第七章 萬有引力與宇宙航行 教學(xué)設(shè)計(jì)（表格式）VIP

單元教學(xué)設(shè)計(jì)單元基本信息學(xué)科物理學(xué)校年級(jí)高一課程模塊必修第二冊(cè)使用教材版本人教版2019版單元涵蓋章、節(jié)萬有引力與宇宙航行行星的運(yùn)動(dòng)萬有引力定律萬有引力理論的成就宇宙航行相對(duì)論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性課標(biāo)要求2.2.4通過有關(guān)史實(shí)，了解萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)過程。知道萬有引力定律。認(rèn)識(shí)萬有引力定律的重要意義。認(rèn)識(shí)科學(xué)定律對(duì)人類探索未知世界的作用。2.2.5會(huì)計(jì)算人造衛(wèi)星的環(huán)繞速度。知道第二宇宙速度和第三宇宙速度。2.3.1知道牛頓力學(xué)的局限性，體會(huì)人類對(duì)自然界的探索是不斷深入的。2.3.2初步了解相對(duì)論的時(shí)空觀。2.3.3關(guān)注宇宙起源和演化的研究進(jìn)展。一、單元學(xué)習(xí)主題分析主題名稱基于核心素養(yǎng)的航空航天發(fā)展歷程的研究主題概述單元主題確定為《基于核心素養(yǎng)的航空航天發(fā)展歷程的研究》，本主題以萬有引力的演進(jìn)為知識(shí)主線、以落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)為目的：從知識(shí)的形成到知識(shí)的應(yīng)用再到知識(shí)的拓展，依托航空航天的發(fā)展歷程為情境主線進(jìn)行設(shè)計(jì)。本主題分三個(gè)子主題，并按照單元主題教學(xué)思想注重各子主題之間的有效銜接：第一個(gè)子主題是“回顧過去”，介紹人類對(duì)行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)過程和建立萬有引力定律的過程。使學(xué)生感悟人類得出物理知識(shí)認(rèn)識(shí)過程的漫長(zhǎng)與艱辛，真理是來之不易的，認(rèn)識(shí)到質(zhì)疑和創(chuàng)新的重要性。第二個(gè)子主題是“展示現(xiàn)在”，學(xué)習(xí)應(yīng)用萬有引力定律及載人航天與太空探究領(lǐng)域所取得的巨大成就，使學(xué)生對(duì)萬有引力定律的重要意義和作用有全面的了解，了解我國航天事業(yè)的發(fā)展，增強(qiáng)民族自豪感。第三個(gè)子主題是“展望未來”，讓學(xué)生知道牛頓力學(xué)具有局限性，初步了解相對(duì)論時(shí)空觀，關(guān)注宇宙起源和演化的進(jìn)展，體會(huì)人類對(duì)自然界的探索是不斷深入的。學(xué)情分析已有基礎(chǔ)：同學(xué)們進(jìn)入高中階段學(xué)習(xí)物理以來，主要學(xué)習(xí)了牛頓運(yùn)動(dòng)定律和曲線運(yùn)動(dòng)。對(duì)物理模型建構(gòu)、類比法、極限法等物理方法已經(jīng)初步掌握。牛頓運(yùn)動(dòng)定律正是經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)，前面的學(xué)習(xí)為本章的學(xué)習(xí)奠定了一定學(xué)習(xí)基礎(chǔ)。學(xué)習(xí)障礙：本章內(nèi)容從地面上升到空間宇宙對(duì)學(xué)生來說是抽象的、陌生的，甚至無法去感知。對(duì)天體的運(yùn)動(dòng)充滿好奇，又覺得非常神秘而不易理解。所以必須去引導(dǎo)學(xué)生了解人們對(duì)星體運(yùn)動(dòng)認(rèn)識(shí)的發(fā)展過程，在學(xué)生整體感知的過程中引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)這些大師們的思路、方法及他們的一絲不茍的科學(xué)精神，并激發(fā)他們熱愛科學(xué)、探索真理的求知熱情和愛國主義情懷。在學(xué)習(xí)天體運(yùn)動(dòng)時(shí)乎不能用具體的實(shí)驗(yàn)方法去演示，所以對(duì)于學(xué)生的想象力、思維能力、推導(dǎo)能力的要求較高。對(duì)于學(xué)生存在一定的挑戰(zhàn)。教學(xué)輔助支持學(xué)習(xí)小組+黑板、多媒體平臺(tái)（包括電腦及實(shí)物投影裝置等）、視頻資源、word、ppt課件及excel辦公軟件等有利于發(fā)展學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的學(xué)習(xí)環(huán)境。二、單元學(xué)習(xí)目標(biāo)設(shè)計(jì)單元學(xué)習(xí)目標(biāo)1.通過閱讀、互聯(lián)網(wǎng)搜集資料和小組交流，了解人類對(duì)行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)歷程。體會(huì)科學(xué)家們實(shí)事求是、尊重客觀事實(shí)、不迷信權(quán)威、敢于堅(jiān)持真理和勇于探索的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神。感悟人類對(duì)行星運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)過程是漫長(zhǎng)復(fù)雜的，真理是來之不易的。2.通過動(dòng)手操作畫橢圓，對(duì)橢圓有一個(gè)感性認(rèn)識(shí)。閱讀教材及對(duì)具體數(shù)據(jù)分析知道開普勒行星運(yùn)動(dòng)的三個(gè)定律，k值大小與中心天體有關(guān)，與行星無關(guān)。認(rèn)識(shí)定律律的科學(xué)價(jià)值。3.經(jīng)歷一次自己“發(fā)現(xiàn)”太陽與行星間引力，推導(dǎo)出太陽與行星間引力的方向和表達(dá)式的過程，體會(huì)牛頓定律在推導(dǎo)太陽與行星間引力時(shí)的作用。提升科學(xué)探究能力。4.結(jié)合“月－地檢驗(yàn)”通過思維程序知道地球上的重物下落與天體運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)一。體會(huì)在科學(xué)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過程中猜想和求證的重要性及物理學(xué)的簡(jiǎn)潔之美。通過視頻材料了解引力常量的測(cè)定過程，知道引力常量的測(cè)定在科學(xué)史上的重要意義。感悟?qū)W習(xí)中互相協(xié)作、互相借鑒也是具有重要意義。5通過具體問題的解決，認(rèn)識(shí)到萬有引力定律的巨大成就。通過對(duì)航空航天事業(yè)的發(fā)展了解，體驗(yàn)人類探索自然規(guī)律的艱辛與喜悅，有將科學(xué)技術(shù)服務(wù)于人類的意識(shí)。初步了解相對(duì)論時(shí)空觀，關(guān)注宇宙起源和演化的進(jìn)展，體會(huì)人類對(duì)自然界的探索是不斷深入的。三、單元學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)評(píng)價(jià)內(nèi)容能應(yīng)用開普勒三定律解決天體運(yùn)動(dòng)問題；能推導(dǎo)萬有引力定律，熟知萬有引力定律的內(nèi)容和適用范圍；會(huì)利用萬有引力定律，解決天體運(yùn)動(dòng)的實(shí)際問題。知道牛頓力學(xué)的局限性，初步了解相對(duì)論的時(shí)空觀。評(píng)價(jià)方法學(xué)習(xí)活動(dòng)過程評(píng)價(jià)；課前、課中、課后作業(yè)檢測(cè)評(píng)價(jià)；拓展提升及課后反思評(píng)價(jià)；自我評(píng)價(jià)及同伴、教師評(píng)價(jià)等結(jié)果性評(píng)價(jià)。四、課時(shí)總數(shù)與課時(shí)分配課時(shí)總數(shù)6課時(shí)模塊一回顧過去第一課時(shí)：行星的運(yùn)動(dòng)第二課時(shí)：萬有引力定律課時(shí)數(shù)：2課時(shí)學(xué)業(yè)質(zhì)量水平等級(jí)達(dá)成等級(jí)物理觀念：水平1、水平2、水平3科學(xué)探究：水平1、水平2、水平3科學(xué)思維：水平1、水平2、水平3模塊二展示現(xiàn)在第三課時(shí)：萬有引力定律的成就第四、五課時(shí)：宇宙航行課時(shí)數(shù)：3課時(shí)學(xué)業(yè)質(zhì)量水平等級(jí)達(dá)成等級(jí)物理觀念：水平1、水平2科學(xué)思維：水平1、水平2、水平3、水平4科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：水平1、水平2、水平3模塊三展現(xiàn)未來第6課時(shí)：相對(duì)論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性課時(shí)數(shù)：1課時(shí)學(xué)業(yè)質(zhì)量水平等級(jí)達(dá)成等級(jí)物理觀念：水平1科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：水平1、水平2、五、單元核心任務(wù)任務(wù)核心任務(wù)(活動(dòng))內(nèi)容表述作用與意義任務(wù)/活動(dòng)1從古人的“天圓地方”到開普勒三個(gè)定律的物理學(xué)史內(nèi)容的查閱、交流。（1）地心說與日心說爭(zhēng)論是什么？（2）托勒密的池心說和哥白尼的日心說有哪些相似的地方？（3）為什么日心說最終戰(zhàn)勝了地心說？通過互聯(lián)網(wǎng)搜集資料和小組交流，了解人類對(duì)行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)歷程。知道地心說和日心說的基本內(nèi)容。感悟人類對(duì)行星運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)過程是漫長(zhǎng)復(fù)雜的，真理是來之不易的。體會(huì)觀察法在認(rèn)識(shí)行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律中的作用。任務(wù)/活動(dòng)2推導(dǎo)萬有引力定律：推導(dǎo)萬有引力定律：（一）太陽與行星間的引力（1）設(shè)行星的質(zhì)量為m，速度為v，行星到太陽的距離為r，則行星繞太陽做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，寫出行星需要的向心力表達(dá)式，并說明式中符號(hào)的物理意義。（2）行星運(yùn)動(dòng)的線速度v與周期T的關(guān)系式如何？天文觀測(cè)難以直接得到行星的速度v，但可以得到行星的公轉(zhuǎn)周期T，寫出用T表示向心力的表達(dá)式。（3）如何應(yīng)用開普勒第三定律消去周期T？寫出消去周期T后向心力的表達(dá)式。（4）寫出太陽對(duì)行星的引力F與距離r的比例式，說明比例式的意義。月-地檢驗(yàn)與萬有引力定律1.理論分析：地球半徑R=6.4×106m，地球與月球之間的距離是地球半徑的60倍。一個(gè)物體放在地球表面上受到的力和將這個(gè)物體放在月球軌道上所受到的引力，滿足什么比例關(guān)系？它們的加速度a又滿足什么比例關(guān)系？你可以算出物體在月球軌道上的加速度嗎？2.天文觀測(cè)數(shù)據(jù)分析：T=27.3天，地球半徑R=6.4×106m，地球與月球之間的距離是地球半徑的60倍。我們把物體放在月球軌道上，那么它會(huì)繞著地球做圓周運(yùn)動(dòng)，需要的向心力由物體與地球之間的引力提供，那向心加速度怎么求出來呢？通過問題引領(lǐng)，使學(xué)生經(jīng)歷一次自己“發(fā)現(xiàn)”太陽與行星間引力。通過問題的提出、演繹、假設(shè)與推理、結(jié)論的得出、檢驗(yàn)論證等，是一個(gè)比較完整的探究過程。提升學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)。領(lǐng)會(huì)將不易測(cè)量的物理量轉(zhuǎn)化為易測(cè)量物理量的方法。通過理論分析和數(shù)據(jù)計(jì)算，認(rèn)識(shí)到萬有引力定律的普適性；通過教師講解知道公式中r的物理意義。會(huì)用該定律解決簡(jiǎn)單的引力計(jì)算問題。知道地球上的重物下落與天體運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)一。體會(huì)在科學(xué)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過程中猜想和求證的重要性。任務(wù)/活動(dòng)3“稱量”地球的質(zhì)量：1.地球上的質(zhì)量為M的物體所受的重力與地球和物體間的引力之間是什么關(guān)系？已知地球表面附近的重力加速度度g和地球半徑R，為了測(cè)地球的質(zhì)量，需要對(duì)模型進(jìn)行怎樣的簡(jiǎn)化？能簡(jiǎn)化嗎？試估算地球質(zhì)量。（1）判斷式中的量是否可觀測(cè)？（2）如何測(cè)地球表面重力加速度？引導(dǎo)學(xué)生建立物理模型，并明確求解思路。通過具體的案例使學(xué)生認(rèn)識(shí)發(fā)現(xiàn)萬有引力定律的重要意義，認(rèn)識(shí)科學(xué)定律對(duì)人類探索未知世界的作用。通過具體問題的解決，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到萬有引力定律經(jīng)受了實(shí)踐的檢驗(yàn)，取得了巨大成功。使學(xué)生深刻體會(huì)科學(xué)定律對(duì)人類探索未知世界的作用，激起學(xué)生對(duì)科學(xué)探究的興趣。任務(wù)/活動(dòng)4人造衛(wèi)星的發(fā)射1.衛(wèi)星從軌道1上的P點(diǎn)轉(zhuǎn)移到軌道2上做的是運(yùn)動(dòng)（填離心或近心）需要衛(wèi)星，（加速或減速）所以經(jīng)過P點(diǎn)的速度Vp1、速度Vp2的大小關(guān)系是。2.衛(wèi)星從2軌道上的近地點(diǎn)P點(diǎn)向遠(yuǎn)地點(diǎn)Q點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的過程中，衛(wèi)星的速度（增大或減小）經(jīng)過P點(diǎn)的速度Vp2和經(jīng)過Q點(diǎn)的速度VQ2的大小關(guān)系是。3.欲使衛(wèi)星從軌道2上的Q點(diǎn)轉(zhuǎn)移到軌道3，衛(wèi)星需要（加速或減速）所以VQ2與VQ3速度的大小關(guān)系是。衛(wèi)星在1軌道和3軌道做的都是圓周運(yùn)動(dòng)，所以根據(jù)“高軌低速長(zhǎng)周期”，得Vp1與VQ3的速度大小關(guān)系是。4.比較衛(wèi)星在軌道Ⅰ上經(jīng)過P點(diǎn)時(shí)的加速度ap1，與它在軌道Ⅱ上經(jīng)過P點(diǎn)時(shí)的加速度ap2關(guān)系如何？同理，aQ2與aQ3大小關(guān)系如何？通過思考討論和體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)，理解衛(wèi)星發(fā)射的原理。了解我國在載人航天和宇宙探索方面的成就與進(jìn)展的介紹，增強(qiáng)學(xué)生的民族自豪感，感受人類對(duì)客觀世界不斷探究的精神和情感。有將科學(xué)技術(shù)服務(wù)于人類的意識(shí)。六、單元知識(shí)關(guān)系及教學(xué)流程單元物理科學(xué)方法歸納;歸納法、估算法、理想模型法、類比法、科學(xué)推理法、轉(zhuǎn)換法、放大法等單元知識(shí)演進(jìn)及教學(xué)流程描述七、單元作業(yè)設(shè)計(jì)跟著嫦娥五號(hào)去“旅行”（一）啟動(dòng)籌備，蓄勢(shì)待發(fā)(理解定律)1.如圖所示，火星和地球都在圍繞著太陽旋轉(zhuǎn)，其運(yùn)行軌道是橢圓。根據(jù)開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律可知(????)A.太陽位于地球運(yùn)行軌道的中心B.地球靠近太陽的過程中，運(yùn)行速率減小C.火星遠(yuǎn)離太陽的過程中，它與太陽的連線在相等時(shí)間內(nèi)掃過的面積逐漸增大D.火星繞太陽一周的時(shí)間比地球繞太陽運(yùn)行一周的時(shí)間長(zhǎng)2.對(duì)于質(zhì)量分別為m1和m2的兩個(gè)物體間的萬有引力的表達(dá)式F=G，下列說法正確的是（）A．公式中G是引力常量，它是由實(shí)驗(yàn)測(cè)得的，而不是人為規(guī)定的B．當(dāng)兩物體間的距離r趨于零時(shí)，萬有引力趨于無窮大C．當(dāng)有第三個(gè)物體放在m1、m2之間時(shí)，m1和m2間的萬有引力將增大D．m1和m2所受的引力性質(zhì)可能相同，也可能不同3.如圖所示，陰影區(qū)域是質(zhì)量為M、半徑為R的球體挖去一個(gè)小圓球后的剩余部分，所挖去的小圓球的球心和大球球心間的距離是R/2，小球的半徑是R/2，則球體剩余部分對(duì)球體外離球心O距離為2R、質(zhì)量為m的質(zhì)點(diǎn)P的引力為多少？（二）飛離地球，繞地調(diào)整（環(huán)繞模型）1.如圖所示，在同一軌道平面上的三顆人造地球衛(wèi)星A、B、C，在某一時(shí)刻恰好在同一直線上，下列說法正確的是()A．根據(jù)v＝eq\r(gR)，可知三顆衛(wèi)星的線速度vA＜vB＜vCB．根據(jù)萬有引力定律，可知三顆衛(wèi)星受到的萬有引力FA＞FB＞FCC．三顆衛(wèi)星的向心加速度aA＞aB＞aCD．三顆衛(wèi)星運(yùn)行的角速度ωA＜ωB＜ωC2.（多選）如圖所示，宇宙中一對(duì)年輕的雙星，在距離地球16萬光年的蜘蛛星云之中。該雙星系統(tǒng)由兩顆熾熱又明亮的大質(zhì)量恒星構(gòu)成，二者圍繞連接線上中間某個(gè)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。通過觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，兩顆恒星正在緩慢靠近。不計(jì)其他天體的影響，且兩顆恒星的質(zhì)量不變。則以下說法中正確的是（）A．雙星之間引力變大B．每顆星的加速度均變小C．雙星系統(tǒng)周期逐漸變大D．雙星系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度變大3.神舟13號(hào)載人飛船與空間站組合體完成自主快速對(duì)接。航天員翟志剛，王亞平，葉光富進(jìn)駐天和核心艙，中國空間站開啟有人長(zhǎng)期駐留時(shí)代。某同學(xué)查找相關(guān)資料了解到我國空間站離地最近距離為388.6km最遠(yuǎn)距離為401.3km，已知地球半徑約為6400km，地球同步衛(wèi)星的軌道半徑為地球半徑6.6倍。（1）空間站運(yùn)行的速度與第一宇宙速度關(guān)系?（2）空間站的周期是多少？（3）求地球的質(zhì)量（三）軌道修正，奔向月球（速度條件、變軌模型）1.圖為設(shè)想中的“嫦娥五號(hào)”月球探測(cè)器飛行路線示意圖。(1)已知月球與地球質(zhì)量之比為M月：M地=1：18。當(dāng)探測(cè)器飛至月地連線上某點(diǎn)P時(shí)，月球與地球?qū)λ囊η『玫窒?，此時(shí)P到月球球心與地球球心的距離之比為（2）探測(cè)器飛離地球的速度條件：(3)結(jié)合圖中信息，通過推理，可以得出的結(jié)論是()①探測(cè)器飛離地球時(shí)速度方向指向月球②探測(cè)器經(jīng)過多次軌道修正，進(jìn)入預(yù)定繞月軌道③探測(cè)器繞地球的旋轉(zhuǎn)方向與探測(cè)器繞月球的旋轉(zhuǎn)方向一致④探測(cè)器進(jìn)入繞月軌道后，運(yùn)行半徑逐漸減小，直至到達(dá)預(yù)定軌道A、①③B、①④C、②③D、②④（四）被月捕獲，抵達(dá)月球（變軌模型、綜合應(yīng)用）1.嫦娥五號(hào)探測(cè)器經(jīng)過約112小時(shí)的奔月飛行，順利進(jìn)入環(huán)月軌道。如圖所示是嫦娥五號(hào)探測(cè)器到達(dá)月面之前的兩個(gè)軌道，軌道I為環(huán)月圓軌道，軌道II是橢圓軌道，其中B為近月點(diǎn)，A為遠(yuǎn)月點(diǎn)。（寫必要的公式和文字說明）（1）嫦娥五號(hào)探測(cè)器在軌道I上運(yùn)動(dòng)到A點(diǎn)時(shí)的加速度與在軌道II上運(yùn)動(dòng)到A點(diǎn)時(shí)的加速度關(guān)系？（2）嫦娥五號(hào)探測(cè)器從軌道I變軌到軌道II，速度如何變化、需要向哪個(gè)方向噴氣？2.“嫦娥五號(hào)”在月球正面預(yù)選著陸區(qū)著陸。月球車從距月球表面h米高度自由下落七秒到達(dá)月球表面,已知月球半徑為r，自轉(zhuǎn)周期為T引力常量為G,求：（1）月球的第一宇宙速度和月球的平均密度（2）月球同步衛(wèi)星離月球表面的高度3.中國探月工程計(jì)劃在穩(wěn)步進(jìn)行，假設(shè)你有幸成為中國登月第一人對(duì)月球進(jìn)行科學(xué)觀測(cè)。測(cè)得月球的半徑和質(zhì)量M，請(qǐng)你選擇其中一個(gè)小題作答。（要求：說明選用的器材測(cè)量的物理量的名稱及符號(hào)，已知引力常量為G。）（1）在進(jìn)入月球表面的圓形軌道繞行后，著陸在月球上。你攜帶的設(shè)備有以下器材：A．秒表一只；B．質(zhì)量為m的物體一個(gè)；C．彈簧測(cè)力