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1、必修二物理大单元整体学习学程第七单元万有引力与宇宙航行单元概述1、【单元内容】万有引力与宇宙航行单元教学内容核心知识及重点素养开普勒三大定律、万有引力定律以及三个宇宙速度；对于行星的运动能够分别从运动和力的角度探究，加深运动与相互作用观；领悟科学家们坚持真理、勇于创新的科学精神；体会建立模型的科学思维；能够在物理史实中感知并体会科学探究中的不同素养。物理观念（物质观、运动与相互作用观、能量观）知识呈现：开普勒三大定律、万有引力定律。行星的运动这一问题，从运动的视角探究引出开普勒三大定律，从力的视角探究即对行星运动原因的探究，强化了运动与相互作用观。科学思维（模型构建、科学推理、科学论证、质疑创
2、新）知识呈现：行星的运动轨道简化为圆；物体绕地运动时，忽略太阳的作用；称量地球质量时，对研究对象、运动规律的选择以及忽略的次要因素；学生对实际问题的求解普遍感到因难，这是由于学生缺乏模型建构的经历、方法和策略，教材力求在问题解决过程中，展示模型建立的思维过程，具体做法为针对具体问题，提出一些问题。对这些问题的思考和讨论其实就是模型建构的过程。科学探究（问题、证据、解释、交流）知识呈现：开普勒将行星做匀速圆周运动的观念修改为椭圆运动；“发现未知天体”板块中，理论计算结果与实际观测结果总是有一些偏差；教材中的科学漫步模块，介绍在对火星轨道的研究中，开普勒70余次尝试所得的结果都与第谷的观测数据有至
3、少8的偏差。他对第谷数据的精确性深信不疑，认为偏差证明了行星的还动并非匀速圆周运动。这体现了科学探究中的“证据、解释”素养。“发现未知天体”情景中，教材中提出了一些问题，体现了科学探究中的“问题”素养。科学态度与责任（科学本质、科学态度、社会责任）知识呈现：人类对行星运动规律的认识；相对论时空观与牛顿力学的局限性；其中，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，生动且形象地呈现了科学家们实事求是、坚持真理和勇于创新的科学精神。相对论时空观与牛顿力学的局限性让学生知道科学总是在不断发展的。单元学习价值本章既有人类对天体运动规律的探究过程，又介绍了经典力学的一座丰碑万有引力定律，还
4、涉及人类的太空之旅。第一个主题是回顾过去，介绍了托勒密的地心说、哥白尼的日心说和第谷的观测等，是落实物理学科素养的好素材，培养学生的科学态度与责任；第二个主题是展示现在，即应用万有引力定律所取得的巨大成就，使学生对万有引力定律的重要意义和作用有更全面的了解；第三个主题是展望未来，介绍万有引力定律的局限性，让学生知道科学结论的普适性总是相对的，科学总是不断发展的。2、【课标要求】（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
5、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。3、【单元学习目标】单元目标核心知识及重点素养掌握开普勒三大定律、万有引力定律，能够计算人造卫星的环绕速度；学习物理模型建构的思想抓住主要因素，忽略次要因素；经历科学探究的过程，培养科学探究能力；学习天体运动的相关物理学史，体会坚持真理、大胆创新的科学精神。物理观念（物质观、运动与相互作用观、能量观）开普勒三大定律、万有引力定律科学思维（模型构建、科学推理、科学论证、质疑创新）行星的运动轨道简化为圆；物体绕地运动时，忽略太阳的作用；称量地球质量时，对研究对象、运动规律的选择以及忽略的次要
6、因素；科学探究（问题、证据、解释、交流）开普勒将行星做匀速圆周运动的观念修改为椭圆运动；“发现未知天体”板块中，理论计算结果与实际观测结果总是有一些偏差；科学态度与责任（科学本质、科学态度、社会责任）人类对行星运动规律的认识；相对论时空观与牛顿力学的局限性；学情分析学习内容需要的基础已有基础学习难点已具备的知识、方法与即将学习内容相关的生活经验基础等1.行星的运动了解与天体运动相关的物理学史；物理模型建构的思想；有相信科学、坚持真理的科学态度知道行星做圆周运动；了解过建模思想抓住主要因素，忽略次要因素；知道行星绕太阳运动；知道行星绕中心天体做圆周运动需要力；有一定分析资料、合作交流的素养从资料
7、中分析归纳认识天体运动的大致过程；物理建模能力-将行星的运动简化为圆；理解K值的特点2.万有引力定律能熟练运用牛顿运动定律解决动力学问题；能较好的利用数学工具进行理论推导；理解万有引力定律并能够相关计算；体会到真理的得出是需要坚持不懈研究并大胆创新的能较好的理解向心力、加速度、速度等概念；掌握自由落体运动、抛体和匀速圆周运动的运动规律；有一定的计算和归纳能力；知道地球绕太阳、月球绕地球运动并轨道为椭圆；苹果落地是受地球的吸引；万有引力定律的推导过程；月-地检验；理解万有引力定律的范围是万物之间，但在不同的质量尺寸的物体上，表现的影响是不同的；3.万有引力定律的成就通过地面上的物体与地球的情况来
8、称量地球的质量；分析天体与中心天体的运动情况来计算天体的质量；掌握类比的研究思想；理解万有引力定律建立的伟大意义；理解万有引力定律并能进行相关计算；知道地球与地面上的物体、绕其运动的天体的运动规律；知道潮汐现象、哈雷彗星等现象；知道预言并发现未知天体，是万有引力理论威力和价值的生动例证；“称量地球质量”的基本思路；理解计算太阳质量的基本思路；4.宇宙航行了解不同种类卫星的特点；能够分析人造卫星的受力和运动情况；理解卫星变轨问题；能够了解发射速度和环绕速度的区别和联系；能依据卫星的运动情况分析受力情况；能够分析不同轨道的卫星的运动快慢情况；发射卫星是有速度要求的；卫星的发射需要能量；发射卫星到越
9、远的地方需要的能量越多；第一宇宙速度的推导过程以及两种表达式；理解第二宇宙速度和第三宇宙速度；变轨问题中能量转化和变化情况；5.相对论时空观与牛顿力学的局限性知道牛顿力学的适用范围；了解相对论、量子论；知道爱因斯坦狭义相对论的基本假设；能够计算不同参考系下物体的速度；了解爱因斯坦的狭义相对论；同一物体速度在不同的参考系下是不同的；牛顿力学不适用于以光速运动的物体运动规律同时的相对性、时钟变慢效应和尺缩效应的理解【单元情境】任务情境：斗转星移的秘密晚饭过后，走在路边，微风拂过脸颊，兴致所致，抬头仰望星空，发现固定位置的那颗星星不见了。星星的运动有哪些规律呢？它为什么会运动，背后的原理是什么？这个
10、原理的发现带来了哪些成就？我们从中收获了什么？4、【学习导航】单元名称学习内容学习任务学时万有引力与宇宙航行1.知识概念行星运动规律（轨迹、特点和周期）12.探究建构万有引力定律的推导过程23.应用迁移万有引力定律的成就（理论成就和实践性成就）44.重构拓展爱因斯坦的狭义相对论15、【学法指导】（1）学习本单元，关注学习内容的前后联系，深化和拓展运动与相互作用观念。（2）优化物理结论的形成过程，突出科学思维和科学探究素养的培养。（3）用大量实例丰富学生的体验，加强知识与情境的联系。（4）突出解决问题的一般思路，为迁移创新打好基础。 【分节或者知识点】任务一：太阳东升西落，星星斗转星移。行星的运
11、动有怎样的规律？（行星的运动1课时）活动一：人类对行星运动规律的认识过程（学生课下阅读相关物理学史，并回答以下问题。教师在学生思考回答的基础之上再作适当介绍。）问题1：托勒密的地心说和哥白尼的日心说的基本观点分別是什么？问题2：关于运动的描述，托勒密的地心说和哥白尼的日心说有哪些相似的地方？问题3：从运动学的角度来看，托勒密的地心说和哥白尼的日心说的区別是什么？问题4：为什么日心说最终战胜了地心说？设计意图：通过问题设计，引导学生的探究与思维。活动二：开普勒行星运动定律的发现过程及其意义问题1：开普勒能够得到行星运动定律的原因有哪些？问题2：开普勒第一、第二、第三定律描述的关键问题是什么？问题
12、3：教材通过画图说明“行星绕太阳的轨道十分接近圆”，到底有多接近呢？问题4.：开普勒行星运动定律对地球卫星的运动是否适用？设计意图：通过对问题1的思考，学生能够感悟求真、求简的科学精神。问题3体现了对模型的建构，让学生体会合理近似对问题解决的帮助。回扣问题：太阳东升西落，星星斗转星移。行星的运动有怎样的规律？任务二：行星为什么会绕太阳运动？历史上科学家是怎么认识的？（万有引力定律2课时）活动一：关于行星运动原因的探究动力学角度研究行星运动的原因问题1：阻碍科学家获得正确认识的原因主要是什么？问题2：牛顿是怎么认识的？他获得成功的原因是什么？活动二：引力方向和大小的探究（万有引力定律的真实推导过
13、程对高中生来说，是很难理解的。为了让学生有思维素养的提升，应该让学生经历必要的推导过程。下面以问题串的形式来引导学生思考。）问题1：若行星绕太阳的运动可看作是匀速圆周运动，太阳与行星间引力的方向是什么方向？为什么？问题2：引力大小与什么因素有关？表达式又是怎样的呢？（因天文观测难以直接得到行星运动的速度0，可以测得行星公转的周期T，可得到问题3：如果我们要通过天文观测验证上述公式，该怎么办呢？问题4： 力与距离成正比吗？相距越远的物体受到的力可能越大吗？问题5：在我们学过的知识中，有描述轨道半径r与周期T之间关系的公式吗？问题6.：太阳对行星的作用力只跟行星质量有关吗？还能从什么角度帮助我们向
14、前更进一步？问题7：牛顿第三定律能否帮助我们得到？问题8：想到的原因是什么？这是推理还是创新？问题9：依据、和F=F,你能归纳出什么？活动三：月一地检验(考虑到直接证明“月球绕地球运动的力与使苹果下落的力是同一种力”有一定难度，可采用“分步走”的策略，“假设地球对月球的作用力与大阳对行里的作用力是同一种力”“假设地球对苹果的力也是同一种力”。)问题1：假设地球对月球的作用力与太阳对行星的作用力是同一种力，其表达式是怎祥的？问题2：月球在这个力的作用下做什么运动？其向心加速度的表达式是怎样的？问题3：假设地球对地面上的苹果的力地是同一种力，其表达式是怎样的？问题4： 苹果在这个力的作用下做什么运
15、动？其加速度的表达式是怎样的？问题5：这两个加速度之比是多少？问题6：已知月球与地球之间的距离，月球公转周期7=27.3d，重力加速,是多少?它与理论推导值相等吗?设计意图：通过活动三的计算，用数据说明了活动二理论推导的正确性，即牛顿的大胆设想经受了事实的检验。同样也扩大了平方反比定律的适用范围。教师点出：以一定的观察事实为依据，添加一定的假设和猜想的想法，是需要事实来验证的。培养学生问题研究的能力 。）回扣问题：行星为什么会绕太阳运动？历史上科学家是怎么认识的？任务三：了解该理论在天文学上有哪些应用？（万有引力理论的成就+宇宙航行 4课时）活动一：如何称量地球的质量？（这一问题，听起来很有挑战性，又是一个学生运用所学的知识和方法能够解决的实际问题。好的问题设计不仅能让学生体会问题解决的成就感，还可以让学生体会物理知识的实用性。）问题1.称量质量的工
