资源简介

(共45张PPT)
《万有引力与宇宙航行》
课标研究
01
02
03
目录
对标教材
对标实践
研读课标
04
解析案例
第一部分：研读课标
普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订） 对本单元内容要求
曲线运动与
万有引力定律
课 标
牛顿力学局限性与相对论初步
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。
单元核心素养
物 理 观 念
（1）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，得到开普勒三个定律。
（2）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。
单元核心素养
科 学 思 维
（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的数学表现形式。
（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。
单元核心素养
科 学 探 究
（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。
单元核心素养
科 学 态 度 与 责 任
（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。
第二部分：对标教材
对标教材
原教材 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 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
本章内容与原来相比，虽然知识内容相差不多，但编写理念有了明显变化，教材在以下几方面进行了加强。
一、每节在开始就通过图片和问题引导学生的思维.
二、教材的叙述更符合学生的认知发展。
三、对于学生能够利用已有知识和能力解决的问题，教材尽量避免直接叙述，而采用思考与讨论的方式，鼓励学生自己解决。
对标教材
核心
素养
学习内容
学习过程
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
2.本单元内容分析
对标教材
对行星运动的思考
行星运动的规律
第1节
行星的运动
天体运动的原因
万有引力定律
第2节
万有引力定律
探测未知天体
卫星发射
万有引力定律的应用
第3、4节
万有引力定律成就与航行
宏观与低速
微观与高速
牛顿定律
的局限性
第5节
相对论时空观与牛顿力学局限性
运动学视角
动力学视角
运动与相互作用视角
从运动与相互作用视角认识行星运动
对标教材
第三部分：对标实践
对标实践
任务驱动：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+1
任务2：探究行星运动的原因 “月地检验” 万有引力定律 2+2
任务3：万有引力与天文学的 新发现 万有引力理论的成就 2+2
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+3
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
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？
对标实践
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→师生总结”)
(2)问题讨论--1
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！
对标实践
(3)总结行星运动的科学探索历程，理清思路。
天文学起步
前500
150
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，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。
对标实践
活动2——认识椭圆轨道
定义：平面内一个动点P到两个定点F1、F2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。
对标实践
活动3——归纳行星的运动规律
对标实践
圆
椭圆
圆
太阳
行星
a
简化
太阳
行星
r
对标实践
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？
对标实践
活动1——建构模型，推导太阳与行星引力表达式
一切物体都有合并的趋势，这种趋势导致物体做圆周运动。
伽利略
行星绕太阳运动是因为受到了太阳对它的引力，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星到太阳的距离的二次方成反比。
胡克
笛卡尔
宇宙由不停旋转着的微粒所组成，微粒的运动形成漩涡。太阳和行星在各自的漩涡中。行星的漩涡带动卫星运动，太阳的漩涡带动行星和卫星一起运动。
对标实践
建立简化模型：行星绕太阳做匀速圆周运动，太阳与行星可视为质点
提出问题：如何使行星绕太阳做匀速圆周运动？
猜想假设：太阳对行星间存在引力，引力应与它们间的距离有关
推理论证：根据牛顿定律和开普勒第三定律计算
太阳对行星的引力：
行星圆周运动的向心力：
行星圆周运动的规律：
行星对太阳的引力：
引力平等性
太阳与行星间的引力：
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。
对标实践
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？
对标实践
假设：地球与月球间的作用力和太阳与行星间的作用力是同一种力
假设：地球对苹果的吸引力也是同一种力
月球与地球中心距离r约为地球半径R的60倍
活动3——月地检验
如何设计方案检验呢？
对标实践
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
牛顿得出万有引力定律111年后，英国物理学家卡文迪什在实验室测出了引力常量。
科学方法
转化思想、放大法
对标实践
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 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）
对标实践
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，更重要的是能预言未知的现象。
科学探究
“问题”素养
对标实践
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：
对标实践
N1
F
N2
F
mg赤
mg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=mω2R，
地面看 N2=mg赤，
即mg赤=F-mω2R。
两极重力加速度大，赤道小。
对标实践
F向
r
R
F万
N
θ
mg
某一纬度：先找圆周，r = R cosθ
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：α ≈ mω2Rcosθsinθ/F
二者大小差异：mg ≈ F - mω2Rcos2θ
αm ≈ 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。

对标实践
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
对标实践
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
对标实践
活动1——能够超光速吗？
问题情景: 设想人类可以利用飞船以 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
对标实践
活动2——同时是相对的吗？
实验证据：μ子寿命变长
1971年，美国科学家将几只铯原子钟同步，然后把其中的四只分别放在两架飞机上，一架向东飞，一架向西飞，最后发现跟留在地面的钟相比，向东飞的飞机上的钟慢了59纳秒，而向西飞的飞机上的钟快了273纳秒
对标实践
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“科学本质”认识
对标实践
第四部分：案例解析
案例解析
案例解析
案例解析
案例解析
案例解析
探月工程
增加航天成就介绍，进行情感态度教育
案例解析
THANKS
THANKS
欢迎批评指正！

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