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第七章《万有引力与宇宙航行》学习目标与重难点分析
　　一、学习目标
　　1．知道引力常量是自然界中少数几个最重要的物理常量之一，目前推荐的标准值为G＝6.67408(31)×10-11 N·m2/kg2，知道引力常量的普适性是万有引力定律正确性的有力证据。
　　掌握第一宇宙速度的推导和三个宇宙速度的定义。
　　掌握开普勒行星运动定律和万有引力定律的具体内容，会根据定律解决具体实际问题。知道高中阶段行星椭圆轨道近似为圆轨道处理，万有引力提供行星圆周运动向心力，掌握行星绕中心天体匀速圆周运动的物理模型。
　　掌握人造地球卫星的运动规律，知道近地卫星、同步卫星的特点。知道万有引力提供人造地球卫星匀速圆周运动的向心力。
　　2．在人类探索行星运动规律历史中，了解科学家是如何从最基本的概念开始，凭借对自然现象的观测，物理模型的构建，物理理论与客观事实之间的相互支撑，不断地自我修正原有概念和模型，逐渐接近客观事实，获得物理本质规律的科学思维方法。
　　在推导行星与太阳间引力表达式的过程中，太阳吸引行星，同时行星也在吸引太阳，太阳与行星二者地位相同，应遵守相同的规律，体会牛顿第三定律和对称性这种科学思维方法的应用。
　　掌握根据地球表面重力加速度“称量”地球质量，以及借助卫星等环绕天体的运行参数计算天体质量的这两种科学方法。
　　3．通过卡文迪什扭秤实验，掌握放大微小物理量的科学方法，体会如何通过实验进行科学探究的过程。
　　通过月—地检验，理解地面物体所受地球的引力、月球所受地球的引力，以及太阳、行星间的引力，都遵从相同的物理规律，体会如何通过理论验证进行科学探究的过程。
　　4．体会科学家们实事求是、尊重客观事实、不迷信权威、敢于坚持真理和勇于探索的科学态度和科学精神。培养学生大胆猜想、严格求证、实证与推理相结合的科学态度。
　　通过对相对论时空观与牛顿力学局限性的学习，知道新的理论并没有否认以实验为支撑的原有理论，原有理论是一定条件下新理论体系中的特殊情形，科学仍然要以事实为依据，培养学生崇尚科学、尊重事实的科学态度。
　　学生通过课上分享中国的航天成就，感受中国航天事业的蓬勃发展，提升对国家强大与民族复兴的时代责任感。
　　二、重难点分析及突破策略
　　1．行星的运动
　　《行星的运动》在本章教学中起着引领作用，也为本章万有引力定律的学习起一个铺垫性的作用。本部分的突出特点是：知识容量较少，包含的科学史料十分丰富，开普勒行星运动定律的内容和物理意义比较难理解。教学的目标立足在让学生感悟科学家求真、求简的科学思想方法和科学精神的教育。学生对科学家的事例可能略知一二，但对科学家的发现、发明、创造内容的了解还不够系统和准确。所以，通过史料探究得出并理解开普勒行星运动定律被确定为本章的重点。
　　结合教学内容分析和学情分析，可以采用上课前为学生布置一些学习任务，学生先看教材学习后，教师再总结的方法。例如，先阅读教材科学漫步“人类对行星运动规律的认识”，查找有关描述天体运动的历史资料，课堂上进行交流，教师提出问题，学生讨论后归纳总结人类认识天体运动规律的历史发展进程。这样，不仅能培养学生获取资料信息、分析信息、合作交流的能力，也有利于提高学生的认知水平。在探究地心说和日心说争论的焦点时，教师可设置的问题有：地心说与日心说都认为天体绕着“宇宙的中心”做什么运动呢？细心的观察发现了行星运动的什么现象？哪种学说能更好地解释“行星的逆行”现象？通过问题引领学生认识行星运动规律。在理解开普勒行星第一定律的过程中，可以课前打印好某一行星绕太阳运动的轨道平面图，然后学生结合教材上“做一做”恰当选取半长轴和焦点去绘制椭圆，与行星的椭圆轨道进行对比，加深对开普勒第一定律的理解和掌握。行星运动规律不能用实验研究的方法，学生可以不断减小焦点距离画椭圆，去体会高中阶段行星的轨道按圆轨道近似处理。科学家对行星研究成果是天文历法基础，学生也可以结合地理学科天文部分的相关知识来学习。
　　2．万有引力定律
　　牛顿建立了伟大的万有引力定律，牛顿运动定律和万有引力定律构成了牛顿力学的核心内容。从行星运动定律到万有引力定律的建立过程，是本章的重要内容，是极好的科学探究过程。开普勒行星运动规律是从运动学角度来描述行星运动，万有引力定律是从动力学角度研究行星运动，是依据已有规律进行的演绎推理的过程。本部分内容是一个完整的探究过程，从问题的提出、猜想与假设、演绎与推理、结论的得出、检验论证等，是一次很好的探究性学习过程，此过程将人类探索未知的科学思维展现的淋漓尽致。万有引力定律的发现，明确了地球上的重物下落与天体运动的统一性。牛顿大胆的推广，找到自然界中四种基本相互作用之一，给出了自然界任意两个物体间的引力与物体的质量、二者间距离的关系，万有引力定律是科学史上最伟大的定律之一，明确向人们宣告天上和地上的物体都遵循着完全相同的科学法则。所以，万有引力定律不仅可以被确定为本单元的重点，也可以被确定是高中力学内容的重点，其推导过程是学生学习的难点。
　　结合教学内容分析和学情分析，教学上多通过启发式的设问，使牛顿的想法能够激发学生的兴趣与想象力，引发学生提出更多的问题，让学生经历一次自己“发现”万有引力定律的过程。月—地检验要充分利用教材“思考与讨论”中的数据进行验证，体验一次自我的月—地检验，感受牛顿是如何大胆假设与严格求证。卡文迪什实验是历史上非常著名和重要的实验，通过学生认真阅读教材中“拓展学习—引力常量的测量”，教学中引导学生了解和体会是如何巧妙地将物体间非常小的力显现和测量出来的，可联系必修1中如何放大微小形变的方法，也可以布置一些思考题：卡文迪什实验的重要意义是什么？这个实验设计的思路有什么巧妙之处？引力常量普适性的意义是什么？通过这些问题使学生学习和体会其中精巧的科学探究方法，例如“光杠杆”原理放大微小物理量的方法等。
　　3．万有引力理论的成就
　　本部分是万有引力定律在天文学上的主要应用，了解“称量地球质量”“计算天体质量”的基本思路，理解万有引力理论的巨大作用和价值，深刻体会科学定律对人类探索未知世界的作用，激发学生对科学探究的兴趣。所以，会用万有引力定律计算天体的质量被确定为本单元的重点。
　　结合教学内容分析和学情分析，本部分内容的核心是牛顿运动定律与万有引力定律在匀速圆周运动情境下的综合应用，要注重培养学生的科学思维方法。在称量地球质量部分，提示学生“若不考虑地球自转的影响”这个条件。在称量太阳质量时，掌握行星绕太阳做匀速圆周运动的模型，明确依据观测数据进行计算是测量中心天体质量的一种重要方法。海王星的发现和哈雷彗星的按时回归，让学生自主收集、阅读、整理资料，以小组汇报的形式，进一步展现万有引力理论的成就。
　　4．宇宙航行
　　宇宙航行是航天部分的重要知识，也是万有引力实践性成就的进一步展现。万有引力定律使人类实现了“飞天”梦想，重点是掌握卫星发射和理解第一宇宙速度，激发学生科学献身精神。三个宇宙速度的理解和第一宇宙速度推导被确定为本单元的重点。
　　根据以往的教学情况来看，学生经常对发射速度、环绕速度、逃逸速度不加区分。教学中首先从发射卫星角度来理解，三个宇宙速度都是最小发射速度，第一宇宙速度是发射人造地球卫星的最小发射速度，第二宇宙速度是逃逸地球引力束缚的最小发射速度，第三宇宙速度是脱离太阳引力束缚的最小发射速度。从卫星发射之后入轨运行，环绕地球做匀速圆周运动的角度来理解，万有引力提供向心力，卫星的线速度为，最容易发射的近地卫星，最低轨道对应最大的线速度，故才有第一宇宙速度也叫环绕速度。教学中可借助教材中科学漫步《黑洞》，明确“第一宇宙速度又叫做环绕速度，第二宇宙速度又叫做逃逸速度”。为了加深学生对宇宙速度的理解，可以举例让学生定性讨论，例如：发射神舟飞船、嫦娥四号、火星探测器的发射速度的范围。

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