【教案】第七章+万有引力与宇宙航行+大单元教学设计高一下学期物理人教版（2019）必修第二册.docx

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1、大单元教学设计单元主题 第七章万有引力与宇宙航行单元内容一、课标对本单元的基本要求：1、 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、 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。3、 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。4、 初步了解相对论时空观。5、 关注宇宙起源和演化的研究进展。二、本单元在教材中的地位、作用及主要内容 本章主要只是是万有引力定律及其在天体运动中的作用，重点是宇宙速度中有关周期、速度变轨的计算，本章是匀速圆周运动，牛顿定律的进一步应用。在高考中占一

2、定的分数，选择题、计算题都有可能出题。除知识外，本章内容对学生学习过程和学习方法以及情感态度和价值观的教育是一个很好的机会。让学生充分体会人类对行星运动规律的认识过程和牛顿建立万有引力定律的过程，从而让学生充分感受到第谷、开普勒，伽利略，牛顿等物理学家坚持真理，用于创新和实事求是的科学态度，科学精神和科学思维方法。让学生充分感知航天事业一项尖端的科学领域事业，是创造美好生活和保家卫国不可缺少的领域。三、完成课标对本单元的基本要求要做好如下几点：1、预留作业，教师设置问题，学生提出问题，师生共同探究。第一节内容是全章知识的先导，更是学习第二节万有引力定律的基础，第二节是第一节的递进。第一节内容本

3、身很难进行探究和思维，但包含十分丰富的科学史料。因此本节的教学设计应立足于对学生进行科学态度与，责任、科学思想方法的教育。让学生通过了解科学家关于天体运动问题的研究历史，感悟科学家求真、求简的科学思想方法和科学精神。学生对有关科学家的事例可能略知一二，但对科学家的发现、创造过程还缺乏系统的了解。本节教学一般 有两种处理方法：一种是教师讲述的方法;另一种是学生先阅读（查询），再由师生共同归纳总结的方法。对于程度较好的学生采用后一种方法，预先布置任务。如：学生阅读科学漫步；查找有关天体运动的历史资料。在课堂教学中，由教师择要进行分析讨论，最后师生共同归纳出人类认识天体的大致过程，使学生对全章有一个

4、概括的认识。开普勒的三个运行定律是一个整体，它对行星运动规律的描述有一个从定量到定型的过程，第一定律是其余两个定律的基础。但三个定律描述的内容又各自独立，并不重复。开普勒第三定律蕴含着行星运动的动力学关系是牛顿万有引力定律的基础。从行星运动规律到万有引力定律的建立过程，是本章的重要内容。是极好的科学探究素材。从力的相互作用的角度对行星运动的原因探究，讨论有引力的大小和方向，最后得到万有引力定律。然后把行星的运动是万有引力提供向心力与开普勒第三定律结合，是万有引力定律知识的理解与应用的升华。2、 利用现代化教学手段，形象生动地进行理论联系实际，加深对理论知识的理解和应用。 第三节万有引力理论的成

5、就和第四节宇宙航行。这两节是本章的第二大主题，即应用万有引力定律所取得的巨大成就。称量中心天体质量，发现未知天体和宇宙航行问题等。因此在教学过程中，要充分利用电化教学及现代化教学手段，理论联系实际，充分调动学生的积极性，激发学生的空间思维能力，既能提高学生探究问题解决问题的能力，同时又能很好地进行学科素养的培养。3、 用问题引导、学生阅读和师生讨论的方式。 第五节相对论时空观与牛顿力学的局限性是本章的第三个主题，这节的目的是让学生知道牛顿力学只适用于低速、宏观的情况，让他们了解相对论的时空观，关注宇宙起源和演化的进展，体会人类对自然界的探索是不断深入的。本阶段重点是“相对论时空观”和“牛顿力学

6、的局限性。”本章前几节从牛顿发现万有引力定律，到海王星，冥王星的发现，再到宇宙航行等，介绍了万有引力定律的辉煌成就。此时介绍经典力学的局限性，目的在于使学生拓展只是开阔视的同时，正确认识物理学理论的发展与适用范围。尽管万有引力定律取得了辉煌的成就，但真理是相对的。在新的邻域还有新的规律等待我们去发现。四、 本章教材编写的特点：1、 把学生作为学习、探究的主人（1） 每节在开始就通过图片和问题引导学生的思维。（2） 教材的叙述顺序更符合学生的认知发展。特别是第二节万有引力定律，先构建了行星绕太阳做匀速圆周运动的模型，再根据学生已有的知识基础，确定力的方向，最后推导万有引力大小的表达式。（3） 对

7、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，而是采用了“思考与讨论”的方式，鼓励学生自己解决。例如，对于“相对时空观与牛顿力学的局限性”中的知识，学生接受会有一定的难度，教材则从学生已有知识和认知的角度考虑，设计了如下的思考与讨论。 已知子低速运动是的平均寿命是3.0s。当子以0.99c的速度飞行，若选择子为参考系，此时子的平均寿命是多少？对于地面上的观测者来说，平均寿命又是多少？2、 重视物理学科素养的培养（1） 重视“物理观念”素养的培养 本章中有许多内容可以成为“物理科学素养”培养的素材。在编排“行星的运动”这部分的内容时，教材及又从运动的视角探究-开普勒三个定律，又有从

8、力的视角的探究对行星运动原因的探究，强化了运动与相互作用观。（2） 重视“科学思维”素养的培养 “模型构建”是科学思维的重要内容。学生对实际问题的求解普遍感到困难，这是因为学生缺乏模型构建的经历、发法和策略，教材力求在解决问题的过程中，展示模型建立的思维过程。例如，关于“称量”地球质量，教材指出“称量”地球质量时，我们应该选择哪些物体作为研究对象？运用哪些物理规律？需要忽略的次要因素是什么？这些问题的思考和讨论，其实就是模型建立的过程。（3） 重视“科学探究”素养的培养 例如，开普勒为什么会将行星做匀速圆周运动的观念修改为椭圆运动？教材在“科学漫步”中介绍：“在他对火星轨道的研究中，70余次尝

9、试所得的结果都与第谷的观测数据有至少8的偏差。是第谷测量错了吗？开普勒对第谷数据的精确性深信不疑。他想，这不容易忽视的8也许正是因为行星的运动并非匀速圆周运动。”体现了科学探究中的“证据、解释”素养。3、 正确评价牛顿力学 万有引力定律的发现过程犹如一部壮丽的科学史诗，它歌颂了前辈科学家的科学精神，也展现了科学发展过程中科学家们富有创造而又严谨的科学思维，牛顿时代的科学家们围绕着万有引力的研究，经历了大量曲折而又闪烁智慧的科学实践。牛顿力学取得了巨大的成就，然而人们发现在高速、微观领域，牛顿力学已经无法解决所有问题。教材在这部分介绍了下相对论的两个效应、量子力学的初步知识，尽管这些具体内容对全

10、体学生来说有一定难度，但通过介绍这些内容，可以让学生知道科学总是在不断发展的。当然一个新的科学理论的建立并不意味着对原有科学理论的否定，而是原有科学理论在一定条件下成为新理论的一部分。从这个角度看，科学结论的普适性总是相对的，科学就是在不断探索更广泛使用的理论中得到发展的。五、本章各部分知识之间的逻辑关在这种知识体系结构中，我们不难看出，第三节万有引力理论成就与第四节宇宙航行，都是体现万有引力定律在天文学上的重要应用，让学生体会科学定律对人类探索未知世界的作用，体会科学的迷人魅力，激起学生对科学探究的兴趣。通过人类对太空的探索和我国在载人航天和宇宙探索方面的成就与进展的介绍增强学生民族自豪感，

11、落实“科学态度与责任”这一核心素养。因此这两节课的核心是一致的，可以进行整合为一个知识点的应用。六、针对本单元的知识体系与结构我们将进行课程资源的开发与利用在天体运行中万有引力提供向心力的方程GMmR2=m42T2R中，我们要进一步拓展开发，引导学生将此方程进一步整理为R3T2=GM42 ，让学生自己探究出为是什么在开普勒第三定律R3T2=k中的k值与中心天体有关，这是把“第一节行星运动”中留下的一个悬念通过学生自己探究解决的最好途径 。探究过程中，不仅有利于学生理解开普勒第三定律的含义，更有利于学生对万有引力定律提供向心力的理解，同时增强了学生探究问题的能力和兴趣。第三节万有引力理论的成就，

12、是万有引力定律的应用，利用万有引力定律发现位置天体；预言哈雷彗星的回归；牛顿用万有引力解释潮汐现象；关于地球形状的预测。16世纪初，麦哲伦率船队历时三年环球航行成功，被认为地球是一个球体。牛顿依据万有引力定律与其他力学规律通过理论计算，大胆预言：由于地球的自转，赤道不跟的物质向外隆起，是地球成为两极稍扁的扁球体，犹如一个橘子。迪卡尔根据涡旋假设预言，地球应是两极伸长的扁球体，犹如一个柠檬。这场“橘子与柠檬”之争持续了几十年，直到1735年，法国科学家派出了两个测量队，分别赴赤道地区和高纬度地区测量后才一锤定音。牛顿胜利了，万有引力定律接受住了考验。这些知识的拓展，其一，加深学生理解引力提供向心

13、力，在角速度一定是，半径大需要的向心力大，离心力也大，所以赤道会向外隆起；其二，为“第四节宇宙航行”中，卫星发射选择地理位置及发射方向的选择打下伏笔；其三，这种发散性思考问题方法与讨论方式，既增强了学生探究思维能力又激发了学生学习物理的兴趣。在资源的开发与拓展问题中，第四节宇宙航行是第六章圆周运动和第七章前三节知识的应用和升华。这节课最能体现知识的综合性应用的部分是，发射卫星变轨的过程，卫星由圆轨道进入椭圆轨道，再进入高轨道的离心过程和由万有引力提供向心力的结合，体现了牛顿运动定律和万有引力定律在宇宙航行中奥秘的完美体现。最后某个星球接受卫星与发射卫星的过程相对比：发射卫星的离心运动的实现，接

14、收卫星近心运动实现。卫星、航天器的对接问题，后面卫星，先减速做近心运动，降低一定高度后，在加速，做离心运动同时速度降低完成对接。结合现代化教学手段，是演义万有引力定律在航天与太空探索中的绝佳机会。同时拓展学生的视野，激发了学生爱科学、学科学、用科学的兴趣。单元学情：1、从知识结构上看，学生已经系统学习和掌握了，圆周运动的规律，向心力的来源，掌握了离心运动和近心运动的原理。能熟练应用牛顿运动定律解决动力学问题，从思维能力上看，学生知道解决问题需要建立物理模型，知道建立模型需要抓住主要因素、忽略次要因素，具备从运动与相互作用观的视角进行分析、建模、科学推理和和科学论证的能力，了解科学探究的基本思路

15、。前一章的知识恰好是这一章的基础，这一章是上一章知识的进一步应用与深化。2、涉及到物理学史（如：地心说和日心说）和科学漫步的知识，采用学生查找资料，讨论探究，师生共同归纳总结的教学方法完成。体现学生是学习的主体，加强学习的责任意识。3、本章宇宙航行，卫星发射和回收变轨过程是一个难点，是学生学好本章的障碍，要提前做好预判，设计好这类题型，从离心运动、近心运动和动势能转化的知识入手，通过探究讨论，让学生充分理解卫星变轨的原因，由动态进行受力逐级列方程，加深理解，提高学生处理问题的能力，在此基础上更能增强学生学习探究物理问题的兴趣。4、本章天体运动的知识，相对于其他章节，是学生感兴趣的一章。学生对本

16、单元知识的学习是很感兴趣进行探究的，主要是万有引力提供向心力，使得中心天体外的星体做近似圆周运动，在探究过程中更能充分发挥学生的学习积极性、想象力、构建空间模型的能力，从而更好地增强学生的学习兴趣，建立学习自信心。单元目标：教学目标知识与技能1、 知道开普勒三定律的内容，了解开普勒第三定律中k值的与中心天体有关，了解开普勒三定律的发现过程。2、 能根据行星运动规律和牛顿定律，推导太阳有行星引力表达式，了解万有引力定律的发现过程。3、 理解万有引力定律的内容、公式、使用条件，会用万有引力定律计算物体间的万有引力。4、 了解万有引力在天文学是的重要作用，熟练运用万有引力定律求解天体的质量、密度。5

17、、 熟练运用万有引力定律解决天体运行问题。会推导第一宇宙速度及理解它的意义，会用万有引力定律解答有关卫星运动原因，会用万有引力来实现宇宙航行的发射、导航和控制基本问题。6、 了解经典力学的发展历程和伟大成就，认识经典力学的局限性和适用范围。过程与方法1、 通过预留作业学生自学查找资料、探究问题、师生讨论来学习开普勒三定理的发现过程，让学生充分体会人类对星星的认识过程，让学生充分体验哥白尼、托勒密、第谷开普勒等物理学家坚持真理勇于创新、实事求是的科学态度，科学精神和思维方法。2、 根据科学探究的思路推导太阳与行星间的引力公式，体会逻辑推理在物理学中的重要性，了解牛顿发现万有引力定律的困难及不同物

18、理学家对太阳与行星引力的说法。3、 通过月地检验，让学生解放思想大胆猜想，总结出万有引力定律。4、 通过万有引力定律，推到计算天体质量、密度等相关物理量，培养学生在处理实际问题时，构建物理模型的能力，培养学生运用万有引力定律知识分析、归纳、推导、总结能力，以及处理天体问题时的思路和方法。5、 通过学生阅读，观看视频，讨论交流，教师点拨引导，让学生充分体验航天事业是科技发展的尖端邻域。正运用于我们现代生活中，在保家卫国中的重要战略位置。6、 通过课文，让学生体会一切科学都有自己的局限性，新理念会不断完善和补充旧的理论，人类对科学的认识是无止境的。情感态度与价值观1、 澄清对天体运动的模糊认识，掌

19、握人类认识自然规律的科学思维，感悟科学是人类进步的动力。2、 体会万有引力定律，在人类揭示自然界奥秘中的巨大作用。让学生感悟到理论来源于实践，反过来又可以指导实践的辩证唯物主义观点。3、 有人类对天体的探索过程，培养学生尊重客观事实，实事求是的科学态度，让学生认识到科学的想象力，是建立在对食物长期深入观察实验，抽象归纳基础之上，形成提出问题，猜想与假设，简化模型演绎与推理相结合的思维方法。4、 学习物理学家坚持真理，勇于创新与不惜付出生命代价的科学态度和科学精神。5、 介绍我国航天事业的发展现状，激发学生学习科学，热爱科学的激情，增强民族自信心与民族自豪感。6、 通过对牛顿力学使用范围的讨论使

20、学生知道物理学的结论与规律都有其适用范围，认识知识的变化性和无穷性，激发学生献身于科学的时代精神。重点和难点重点：人类对行星规律的认识，开普勒三定律的内容，万有引力定律的内容及表达式，第一宇宙速度的推导。难点：人类对行星规律的认识，对开普勒三定律的内容的理解，牛顿解决引力问题的困难理论探究行星与太阳的引力表达式，月地检验和万有引力定律的应用，万有引力，重力提供向心力的区别与联系，人造卫星运行的轨道速度与卫星发射速度的区别。关键点，对静止在地面上的物体来说，万有引力近似等于重力，对环绕地球做匀速圆周运动的卫星、宇宙飞船来说，万有引力充当向心力。策略方法1、 通过预习阅读，观看视频，讨论交流，教师

21、点拨，让学生充分了解科学史，掌握科学研究，思维方法，学习科学家实事求是的科学思想，提高学生的科学素养。2、 体现课程的时代性，加强生活科技与社会的联系整合丰富课程资源，提高学生爱国意识和爱国情怀。3、 让学生通过问题的探究建立空间模型。采用探究交流合作，及小组合作等多种教学方法，提高教学效益，效果，效率，为学生的发展奠定基础，为学生的终身发展负责。具体课时分配1、 行星的运动 1课时2、 万有引力定律 1课时3、 万有引力的理论成就 2课时4、 宇宙航行 2课时5、 相对论时空观与牛顿力学的局限性 2课时单元教学活动规划1层级 行星的运动知识内容安排：两种“学说”，开普勒行星运动规律及其推广。

22、核心情境：展示天体运动、航天员等视频图片。问题创设：天体的运动遵循什么规律？什么是宇宙的中心？教学思路梳理：1、 课前自主学习和课上小组交流，探究“日心说”和“地心说”的焦点。2、 通过阅读、展示、交流探究开普勒行星运动规律建立的过程。3、 播放行星沿各自轨道运行的视频，是学生认识多数行星运行的轨道与“圆”接近，引出开普勒三大定律按“圆”轨道处理时，如何表述？教学难点突破策略1、 通过相关视频、图片、文字等资料展示行星运动规律的认识过程。2、 课前查找行星运动的相关数据，课上交流讨论。2层级 万有引力定律知识内容安排：月-地检验、万有引力定律、引力常量的测定及意义。核心情境：视频展示行星绕太阳

23、运行。问题创设：什么原因使行星绕太阳运动？如何建立行星绕太阳运动的物理模型？行星绕太阳运动、月球绕地球运动、苹果从树上下落，它们之间的作用力是同一种引力吗？教学思路梳理：1、 通过问题的提出、猜想、建模、演绎与推理、结论的得出、合理外推、检验论证、得出结论的探究过程，建立万有引力定律。2、 自主学习、交流讨论，了解引力常量G的测量及其意义。教学难点突破策略：采用了进阶式问题推动到学法推导万有引力定律，播放视频介绍卡文迪许扭称实验。3层级 万有引力定律的应用（第三节和第四节整合）知识内容安排：“称量”地球的质量、计算天体的质量、发现未知行星、人造卫星与宇宙速度，人类航天事业的发展史。核心情境：展

24、示物体随地球自转视频、古人的“飞天梦”图片、飞船的视频动画等。问题创设：如何应用万有引力定律“称量”地球的质量？不考虑地球自转的影响，物体的重力与万有引力有什么关系？为什么卡文迪什扭秤实验说成是“称量”地球的质量？这个发法是否可以测量太阳的质量？若抛出的物体速度足够大时，物体不在落回地面物体不在落回地面，成为人造地球卫星，你能计算出这个速度吗？教学思路梳理：1、 通过师生问辩互动的方式，建立天体运动的模型，梳理解决天体运动问题的思路。2、 动画演示、自主学习、讨论交流，推导第一宇宙速度，了解航天事业发展史。教学难点突破策略：1、 设计教学任务，将大任务拆分成阶梯式问题，逐步引导、点评、归纳。2

25、、通过视频、图片、动画展示天体运动及人造卫星的发射与绕行，引导学生构建模型，梳理思路。4层级 经典力学的局限性知识内容安排：相对论时空观，牛顿力学的局限性。核心情境：展示图片，设想人类可以利用飞船以0.2c的速度进行星际航行。问题创设：若飞船向正前方某一星球发射一束激光，该星球上的观察者测量到的激光速度是多少？教学思路梳理：通过课前查找相关资料，自主学习，问题驱动，交流讨论的方式了解相对论时空观和牛顿力学的局限性。教学难点突破策略：设置情境，以问题引导推理让学生接受相对论时空观。单元教学评价活动设计 课堂教学要以“教、学、评”一体化促进学生核心素养的发展，“教、学、评”一体化是以教师的教、学生的学以及评价组成一个有机整体，以评促进教与学，在物理单元教学中，通过教学评价可以促进学生深度学习。单元教学评价的内容框架图：结束语“单元教学设计 ”不是将原有知识在教学中简单累加，而是依据课程标准和核心素养，整合教材内容，基于学情基础上，以单元核心内容为重心，以形成大思路为重点，以解决实际问题为目标，从整体的视角进行有机重组。在本单元设计中运用“学习阶进”进行探析，为单元的教学规划寻找阶进策略，进一步完善了运动与相互作用的物理观念，提升学生构建模型、逻辑推理的思维，培养学生科学探究意识从而提高教学质量。答案第11页，共11页学科网（北京）股份有限公司