動的思考動的思考行星運動行星運動的規(guī)律的規(guī)律第第1節(jié)節(jié)行星的運行星的運動動天體運動天體運動的原因的原因萬有引力萬有引力定律定律第第2節(jié)節(jié)萬有引力萬有引力定律定律探測未知天體探測未知天體衛(wèi)星發(fā)射衛(wèi)星發(fā)射萬有引力定律萬有引力定律的應用的應用第第3、4節(jié)節(jié)萬有引力定律萬有引力定律成就與航行成就與航行宏觀與低速宏觀與低速微觀與高速微觀與高速牛頓定律牛頓定律的局限性的局限性第第5節(jié)節(jié)相對論時空觀與相對論時空觀與牛頓力學局限性牛頓力學局限性運動學視角運動學視角動力學視角動力學視角運動與相互運動與相互作用視角作用視角從運動與相互作用視角認識行星運動4.4.本單元內容分本單元內容分析析核心素養(yǎng)學習內容學習過程

5、科學思維科學探究基于觀測尋找規(guī)律提出問題實驗驗證總結規(guī)律實踐檢驗局限發(fā)展開普勒三定律太陽與行星的力月地檢驗萬有引力定律科學成就模型建構科學推理科學論證質疑創(chuàng)新問題證據解釋交流運動與相互作用觀念科學態(tài)度與責任5.5.單元學情分析單元學情分析知 識牛頓運動定律曲線運動圓周運動知 識開普勒定律萬有引力定律牛頓力學局限性能力模型建構能力邏輯分析能力科學論證能力能力數學方法研究問題科學思維極限、質疑科學探究解釋、論證認知基礎認知發(fā)展點思維障礙點：空間轉換月地檢驗認識思路6.6.單元核心素養(yǎng)目標單元核心素養(yǎng)目標（1 1）運動的觀念：）運動的觀念：開普勒從運動的視角分析行星運動的觀測數據，探究行星運動規(guī)律，

6、得到開普勒三個定律。 （2 2）相互作用觀念：）相互作用觀念：能從運動與相互作用的視角研究行星運動的動力學原因，得到萬有引力定律。 （1）通過分析行星運動，建構行星運動的軌道模型；能用數學方法分析并歸納概括出開普勒定律。（2）能運用牛頓運動定律分析推理出太陽和行星間的相互作用力。（1）能對行星運動原因，提出猜想、設計方案、獲取證據、分析結論、解釋交流得出萬有引力定律；通過分析行星運動，建構行星運動的軌道模型；能用數學方法分析并歸納概括出開普勒定律。（2）能運用牛頓運動定律和萬有引力設計“天問一號”發(fā)射方案。（1）通過物理學史的學習，體會科學發(fā)展過程的曲折與艱辛。（2）通過對黑洞、牛頓力學局限性

7、的學習，樹立正確的科學認識。（3）對我國航天事業(yè)的發(fā)展的了解有助于增強學生的民族自豪感。（4）對未知領域的探索增強學生對科學的熱愛，調動學生的學習熱情。二、整二、整 體體 設設 計計 思思 路路從運動與相互作用視角認識行星運動“向天之問”如何實現火星探測器“天問一號”發(fā)射成功？任務1：探索行星的運動規(guī)律任務2：探究行星運動的原因任務3：萬有引力與天文學的 新發(fā)現任務4：如何實現“天問一號” 成功發(fā)射任務5：“超光速”的星際航行核心任務：如何實現火星探測器“天問一號”發(fā)射成功？任務分解學習內容課時安排任務1：探索行星的運動規(guī)律開普勒定律1任務2：探究行星運動的原因“月地檢驗”萬有引力定律2任務3

8、：萬有引力與天文學的 新發(fā)現萬有引力理論的成就1任務4：如何實現“天問一號” 成功發(fā)射宇宙速度人造衛(wèi)星衛(wèi)星發(fā)射與變軌2任務5：星際旅行能超光速嗎？相對論時空觀牛頓力學局限性1 火星是人類最早注意到的天體之一，火紅色的外觀格外惹人注意，古人稱“螢星”。 2020年7月27日，“天問一號”火星探測器成功發(fā)射，邁出我國行星探測的第一步。2021年5月15日7時18分，天問一號成功著陸火星，成功完成“繞、落、巡”探測任務。 火星繞太陽運動的軌道有何特點？是什么力量支配著火星的運動？如何克服地面束縛，成功發(fā)射“天問一號”？浩瀚的星空中，我們能否超光速航行呢？情境設計情境設計三、主三、主 要要 學學 習習

9、 活活 動動 設設 計計任務1 探索行星的運動規(guī)律活動活動內容問題設置活動1交流天體運動的研究歷程(1)日心說與地心說只是參考系的變化嗎？(2)第谷為什么沒有發(fā)現行星的運動規(guī)律？(3)研究行星運動時，科學家建構了哪些物理模型？活動2認識橢圓軌道(1)觀察太陽系八大行星軌跡的數據特點?；顒?歸納行星的運動規(guī)律(1)開普勒第一、第二、第三定律描述的關鍵問題是什么？(2)“行星繞太陽的軌道十分接近圓”，有多接近？(3)開普勒定律對地球衛(wèi)星的運動是否適用？活動1交流天體運動的研究歷程(1)課前布置任務：閱讀科學漫步“人類對行星運動規(guī)律的認識”或查找有關描述天體運動的歷史資料。(“學生分享問題討論師生總

10、結”)(2)問題討論-1描述運動上描述運動上，不同的參考系中，運動規(guī)律的繁簡程度可能大不相同。 體會物理觀念的形成、模型的建構方法！(2)問題討論-2“對火星逆行的解釋”2014年和2016年觀測到的兩次火星軌道“逆行”現象(2)問題討論-3“地心說的蓋棺定論” 1610年，伽利略首次發(fā)現木星在空中移動時，有4個“月球（木衛(wèi)1、2、3、4）仍環(huán)繞木星公轉。說明并非所有天體均環(huán)繞地球旋轉，贊同哥白尼日心說的有關行星運動的主要依據。 從地心說到日心說不僅僅是一個參考系的改變，更多的意義是一種科學革命，使人們的科學觀念發(fā)生了根本變革?！暗厍蛞彩沁\動的”破除了絕對運動的概念“宇宙中心的轉移”導致宇宙沒

11、有中心的概念(3)總結行星運動的科學探索歷程，理清思路。天文學起步前500150托勒密地心說1543哥白尼日心說1546第谷出生1600開普勒任第谷助手1609開普勒第一定律第二定律伽利略發(fā)明望遠鏡1619開普勒第三定律 大約公元前500年，以畢達哥拉斯為首的希臘學派提出，太陽、月亮和水星、金星、火星、木星和土星這七個星體中的每一個都附在一個以地球為中心的透明大球殼上，做速率不同的勻速圓周運動。為了解釋“火星的逆行”，公元150年前后，托勒密利用“本輪”和“均輪”解釋行星的運動，“輪上輪”的總數達到80多個。1543年，波蘭學者哥白尼在他臨終的病榻上為其畢生致力的著作天體運行論簽上了自己的名字

12、，預示了地心論的終結。天才的觀測家第谷，建立了天文臺，精確地確定了777顆星體的位置，并把測量精度由10減小到2。開普勒經過70多次嘗試，哥白尼軌道與第谷的觀測有8的誤差，他沒有忽視這8的誤差，而是對天體做勻速圓周運動提出了懷疑。終于于1609年和1619年發(fā)表了行星運動的三個定律。被稱為“中世紀科學與近代科學的分水嶺”。 1609年伽利略利用望遠鏡探查天空，發(fā)現了圍繞木星旋轉的衛(wèi)星，證明地球不是天體運行的中心?；顒?認識橢圓軌道定義：平面內一個動點定義：平面內一個動點P到兩個定點到兩個定點F1、F2之和為常數，這個動點的軌跡為橢圓。之和為常數，這個動點的軌跡為橢圓。這兩個定點為橢圓的焦點。這

13、兩個定點為橢圓的焦點。活動3歸納行星的運動規(guī)律 通過分析觀測數據，體會開普勒第三定律。 開普勒定律對地球衛(wèi)星的運動是適用的。圓橢圓圓太陽行星a簡化簡化太陽行星r任務2 探索行星運動的原因活動活動內容問題設置活動1建構模型，推導太陽與行星引力表達式(1)建立怎樣的行星繞太陽運動模型？(2)什么原因使行星繞太陽運動？(3)根據牛頓定律和開普勒第三定律，推導太陽對行星引力的表達式？活動2研究地球吸引月亮的力的性質(1)月球為什么繞地球公轉？地面的蘋果為什么下落？(2)地球對月球的力、對蘋果的力性質相同嗎？如何設計實驗驗證呢？活動3認識萬有引力定律(1)萬有引力定律的適用條件？(2)估算下操場上兩個相

14、距0.5m的兩個籃球間的引力?；顒?如何測定引力常數G？(1)卡文迪什扭秤實驗的設計巧妙在哪里？(2)引力常量G的測定有何實際意義？活動1建構模型，推導太陽與行星引力表達式一切物體都有一切物體都有合并的合并的趨勢趨勢，這種趨勢導致，這種趨勢導致物體做圓周運動。物體做圓周運動。伽利略伽利略行星繞太陽運動是因為受到了行星繞太陽運動是因為受到了太陽對太陽對它的引力它的引力，甚至證明了如果行星的軌，甚至證明了如果行星的軌道是圓形的，它所受引力的大小跟行道是圓形的，它所受引力的大小跟行星到太陽的距離的二次方成反比。星到太陽的距離的二次方成反比。胡克胡克笛卡爾笛卡爾宇宙由不停旋轉宇宙由不停旋轉著的微粒所組

15、成，著的微粒所組成，微粒的運動形成微粒的運動形成漩渦漩渦。太陽和行。太陽和行星在各自的漩渦星在各自的漩渦中。行星的漩渦中。行星的漩渦帶動衛(wèi)星運動，帶動衛(wèi)星運動，太陽的漩渦帶動太陽的漩渦帶動行星和衛(wèi)星一起行星和衛(wèi)星一起運動。運動。rTmF224行kTr23224rmkF2rmF 太mF 2rmmGF太2rmmF太從行星運動規(guī)律到萬有引力定律的建立過程，使學生經歷完整的科學探究過程。活動2研究地球吸引月亮的力的性質想法由來？目的：檢驗讓月亮“下落”的力與讓蘋果下落的力是否遵循同樣的規(guī)律？2rmmGF地月2rmGmFa地月月2RmmGF地蘋2RmGmFa地蘋蘋22rRaa蘋月36001蘋月aa月球與

16、地球中心距離月球與地球中心距離r約為地球半徑約為地球半徑R R的的6060倍倍活動2月地檢驗如何設計方案檢驗呢？ 16841684年，牛頓用了相當復雜的幾何方法，考慮到開普勒第二定律，明年，牛頓用了相當復雜的幾何方法，考慮到開普勒第二定律，明確地證明了在行星的橢圓軌道下萬有引力的表達式依然成立。確地證明了在行星的橢圓軌道下萬有引力的表達式依然成立。活動4如何測定引力常數G？1789卡文迪什在室外用望遠鏡觀測扭秤卡文迪什在室外用望遠鏡觀測扭秤 牛頓得出萬有引力定律牛頓得出萬有引力定律111111年年后，英國物理學家卡文迪什在實驗后，英國物理學家卡文迪什在實驗室測出了引力常量。室測出了引力常量?？?/p>

17、學方法科學方法 轉化思想、放大法轉化思想、放大法活動4如何測定引力常數G？ 萬有引力常量是目前測得最不精確的一個基本物理常量，因為引力太弱，萬有引力常量是目前測得最不精確的一個基本物理常量，因為引力太弱，又不能屏蔽對它的干擾，實驗很難做。又不能屏蔽對它的干擾，實驗很難做。 2018 2018年年8 8月月3030日，日，自然自然刊發(fā)了中國科學院院士刊發(fā)了中國科學院院士羅俊團隊用兩種方法最新測量的萬有引力常數羅俊團隊用兩種方法最新測量的萬有引力常數G值，為值，為6.6741846.674184（6.6744846.674484）1010-11-11m m3 3/(kgs/(kgs2 2) ) ，

18、不確定度僅，不確定度僅為為0.00116%0.00116%， 英國物理學家坡印廷曾對這個實驗下過這樣的評語英國物理學家坡印廷曾對這個實驗下過這樣的評語:“:“開創(chuàng)了弱力測量開創(chuàng)了弱力測量的新時代。的新時代?！笨ㄎ牡鲜惨脖蝗藗冏u為卡文迪什也被人們譽為“第一個稱地球的人第一個稱地球的人”。任務3 萬有引力與天文學的新發(fā)現活動活動內容問題設置活動1萬有引力如何被檢驗？(1)預言哈雷彗星的回歸(2)預言未知天體活動2研究不同緯度重力變化的原因(1)萬有引力與地面物體重力的關系？(2)同一物體在不同位置的稱重為什么有變化？活動3稱一稱“地球質量”(1)如何稱量地球的質量？(2)如何測量太陽的質量？活動4

19、探索萬有引力定律其他應用查詢資料，了解萬有引力定律還有哪些應用（如預測地球形狀、解釋潮汐現象、指導重力探礦等）活動1萬有引力如何被檢驗？ 一個成功的理論不僅要能解釋已知的事實，更重要的是能預言一個成功的理論不僅要能解釋已知的事實，更重要的是能預言未知的現象。未知的現象。 科學探究科學探究 “ “問題問題”素養(yǎng)素養(yǎng)活動2研究不同緯度重力變化的原因(1)忽略地球自轉影響（模型建構）地球質量：黃金代換：重力加速度：N1FN2Fmg赤赤mg極極(2)考慮地球自轉影響（模型建構）兩極：不自轉平衡態(tài)：F=N，地面看 N1=mg極，mg極即為F。赤道：隨地球自轉勻速圓周運動： F - N2=m2R，地面看

20、N2=mg赤，即mg赤=F-m2R。兩極重力加速度大，赤道小。F向向rRF萬萬Nmg某一緯度：先找圓周，r = R cos向心力為 F 與 N3 合力。地面看 N3=mg，相當于F 分解為mg和向心力。二者夾角： m2Rcossin/F二者大小差異：mg F - m2Rcos2m 0.002 rad =0.115 已知地球半徑為6400km，地球自轉一周24小時?？山朴嬎愠嗟捞幬矬w隨地球轉動的向心加速度。 活動3稱一稱“地球質量”稱量地球質量稱量地球質量計算天體質量計算天體質量“不考慮地球不考慮地球自轉影響自轉影響”MgGM=gR2研究行星，由研究行星，由F引引=F向向 可求恒星的質量?？汕?/p>

21、恒星的質量。方法方法研究行星的衛(wèi)星，由研究行星的衛(wèi)星，由F引引=F向向 可求行星的可求行星的質量。質量。推廣推廣研究公轉天體，由研究公轉天體，由F引引=F向向 可求中心天體可求中心天體質量。質量。一般方法一般方法需已知半徑需已知半徑 r 和和一個運動量（一個運動量（T、v、a、），或），或其他等效條件其他等效條件關于開普勒關于開普勒第三定律第三定律 r3/T2的問題的問題任務4 如何實現“天問一號”成功發(fā)射活動活動內容問題設置活動1多大速度才能發(fā)射人造地球衛(wèi)星？(1)地面拋出的物體速度越來遠大，還做平拋運動嗎？(2)物體繞地球運行的速度多大？活動2比較不同軌道的人造衛(wèi)星(1)繞行地球的衛(wèi)星，它

22、的軌道中心在哪里？(2)高軌道與低軌道衛(wèi)星相比，哪個運行速度大？(3)地球同步衛(wèi)星的軌道和周期有什么特點？活動3揭秘：“天問一號”的發(fā)射與軌道轉移(1)“天問一號”發(fā)射速度大于第二宇宙速度嗎？(2)“天問一號”是如何變軌的？活動4了解我國的載人航天與太空探索歷程查詢資料，匯報交流：我國航天事業(yè)的發(fā)展制作海報：載人航天與太空探索的大事記活動1多大速度才能發(fā)射人造地球衛(wèi)星？方法一：方法一：物體在地球附近繞地球運動時，太陽作用可以忽略物體在地球附近繞地球運動時，太陽作用可以忽略方法二：方法二：物體在地球附近繞地球運動時，可近似認為向心力物體在地球附近繞地球運動時，可近似認為向心力是由重力提供的是由重

23、力提供的活動2比較不同軌道的人造衛(wèi)星Mrm環(huán)繞天體中心天體將環(huán)繞天體的運動視為勻速圓周運動，發(fā)展力與運動的觀念將環(huán)繞天體的運動視為勻速圓周運動，發(fā)展力與運動的觀念活動3“天問一號”的發(fā)射與軌道轉移發(fā)射速度：發(fā)射速度：衛(wèi)星在地面附近離開發(fā)射裝置時相對于地心的運動速度；衛(wèi)星在地面附近離開發(fā)射裝置時相對于地心的運動速度；運行速度：運行速度：指衛(wèi)星在軌道繞地球做勻速圓周運動時相對于地心的線速度。指衛(wèi)星在軌道繞地球做勻速圓周運動時相對于地心的線速度。實際發(fā)射繞地球運行的衛(wèi)星，全程速度均可小于第一宇宙速度?！疤熘垡惶枴贝蛛x參數從地表發(fā)射的速度從地表發(fā)射的速度活動3揭秘：“天問一號”的發(fā)射與軌道轉移(1

24、)變軌點P、Q 處的情況軌道3到2、軌道2到1(2)在橢圓軌道上從PQP 的速度變化？PQ123活動4我國的載人航天與太空探索歷程中國航天事業(yè)的三個里程碑：中國航天事業(yè)的三個里程碑：19701970年年4 4月月2424日成功發(fā)日成功發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星。射第一顆人造地球衛(wèi)星。20032003年年1010月月1515日楊利偉乘坐日楊利偉乘坐“神舟五號神舟五號”飛船遨游太空飛船遨游太空, ,中國第一次載人航天飛船進中國第一次載人航天飛船進入太空。入太空。20072007年年1010月月2424日日“嫦娥一號嫦娥一號”衛(wèi)衛(wèi)星的成功發(fā)射星的成功發(fā)射, ,中國開始對月球進中國開始對月球進行探測活動。

25、行探測活動。探月工程探月工程增加航天成就，進行情感態(tài)度教育 任務5 星際旅行能超光速嗎？活動活動內容問題設置活動1能夠超光速嗎？(1)星球上的觀察者測量到的激光速度是多少?(2)光傳播的速度是 c ，是相對哪個參考系的?(3)為解決力學和實驗矛盾，愛因斯坦做了什么假設?活動2同時是相對的嗎？(1)同時是相對的嗎？(2)空間距離是否也會與物體的運動有關?(3)上述表達式有沒有得到實驗的證明?活動3經典力學的適用范圍是什么？(1)經典力學取得的偉大成就有哪些?(2)經典力學還有什么領域不能用?(3)經典力學過時了嗎? 我們是否仍要學習經典力學?活動1能夠超光速嗎？問題情景: 設想人類可以利用飛船以

26、 0. 2c 的速度進行星際航行，若飛船向正前方的某一星球發(fā)射一束激光觀察者看到的光速多大？時間延緩效應長度收縮效應活動2同時是相對的嗎？實驗證據：子壽命變長 19711971年，美國科學家將幾只銫原年，美國科學家將幾只銫原子鐘同步，然后把其中的四只分子鐘同步，然后把其中的四只分別放在兩架飛機上，一架向東飛，別放在兩架飛機上，一架向東飛，一架向西飛，最后發(fā)現跟留在地一架向西飛，最后發(fā)現跟留在地面的鐘相比，向東飛的飛機上的面的鐘相比，向東飛的飛機上的鐘鐘慢了慢了5959納秒，而向西飛的飛機納秒，而向西飛的飛機上的鐘快了上的鐘快了273273納秒納秒 在現代常用的粒子加速器中，粒子可以被加速到在現

27、代常用的粒子加速器中，粒子可以被加速到0.9998c0.9998c的高速。從表中可以看的高速。從表中可以看出，這時從加速器中高速運動的粒子的角度觀測，原長出，這時從加速器中高速運動的粒子的角度觀測，原長1m1m的管道，沿它運動方向測的管道，沿它運動方向測量僅有約量僅有約2cm2cm了。了。高能加速器實驗驗證了高能加速器實驗驗證了相對論時空觀的正確性相對論時空觀的正確性長度收縮與運動速度的關系長度收縮與運動速度的關系速度速度v（m/s)靜止長度靜止長度(m) 運動長度運動長度(m)0.1c10.9950.5c10.8660.8c10.60.9c10.4360.97c10.2430.99c10.1410.999c10.0450.9998c10.02實驗證據空間和時間空間和時間是兩個獨立是兩個獨立的觀念，彼的觀念，彼此間沒有聯(lián)此間沒有聯(lián)系。系。絕對時絕對時空觀空觀空間距離空間距離和時間進和時間進程都跟物程都跟物體的運動體的運動狀態(tài)有關。狀態(tài)有關。相對論相對論絕對時絕對時空觀空觀活動3經典力學的適用范圍是什么？ 經典力學的基礎是牛頓運動定律，萬有引力定律更是確立了牛頓的地位。牛頓運動定律和萬有引力定律在宏觀、低速的廣闊領域經受了實踐的檢驗。高速世界相對論微觀世界量子