（人教版2019必修第二冊）物理 第7單元《萬有引力與宇宙航行》教學設計

必修二物理大單元整體學習學程

第七單元《萬有引力與宇宙航行》

單元概述

1，【單元內(nèi)容】

萬有引力與宇宙航行單元教學內(nèi)容

核心知識及重點開普勒三大定律、萬有引力定律以及三個宇宙速度：對于行星的運動能夠分別從運動和力的角度

素養(yǎng)探究，加深運動與相互作用觀；領悟科學家們堅持真理、勇于創(chuàng)新的科學精神；體會建立模型的

科學思維；能夠在物理史實中感知并體會科學探究中的不同素養(yǎng)。

物理觀念（物質(zhì)知識呈現(xiàn)：開普勒三大定律、萬有引力定律。

觀、運動與相互作行星的運動這一問題，從運動的視角探究引出開普勒三大定律，從力的視角探究即對行星運動原

用觀、能量觀）因的探究，強化了運動與相互作用觀。

科學思維（模型構(gòu)知識呈現(xiàn)：行星的運動軌道簡化為圓；物體繞地運動時，忽略太陽的作用；稱量地球質(zhì)量時，對

建、科學推理、科研究對象、運動規(guī)律的選擇以及忽略的次要因素；

學論證、質(zhì)疑創(chuàng)"學生對實際問題的求解普遍感到因難，這是由于學生缺乏模型建構(gòu)的經(jīng)歷、方法和策略，教材

新）力求在問題解決過程中，展示模型建立的思維過程，具體做法為針對具體問題，提出一些問題。

對這些問題的思考和討論其實就是模型建構(gòu)的過程。

科學探究（問題、知識呈現(xiàn)：開普勒將行星做勻速圓周運動的觀念修改為橢圓運動；"發(fā)現(xiàn)未知天體"板塊中，理論

證據(jù)、解釋、交流）計算結(jié)果與實際觀測結(jié)果總是有一些偏差；

教材中的科學漫步模塊，介紹在對火星軌道的研究中，開普勒70余次嘗試所得的結(jié)果都與第谷

的觀測數(shù)據(jù)有至少8。的偏差。他對第谷數(shù)據(jù)的精確性深信不疑，認為偏差證明了行星的還動并非

勻速圓周運動。這體現(xiàn)了科學探究中的"證據(jù)、解釋"素養(yǎng)。"發(fā)現(xiàn)未知天體"情景中，教材中提出

了一些問題，體現(xiàn)了科學探究中的"問題"素養(yǎng)。

科學態(tài)度與責任知識呈現(xiàn)：人類對行星運動規(guī)律的認識；相對論時空觀與牛頓力學的局限性；

（科學本質(zhì)、科學其中，人類對行星運動規(guī)律的認識過程和牛頓建立萬有引力定律的過程，生動且形象地呈現(xiàn)了科

態(tài)度、社會責任）學家們實事求是、堅持真理和勇于創(chuàng)新的科學精神。相對論時空觀與牛頓力學的局限性讓學生知

道科學總是在不斷發(fā)展的。

單元學習價值本章既有人類對天體運動規(guī)律的探究過程，又介紹了經(jīng)典力學的一座豐碑一一萬有引力定律，還

涉及人類的太空之旅。第一個主題是回顧過去，介紹了托勒密的地心說、哥白尼的日心說和第谷

的觀測等，是落實物理學科素養(yǎng)的好素材，培養(yǎng)學生的科學態(tài)度與責任；第二個主題是展示現(xiàn)在，

即應用萬有引力定律所取得的巨大成就，使學生對萬有引力定律的重要意義和作用有更全面的了

解；第三個主題是展望未來，介紹萬有引力定律的局限性，讓學生知道科學結(jié)論的普適性總是相

對的，科學總是不斷發(fā)展的。

2、【課標要求】

（1）通過史實，了解萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)過程。知道萬有引力定律。認識發(fā)現(xiàn)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）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。

（3）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。

（4）初步了解相對論時空觀。

（5）關注宇宙起源和演化的研究進展。

3、【單元學習目標】

單元目標

核心知識及重點素養(yǎng)掌握開普勒三大定律、萬有引力定律，能夠計算人造衛(wèi)星的環(huán)繞速度；學習物理模型建構(gòu)

的思想一一抓住主要因素，忽略次要因素；經(jīng)歷科學探究的過程，培養(yǎng)科學探究能力；學

習天體運動的相關物理學史，體會堅持真理、大膽創(chuàng)新的科學精神。

物理觀念（物質(zhì)觀、運動開普勒三大定律、萬有引力定律

與相互作用觀、能量觀）

科學思維（模型構(gòu)建、科行星的運動軌道簡化為圓；物體繞地運動時，忽略太陽的作用；稱量地球質(zhì)量時，對研究

學推理、科學論證、質(zhì)疑對象、運動規(guī)律的選擇以及忽略的次要因素；

創(chuàng)新）

科學探究（問題、證據(jù)、開普勒將行星做勻速圓周運動的觀念修改為橢圓運動；“發(fā)現(xiàn)未知天體"板塊中，理論計算

解釋、交流）結(jié)果與實際觀測結(jié)果總是有一些偏差；

科學態(tài)度與責任（科學本人類對行星運動規(guī)律的認識；相對論時空觀與牛頓力學的局限性；

質(zhì)、科學態(tài)度、社會責任）

學情分析

學習內(nèi)容需要的基礎已有基礎學習難點

已具備的知識、方法與即將學習內(nèi)容相關的生

活經(jīng)驗基礎等

1.行星的運①了解與天體運動相關①知道行星做圓周運動；①知道行星繞太陽運動；①從資料中分析歸

動的物理學史；②了解過建模思想一一抓?、谥佬行抢@中心天體做納認識天體運動的大

②物理模型建構(gòu)的思主要因素，忽略次要因素；圓周運動需要力；致過程；②物理建模

想；③有一定分析資料、合作能力-將行星的運動

③有相信科學、堅持真交流的素養(yǎng)簡化為圓；③理解K

理的科學態(tài)度值的特點

2.萬有引力①能熟練運用牛頓運動①能較好的理解向心力、加①知道地球繞太陽、月球①萬有引力定律的

定律定律解決動力學問題；速度、速度等概念；繞地球運動并軌道為橢圓；推導過程；

②能較好的利用數(shù)學工②掌握自由落體運動、拋體②蘋果落地是受地球的吸②月-地檢驗；

具進行理論推導；和勻速圓周運動的運動規(guī)律；引；③理解萬有引力定

③理解萬有引力定律并③有一定的計算和歸納能律的范圍是萬物之

能夠相關計算；力；間，但在不同的質(zhì)量

④體會到真理的得出是尺寸的物體上，表現(xiàn)

需要堅持不懈研究并大的影響是不同的；

膽創(chuàng)新的

3.萬有引力①通過地面上的物體與①理解萬有引力定律并能進①知道潮汐現(xiàn)象、哈雷彗①"稱量地球質(zhì)量”的

定律的成地球的情況來稱量地球行相關計算；星等現(xiàn)象；基本思路；

就的質(zhì)量；②知道地球與地面上的物②知道預言并發(fā)現(xiàn)未知天②理解計算太陽質(zhì)

②分析天體與中心天體體、繞其運動的天體的運動規(guī)體，是萬有引力理論威力和量的基本思路；

的運動情況來計算天體律；價值的生動例證；

的質(zhì)量；

③掌握類比的研究思

想；

④理解萬有引力定律建

立的偉大意義；

4.宇宙航行①了解不同種類衛(wèi)星的①能依據(jù)衛(wèi)星的運動情況分①發(fā)射衛(wèi)星是有速度要求①第一宇宙速度的

特點；析受力情況；的；推導過程以及兩種表

②能夠分析人造衛(wèi)星的②能夠分析不同軌道的衛(wèi)星②衛(wèi)星的發(fā)射需要能量；達式；

受力和運動情況；的運動快慢情況；③發(fā)射衛(wèi)星到越遠的地方②理解第二宇宙速

③理解衛(wèi)星變軌問題；需要的能量越多；度和第三宇宙速度；

④能夠了解發(fā)射速度和③變軌問題中能量

環(huán)繞速度的區(qū)別和聯(lián)系；轉(zhuǎn)化和變化情況；

5.相對論時①知道牛頓力學的適用①能夠計算不同參考系下物①同一物體速度在不同的同時的相對性、時鐘

空觀與牛范圍；體的速度；參考系下是不同的；變慢效應和尺縮效應

頓力學的②了解相對論、量子論；②了解愛因斯坦的狹義相對②牛頓力學不適用于以光的理解

局限性③知道愛因斯坦狹義相論；速運動的物體運動規(guī)律

對論的基本假設；③

【單元情境】

任務情境：斗轉(zhuǎn)星移的秘密

晚飯過后，走在路邊，微風拂過臉頰，興致所致，抬頭仰望星空，發(fā)現(xiàn)固定位置的那顆星星不見了。星星的運動有

哪些規(guī)律呢？它為什么會運動，背后的原理是什么？這個原理的發(fā)現(xiàn)帶來了哪些成就？我們從中收獲了什么？

4、【學習導航】

單元名稱學習內(nèi)容學習任務學時

萬有引力與1.知識概念行星運動規(guī)律（軌跡、特點和周期）1

宇宙航行2.探究建構(gòu)萬有引力定律的推導過程2

3應.用遷移萬有引力定律的成就（理論成就和實踐性成就）4

4重.構(gòu)拓展愛因斯坦的狹義相對論1

5、【學法指導】

（1）學習本單元，關注學習內(nèi)容的前后聯(lián)系，深化和拓展運動與相互作用觀念。

（2）優(yōu)化物理結(jié)論的形成過程，突出科學思維和科學探究素養(yǎng)的培養(yǎng)。

（3）用大量實例豐富學生的體驗，加強知識與情境的聯(lián)系。

（4）突出解決問題的一般思路，為遷移創(chuàng)新打好基礎。

【分節(jié)或者知識點】

任務一：太陽東升西落，星星斗轉(zhuǎn)星移。行星的運動有怎樣的規(guī)律？（行星的運動1課時）

活動一：人類對行星運動規(guī)律的認識過程

（學生課下閱讀相關物理學史，并回答以下問題。教師在學生思考回答的基礎之上再作適當介紹。）

問題1：托勒密的地心說和哥白尼的日心說的基本觀點分別是什么？

問題2：關于運動的描述，托勒密的地心說和哥白尼的日心說有哪些相似的地方？

問題3：從運動學的角度來看，托勒密的地心說和哥白尼的日心說的區(qū)別是什么？

問題4：為什么日心說最終戰(zhàn)勝了地心說？

設計意圖：通過問題設計，引導學生的探究與思維。

活動二：開普勒行星運動定律的發(fā)現(xiàn)過程及其意義

問題1：開普勒能夠得到行星運動定律的原因有哪些？

問題2：開普勒第一、第二、第三定律描述的關鍵問題是什么？

問題3：教材通過畫圖說明“行星繞太陽的軌道十分接近圓"，到底有多接近呢？

問題4.：開普勒行星運動定律對地球衛(wèi)星的運動是否適用？

設計意圖：通過對問題1的思考，學生能夠感悟求真、求簡的科學精神。問題3體現(xiàn)了對模型的建構(gòu)，讓學生體會

合理近似對問題解決的幫助。

回扣問題：太陽東升西落，星星斗轉(zhuǎn)星移。行星的運動有怎樣的規(guī)律？

任務二：行星為什么會繞太陽運動？歷史上科學家是怎么認識的？（萬有引力定律2課時）

活動一：關于行星運動原因的探究一一動力學角度研究行星運動的原因

問題1：阻礙科學家獲得正確認識的原因主要是什么？

問題2：牛頓是怎么認識的？他獲得成功的原因是什么？

活動二：引力方向和大小的探究

（萬有引力定律的真實推導過程對高中生來說，是很難理解的。為了讓學生有思維素養(yǎng)的提升，應該讓學生經(jīng)歷必

要的推導過程。下面以問題串的形式來引導學生思考。）

問題1：若行星繞太陽的運動可看作是勻速圓周運動，太陽與行星間引力的方向是什么方向？為什么？

問題2：引力大小與什么因素有關？表達式又是怎樣的呢？（因天文觀測難以直接得到行星運動的速度0,可以測

2

p__m__4_n__r

得行星公轉(zhuǎn)的周期τ,可得到-T2

問題3：如果我們要通過天文觀測驗證上述公式，該怎么辦呢？

問題4：力與距離成正比嗎？相距越遠的物體受到的力可能越大嗎？

問題5：在我們學過的知識中，有描述軌道半徑r與周期T之間關系的公式嗎？

問題6.：太陽對行星的作用力只跟行星質(zhì)量有關嗎？還能從什么角度幫助我們向前更進一步？

m太

F'a產(chǎn)?

問題7：牛頓第三定律能否幫助我們得到

m太

F'a

問題8：想到r2的原因是什么？這是推理還是創(chuàng)新？

Fa巴Fa吆

問題9：依據(jù)產(chǎn)、r2和F=F,你能歸納出什么？

活動三：月一地檢驗

（考慮到直接證明"月球繞地球運動的力與使蘋果下落的力是同一種力"有一定難度，可采用"分步走"的策略，"假設

地球?qū)υ虑虻淖饔昧εc大陽對行里的作用力是同一種力”"假設地球?qū)μO果的力也是同一種力”。）

問題1：假設地球?qū)υ虑虻淖饔昧εc太陽對行星的作用力是同一種力，其表達式是怎祥的？

問題2：月球在這個力的作用下做什么運動？其向心加速度的表達式是怎樣的？

問題3：假設地球?qū)Φ孛嫔系奶O果的力地是同一種力，其表達式是怎樣的？

問題4：蘋果在這個力的作用下做什么運動？其加速度的表達式是怎樣的？

問題5：這兩個加速度之比是多少？

“m0月

g=9.8-∑—

問題6：已知月球與地球之間的距離r=3.8×10β8m,月球公轉(zhuǎn)周期7=27.3d,重力加速s?,9是多少?

它與理論推導值相等嗎？

設計意圖：通過活動三的計算，用數(shù)據(jù)說明了活動二理論推導的正確性，即牛頓的大膽設想經(jīng)受了事實的檢驗。同

樣也擴大了平方反比定律的適用范圍。教師點出：以一定的觀察事實為依據(jù)，添加一定的假設和猜想的想法，是需

要事實來驗證的。培養(yǎng)學生問題研究的能力。）

回扣問題：行星為什么會繞太陽運動？歷史上科學家是怎么認識的？

任務三：了解該理論在天文學上有哪些應用？（萬有引力理論的成就+宇宙航行4課時）

活動一：如何稱量地球的質(zhì)量？

（這一問題，聽起來很有挑戰(zhàn)性，又是一個學生運用所學的知識和方法能夠解決的實際問題。好的問題設計不僅能

讓學生體會問題解決的成就感，還可以讓學生體會物理知識的實用性。）

問題1.稱量質(zhì)量的工具有哪些？測量質(zhì)量的方法有哪些？依據(jù)的原理各是什么？

問題2.地球的質(zhì)量如何稱量？我們該從什么角度思考這一問題？

問題3.如何從萬有引力定律的角度，考慮地面上的物體，"測出"地球的質(zhì)量？

問題4.地面上的物體的運動動情況如何？受力情況又如何？

問題5.為了"測出"地球的質(zhì)量，我們需要做怎樣的簡化？能簡化嗎？

問題6.你能夠推出地球質(zhì)量的表達式嗎？式中的量是否可觀測？

問題7.為什么卡文迪什將自己的實驗說成是"稱量”地球的重量？

活動二：計算天體的質(zhì)量

（計算天體質(zhì)量的思路與計算地球質(zhì)量的思路不同，即實地測量法和環(huán)繞法。依據(jù)學生的知識基礎一一萬有引力定

律與牛頓第二定律，設計以下問題讓學生自主探究。）

問題1.我們能否用稱量地球質(zhì)量的方法計算天體（如太陽）的質(zhì)量？難點在哪里？

問題2.天體的質(zhì)量如何計算？我們該從什么角度思考這一問題？

問題3.為了運用牛頓第二定律，我們需要尋找怎樣的、可觀測的情境？

問題4.行星的運動情況如何？受力情況又如何？

問題5.為了計算太陽的質(zhì)量，我們需要做怎樣的簡化？能簡化嗎？

問題6.你能夠推導出太陽質(zhì)量的表達式嗎？式中的量是否可觀測？

問題7.上述方法是否可用于計算地球的質(zhì)量、火星的質(zhì)量、月球的質(zhì)量？需要的條件是什么？

問題8.上述方法能否求出環(huán)繞天體的質(zhì)量？

問題9.能否在得到天體質(zhì)量的基礎上得到天體的平均密度？

活動三：多大的速度才能成功發(fā)射人造地球衛(wèi)星？

（前兩個活動是萬有引力定律的理論成就，知道萬有引力定律使人類實現(xiàn)了飛天夢想，那應該以多大的速度才能成

功發(fā)射人造地球衛(wèi)星呢？）

問題1.按照牛頓的設想，在忽略空氣阻力的情況下，在地球上以越來越大的水平速度拋出物體，物體還做平拋運動

嗎？

問題2.物體如果不落地，它將怎樣運動？

問題3.物體繞地球做圓周運動的向心力由什么力提供？是否需要考慮太陽對它的引力？

問題4.你能否推出物體繞行的速度？

問題5.地球表面有大氣層，為什么月球表面沒有大氣層呢？

活動四：人造衛(wèi)星的發(fā)射與運行

問題L你所知道的人造衛(wèi)星有哪些類型？

問題2.對于在穩(wěn)定軌道上做勻速圓周運動的人造衛(wèi)星來說，它的軌道中心在何處？

問題3.如果人造衛(wèi)星的發(fā)射速度大于第一宇宙速度，它可能做圓周運動嗎？它的軌道有何特點？此時的運行速度如

何求解？與第一宇宙速度相比，哪個更大？

問題4.為什么發(fā)射速度越大，運行速度反而更小呢？是否違反了能量守恒定律？

問題5.高軌道運行的衛(wèi)星與低軌道運行的衛(wèi)星相比，角速度、周期和向心加速度更大嗎？最小周期對應什么情況？

問題6.地球同步衛(wèi)星的軌道和周期具有什么特點？

問題7.發(fā)射人造衛(wèi)星時，實際上是火箭把人造衛(wèi)星送入軌道的，那么發(fā)射速度又該怎樣理解呢？

回扣問題：了