1、高中物理必修高中物理必修2 2 第七章第七章万有引力与宇宙航行万有引力与宇宙航行单元教学设计及教材分析单元教学设计及教材分析一、单元主题分析一、单元主题分析二、整体设计思路二、整体设计思路三、主要学习活动设计三、主要学习活动设计四、学习评价与作业设计四、学习评价与作业设计五、附录：万有引力推导五、附录：万有引力推导一、单一、单 元元 主主 题题 分分 析析 本章描述了人类对天体运动规律的探究过程，展现了牛顿力学的巨大价值，介绍了人类走向太空的努力。对万有引力定律的探索和求证过程，引导学生学习科学家们富有创造而又严谨的科学思维和科学态度。对万有引力定律应用的学习，使学生体会万有引力定律的重要价值
2、。随着我国航天事业的飞速发展，这部分的知识也成为学生学习的热点和重点。原教材原教材 万有引力与航天万有引力与航天 1. 行星的运动 2. 太阳与行星间的引力 3. 万有引力定律 4. 万有引力理论的成就 5. 宇宙航行 6. 经典力学的局限性新教材新教材 万有引力与宇宙航行万有引力与宇宙航行 1. 行星的运动 2. 万有引力定律 3. 万有引力理论的成就 4. 宇宙航行 5. 相对论时空观与牛顿力学的局限性 回顾过去万有引力定律的建立过程展示现在万有引力定律成就与我国航天事业发展展望未来超越牛顿力学 1.新旧教材章节结构对比新旧教材章节结构对比2.普通高中物理课程标准普通高中物理课程标准（20
3、172017年版年版20202020年修订年修订） 对本单元内容要求对本单元内容要求曲线运动与曲线运动与万有引力定律万有引力定律课课 标标牛顿力学局限性牛顿力学局限性与相对论初步与相对论初步2.2.4 通过史实，了解万有引力定律的发现过程。知道万有引力定律。认识发现万有引力定律的重要意义。认识科学定律对人类探索未知世界的作用。 2.2.5 会计算人造地球卫星的环绕速度。知道第二宇宙速度和第三宇宙速度。2.3.1 知道牛顿力学的局限性，体会人类对自然界的探索是不断深入的。 2.3.2 初步了解相对论时空观。 2.3.3 关注宇宙起源和演化的研究进展。 3.单元教学流程单元教学流程对行星运对行星运
4、动的思考动的思考行星运动行星运动的规律的规律第第1节节行星的运行星的运动动天体运动天体运动的原因的原因万有引力万有引力定律定律第第2节节万有引力万有引力定律定律探测未知天体探测未知天体卫星发射卫星发射万有引力定律万有引力定律的应用的应用第第3、4节节万有引力定律万有引力定律成就与航行成就与航行宏观与低速宏观与低速微观与高速微观与高速牛顿定律牛顿定律的局限性的局限性第第5节节相对论时空观与相对论时空观与牛顿力学局限性牛顿力学局限性运动学视角运动学视角动力学视角动力学视角运动与相互运动与相互作用视角作用视角从运动与相互作用视角认识行星运动4.4.本单元内容分本单元内容分析析核心素养学习内容学习过程
5、科学思维科学探究基于观测寻找规律提出问题实验验证总结规律实践检验局限发展开普勒三定律太阳与行星的力月地检验万有引力定律科学成就模型建构科学推理科学论证质疑创新问题证据解释交流运动与相互作用观念科学态度与责任5.5.单元学情分析单元学情分析知 识牛顿运动定律曲线运动圆周运动知 识开普勒定律万有引力定律牛顿力学局限性能力模型建构能力逻辑分析能力科学论证能力能力数学方法研究问题科学思维极限、质疑科学探究解释、论证认知基础认知发展点思维障碍点：空间转换月地检验认识思路6.6.单元核心素养目标单元核心素养目标（1 1）运动的观念：）运动的观念：开普勒从运动的视角分析行星运动的观测数据，探究行星运动规律，
6、得到开普勒三个定律。 （2 2）相互作用观念：）相互作用观念：能从运动与相互作用的视角研究行星运动的动力学原因，得到万有引力定律。 （1）通过分析行星运动，建构行星运动的轨道模型；能用数学方法分析并归纳概括出开普勒定律。（2）能运用牛顿运动定律分析推理出太阳和行星间的相互作用力。（1）能对行星运动原因，提出猜想、设计方案、获取证据、分析结论、解释交流得出万有引力定律；通过分析行星运动，建构行星运动的轨道模型；能用数学方法分析并归纳概括出开普勒定律。（2）能运用牛顿运动定律和万有引力设计“天问一号”发射方案。（1）通过物理学史的学习，体会科学发展过程的曲折与艰辛。（2）通过对黑洞、牛顿力学局限性
7、的学习，树立正确的科学认识。（3）对我国航天事业的发展的了解有助于增强学生的民族自豪感。（4）对未知领域的探索增强学生对科学的热爱，调动学生的学习热情。二、整二、整 体体 设设 计计 思思 路路从运动与相互作用视角认识行星运动“向天之问”如何实现火星探测器“天问一号”发射成功？任务1：探索行星的运动规律任务2：探究行星运动的原因任务3：万有引力与天文学的 新发现任务4：如何实现“天问一号” 成功发射任务5：“超光速”的星际航行核心任务：如何实现火星探测器“天问一号”发射成功？任务分解学习内容课时安排任务1：探索行星的运动规律开普勒定律1任务2：探究行星运动的原因“月地检验”万有引力定律2任务3
8、：万有引力与天文学的 新发现万有引力理论的成就1任务4：如何实现“天问一号” 成功发射宇宙速度人造卫星卫星发射与变轨2任务5：星际旅行能超光速吗？相对论时空观牛顿力学局限性1 火星是人类最早注意到的天体之一，火红色的外观格外惹人注意，古人称“萤星”。 2020年7月27日，“天问一号”火星探测器成功发射，迈出我国行星探测的第一步。2021年5月15日7时18分，天问一号成功着陆火星，成功完成“绕、落、巡”探测任务。 火星绕太阳运动的轨道有何特点？是什么力量支配着火星的运动？如何克服地面束缚，成功发射“天问一号”？浩瀚的星空中，我们能否超光速航行呢？情境设计情境设计三、主三、主 要要 学学 习习
9、 活活 动动 设设 计计任务1 探索行星的运动规律活动活动内容问题设置活动1交流天体运动的研究历程(1)日心说与地心说只是参考系的变化吗？(2)第谷为什么没有发现行星的运动规律？(3)研究行星运动时，科学家建构了哪些物理模型？活动2认识椭圆轨道(1)观察太阳系八大行星轨迹的数据特点。活动3归纳行星的运动规律(1)开普勒第一、第二、第三定律描述的关键问题是什么？(2)“行星绕太阳的轨道十分接近圆”，有多接近？(3)开普勒定律对地球卫星的运动是否适用？活动1交流天体运动的研究历程(1)课前布置任务：阅读科学漫步“人类对行星运动规律的认识”或查找有关描述天体运动的历史资料。(“学生分享问题讨论师生总
10、结”)(2)问题讨论-1描述运动上描述运动上，不同的参考系中，运动规律的繁简程度可能大不相同。 体会物理观念的形成、模型的建构方法！(2)问题讨论-2“对火星逆行的解释”2014年和2016年观测到的两次火星轨道“逆行”现象(2)问题讨论-3“地心说的盖棺定论” 1610年，伽利略首次发现木星在空中移动时，有4个“月球（木卫1、2、3、4）仍环绕木星公转。说明并非所有天体均环绕地球旋转，赞同哥白尼日心说的有关行星运动的主要依据。 从地心说到日心说不仅仅是一个参考系的改变，更多的意义是一种科学革命，使人们的科学观念发生了根本变革。“地球也是运动的”破除了绝对运动的概念“宇宙中心的转移”导致宇宙没
11、有中心的概念(3)总结行星运动的科学探索历程，理清思路。天文学起步前500150托勒密地心说1543哥白尼日心说1546第谷出生1600开普勒任第谷助手1609开普勒第一定律第二定律伽利略发明望远镜1619开普勒第三定律 大约公元前500年，以毕达哥拉斯为首的希腊学派提出，太阳、月亮和水星、金星、火星、木星和土星这七个星体中的每一个都附在一个以地球为中心的透明大球壳上，做速率不同的匀速圆周运动。为了解释“火星的逆行”，公元150年前后，托勒密利用“本轮”和“均轮”解释行星的运动，“轮上轮”的总数达到80多个。1543年，波兰学者哥白尼在他临终的病榻上为其毕生致力的著作天体运行论签上了自己的名字
12、，预示了地心论的终结。天才的观测家第谷，建立了天文台，精确地确定了777颗星体的位置，并把测量精度由10减小到2。开普勒经过70多次尝试，哥白尼轨道与第谷的观测有8的误差，他没有忽视这8的误差，而是对天体做匀速圆周运动提出了怀疑。终于于1609年和1619年发表了行星运动的三个定律。被称为“中世纪科学与近代科学的分水岭”。 1609年伽利略利用望远镜探查天空，发现了围绕木星旋转的卫星，证明地球不是天体运行的中心。活动2认识椭圆轨道定义：平面内一个动点定义：平面内一个动点P到两个定点到两个定点F1、F2之和为常数，这个动点的轨迹为椭圆。之和为常数，这个动点的轨迹为椭圆。这两个定点为椭圆的焦点。这
13、两个定点为椭圆的焦点。活动3归纳行星的运动规律 通过分析观测数据，体会开普勒第三定律。 开普勒定律对地球卫星的运动是适用的。圆椭圆圆太阳行星a简化简化太阳行星r任务2 探索行星运动的原因活动活动内容问题设置活动1建构模型，推导太阳与行星引力表达式(1)建立怎样的行星绕太阳运动模型？(2)什么原因使行星绕太阳运动？(3)根据牛顿定律和开普勒第三定律，推导太阳对行星引力的表达式？活动2研究地球吸引月亮的力的性质(1)月球为什么绕地球公转？地面的苹果为什么下落？(2)地球对月球的力、对苹果的力性质相同吗？如何设计实验验证呢？活动3认识万有引力定律(1)万有引力定律的适用条件？(2)估算下操场上两个相
14、距0.5m的两个篮球间的引力。活动4如何测定引力常数G？(1)卡文迪什扭秤实验的设计巧妙在哪里？(2)引力常量G的测定有何实际意义？活动1建构模型，推导太阳与行星引力表达式一切物体都有一切物体都有合并的合并的趋势趋势，这种趋势导致，这种趋势导致物体做圆周运动。物体做圆周运动。伽利略伽利略行星绕太阳运动是因为受到了行星绕太阳运动是因为受到了太阳对太阳对它的引力它的引力，甚至证明了如果行星的轨，甚至证明了如果行星的轨道是圆形的，它所受引力的大小跟行道是圆形的，它所受引力的大小跟行星到太阳的距离的二次方成反比。星到太阳的距离的二次方成反比。胡克胡克笛卡尔笛卡尔宇宙由不停旋转宇宙由不停旋转着的微粒所组
15、成，着的微粒所组成，微粒的运动形成微粒的运动形成漩涡漩涡。太阳和行。太阳和行星在各自的漩涡星在各自的漩涡中。行星的漩涡中。行星的漩涡带动卫星运动，带动卫星运动，太阳的漩涡带动太阳的漩涡带动行星和卫星一起行星和卫星一起运动。运动。rTmF224行kTr23224rmkF2rmF 太mF 2rmmGF太2rmmF太从行星运动规律到万有引力定律的建立过程，使学生经历完整的科学探究过程。活动2研究地球吸引月亮的力的性质想法由来？目的：检验让月亮“下落”的力与让苹果下落的力是否遵循同样的规律？2rmmGF地月2rmGmFa地月月2RmmGF地苹2RmGmFa地苹苹22rRaa苹月36001苹月aa月球与
16、地球中心距离月球与地球中心距离r约为地球半径约为地球半径R R的的6060倍倍活动2月地检验如何设计方案检验呢？ 16841684年，牛顿用了相当复杂的几何方法，考虑到开普勒第二定律，明年，牛顿用了相当复杂的几何方法，考虑到开普勒第二定律，明确地证明了在行星的椭圆轨道下万有引力的表达式依然成立。确地证明了在行星的椭圆轨道下万有引力的表达式依然成立。活动4如何测定引力常数G？1789卡文迪什在室外用望远镜观测扭秤卡文迪什在室外用望远镜观测扭秤 牛顿得出万有引力定律牛顿得出万有引力定律111111年年后，英国物理学家卡文迪什在实验后，英国物理学家卡文迪什在实验室测出了引力常量。室测出了引力常量。科
17、学方法科学方法 转化思想、放大法转化思想、放大法活动4如何测定引力常数G？ 万有引力常量是目前测得最不精确的一个基本物理常量，因为引力太弱，万有引力常量是目前测得最不精确的一个基本物理常量，因为引力太弱，又不能屏蔽对它的干扰，实验很难做。又不能屏蔽对它的干扰，实验很难做。 2018 2018年年8 8月月3030日，日，自然自然刊发了中国科学院院士刊发了中国科学院院士罗俊团队用两种方法最新测量的万有引力常数罗俊团队用两种方法最新测量的万有引力常数G值，为值，为6.6741846.674184（6.6744846.674484）1010-11-11m m3 3/(kgs/(kgs2 2) ) ，
18、不确定度仅，不确定度仅为为0.00116%0.00116%， 英国物理学家坡印廷曾对这个实验下过这样的评语英国物理学家坡印廷曾对这个实验下过这样的评语:“:“开创了弱力测量开创了弱力测量的新时代。的新时代。”卡文迪什也被人们誉为卡文迪什也被人们誉为“第一个称地球的人第一个称地球的人”。任务3 万有引力与天文学的新发现活动活动内容问题设置活动1万有引力如何被检验？(1)预言哈雷彗星的回归(2)预言未知天体活动2研究不同纬度重力变化的原因(1)万有引力与地面物体重力的关系？(2)同一物体在不同位置的称重为什么有变化？活动3称一称“地球质量”(1)如何称量地球的质量？(2)如何测量太阳的质量？活动4
19、探索万有引力定律其他应用查询资料，了解万有引力定律还有哪些应用（如预测地球形状、解释潮汐现象、指导重力探矿等）活动1万有引力如何被检验？ 一个成功的理论不仅要能解释已知的事实，更重要的是能预言一个成功的理论不仅要能解释已知的事实，更重要的是能预言未知的现象。未知的现象。 科学探究科学探究 “ “问题问题”素养素养活动2研究不同纬度重力变化的原因(1)忽略地球自转影响（模型建构）地球质量：黄金代换：重力加速度：N1FN2Fmg赤赤mg极极(2)考虑地球自转影响（模型建构）两极：不自转平衡态：F=N，地面看 N1=mg极，mg极即为F。赤道：随地球自转匀速圆周运动： F - N2=m2R，地面看
20、N2=mg赤，即mg赤=F-m2R。两极重力加速度大，赤道小。F向向rRF万万Nmg某一纬度：先找圆周，r = R cos向心力为 F 与 N3 合力。地面看 N3=mg，相当于F 分解为mg和向心力。二者夹角： m2Rcossin/F二者大小差异：mg F - m2Rcos2m 0.002 rad =0.115 已知地球半径为6400km，地球自转一周24小时。可近似计算赤道处物体随地球转动的向心加速度。 活动3称一称“地球质量”称量地球质量称量地球质量计算天体质量计算天体质量“不考虑地球不考虑地球自转影响自转影响”MgGM=gR2研究行星，由研究行星，由F引引=F向向 可求恒星的质量。可求
21、恒星的质量。方法方法研究行星的卫星，由研究行星的卫星，由F引引=F向向 可求行星的可求行星的质量。质量。推广推广研究公转天体，由研究公转天体，由F引引=F向向 可求中心天体可求中心天体质量。质量。一般方法一般方法需已知半径需已知半径 r 和和一个运动量（一个运动量（T、v、a、），或），或其他等效条件其他等效条件关于开普勒关于开普勒第三定律第三定律 r3/T2的问题的问题任务4 如何实现“天问一号”成功发射活动活动内容问题设置活动1多大速度才能发射人造地球卫星？(1)地面抛出的物体速度越来远大，还做平抛运动吗？(2)物体绕地球运行的速度多大？活动2比较不同轨道的人造卫星(1)绕行地球的卫星，它
22、的轨道中心在哪里？(2)高轨道与低轨道卫星相比，哪个运行速度大？(3)地球同步卫星的轨道和周期有什么特点？活动3揭秘：“天问一号”的发射与轨道转移(1)“天问一号”发射速度大于第二宇宙速度吗？(2)“天问一号”是如何变轨的？活动4了解我国的载人航天与太空探索历程查询资料，汇报交流：我国航天事业的发展制作海报：载人航天与太空探索的大事记活动1多大速度才能发射人造地球卫星？方法一：方法一：物体在地球附近绕地球运动时，太阳作用可以忽略物体在地球附近绕地球运动时，太阳作用可以忽略方法二：方法二：物体在地球附近绕地球运动时，可近似认为向心力物体在地球附近绕地球运动时，可近似认为向心力是由重力提供的是由重
23、力提供的活动2比较不同轨道的人造卫星Mrm环绕天体中心天体将环绕天体的运动视为匀速圆周运动，发展力与运动的观念将环绕天体的运动视为匀速圆周运动，发展力与运动的观念活动3“天问一号”的发射与轨道转移发射速度：发射速度：卫星在地面附近离开发射装置时相对于地心的运动速度；卫星在地面附近离开发射装置时相对于地心的运动速度；运行速度：运行速度：指卫星在轨道绕地球做匀速圆周运动时相对于地心的线速度。指卫星在轨道绕地球做匀速圆周运动时相对于地心的线速度。实际发射绕地球运行的卫星，全程速度均可小于第一宇宙速度。“天舟一号”船箭分离参数从地表发射的速度从地表发射的速度活动3揭秘：“天问一号”的发射与轨道转移(1
24、)变轨点P、Q 处的情况轨道3到2、轨道2到1(2)在椭圆轨道上从PQP 的速度变化？PQ123活动4我国的载人航天与太空探索历程中国航天事业的三个里程碑：中国航天事业的三个里程碑：19701970年年4 4月月2424日成功发日成功发射第一颗人造地球卫星。射第一颗人造地球卫星。20032003年年1010月月1515日杨利伟乘坐日杨利伟乘坐“神舟五号神舟五号”飞船遨游太空飞船遨游太空, ,中国第一次载人航天飞船进中国第一次载人航天飞船进入太空。入太空。20072007年年1010月月2424日日“嫦娥一号嫦娥一号”卫卫星的成功发射星的成功发射, ,中国开始对月球进中国开始对月球进行探测活动。
25、行探测活动。探月工程探月工程增加航天成就，进行情感态度教育 任务5 星际旅行能超光速吗？活动活动内容问题设置活动1能够超光速吗？(1)星球上的观察者测量到的激光速度是多少?(2)光传播的速度是 c ，是相对哪个参考系的?(3)为解决力学和实验矛盾，爱因斯坦做了什么假设?活动2同时是相对的吗？(1)同时是相对的吗？(2)空间距离是否也会与物体的运动有关?(3)上述表达式有没有得到实验的证明?活动3经典力学的适用范围是什么？(1)经典力学取得的伟大成就有哪些?(2)经典力学还有什么领域不能用?(3)经典力学过时了吗? 我们是否仍要学习经典力学?活动1能够超光速吗？问题情景: 设想人类可以利用飞船以
26、 0. 2c 的速度进行星际航行，若飞船向正前方的某一星球发射一束激光观察者看到的光速多大？时间延缓效应长度收缩效应活动2同时是相对的吗？实验证据：子寿命变长 19711971年，美国科学家将几只铯原年，美国科学家将几只铯原子钟同步，然后把其中的四只分子钟同步，然后把其中的四只分别放在两架飞机上，一架向东飞，别放在两架飞机上，一架向东飞，一架向西飞，最后发现跟留在地一架向西飞，最后发现跟留在地面的钟相比，向东飞的飞机上的面的钟相比，向东飞的飞机上的钟钟慢了慢了5959纳秒，而向西飞的飞机纳秒，而向西飞的飞机上的钟快了上的钟快了273273纳秒纳秒 在现代常用的粒子加速器中，粒子可以被加速到在现
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。从表中可以看的高速。从表中可以看出，这时从加速器中高速运动的粒子的角度观测，原长出，这时从加速器中高速运动的粒子的角度观测，原长1m1m的管道，沿它运动方向测的管道，沿它运动方向测量仅有约量仅有约2cm2cm了。了。高能加速器实验验证了高能加速器实验验证了相对论时空观的正确性相对论时空观的正确性长度收缩与运动速度的关系长度收缩与运动速度的关系速度速度v（m/s)静止长度静止长度(m) 运动长度运动长度(m)0.1c10.9950.5c10.8660.8c10.60.9c10.4360.97c10.2430.99c10.1
28、410.999c10.0450.9998c10.02实验证据空间和时间空间和时间是两个独立是两个独立的观念，彼的观念，彼此间没有联此间没有联系。系。绝对时绝对时空观空观空间距离空间距离和时间进和时间进程都跟物程都跟物体的运动体的运动状态有关。状态有关。相对论相对论绝对时绝对时空观空观活动3经典力学的适用范围是什么？ 经典力学的基础是牛顿运动定律，万有引力定律更是确立了牛顿的地位。牛顿运动定律和万有引力定律在宏观、低速的广阔领域经受了实践的检验。高速世界相对论微观世界量子力学 发展学生对发展学生对“科学本质科学本质”认识认识四、学习评价与作业设计四、学习评价与作业设计课堂观察课堂观察通过课堂师生
29、、生生对话对学生进行过通过课堂师生、生生对话对学生进行过程性评价程性评价学习学习评价评价单元作业单元作业不同类型作业设计诊断知识的落实，促不同类型作业设计诊断知识的落实，促进不同层面素养发展进不同层面素养发展作业作业类型类型作业内容作业内容设计意图设计意图检测检测目标目标基础类 开普勒第三定律指出：行星绕太阳运动的椭圆轨道的半长轴立方与公转周期的平方成正比，比例系数为k。(1)已知引力常量G和太阳质量M，建立模型推导太阳系中k的表达式并说明影响k的因素；(2)开普勒行星定律不仅适用于太阳系，对于一切具有中心的引力系统（如地球卫星）都成立。经测定，月球绕地球的轨道半径为3.8108m，运行周期为
30、27天，地球半径为6.4106m。试估算地球同步卫星距离地球表面的高度。本题主要考查开普勒第三定律的应用，以及对k的理解。模型建构科学推理作业作业类型类型作业内容作业内容设计意图设计意图检测检测目标目标拓展类 “天问一号”的发射地点在海南文昌卫星发射中心。卫星发射地点选址应该考虑哪些因素？本题考查对宇宙速度的理解，体会实际问题的处理方法。模型建构实践类结合所学知识，查询资料说明(1)为什么“天问一号”火星探测器在着陆火星过程中要多次近火制动？(2)根据“天问一号”发射过程，总结卫星发射的基本过程。本题旨在培养学生提出问题、收集信息、获取证据的能力问题证据解释交流附录附录 万有引力的推导（万有引力的推导（1 1）太阳对行星的引力提供行星绕太阳运动的向心力：根据开普勒第三定律代入上式，式中k是与中心天体(太阳)有关的量，令42 k GM，得附录附录 万有引力的推导（万有引力的推导（2 2）太阳对行星的引力提供行星绕太阳运动的向心力：根据开普勒第三定律代入上式，式中k1称为太阳高斯常数。根据引力是普遍存在的，引力规律对任何两个物体都应该是相同的。因此：行星对太阳的引力可以写成根据牛顿第三定律： k1m k2M，等式两边同除Mm，得式中G称与M、m均无关，可知： k1 GM，k2 Gm。得到：THANKS谢谢！谢谢！
