第七章 万有引力与宇宙航行 教案-高一下学期物理人教版必修第二册

《第七章万有引力与宇宙航行》教案
学情分析
最近几十年中国航天事业高速发展，创造了一个又一个世界奇迹，让国人自豪，让民族骄傲。

从1970年中国第一颗人造地球卫星东方红一号发射成功，到2019年长征五号重型火箭再一次发射成功，中国人正一步一步奔向太空，各项航天工程有序推进。

学生通过各种媒体耳熟能详，神舟载人飞船、嫦娥探月工程、天空实验室、北斗卫星导航系统、风云系列气象卫星······这一系列辉煌成就都已载入中国航天史册，为本章的学习铺垫好了家国情怀的情感基础，增强了学生的责任感和国家认同感，每一节的学习都为学生打开了一扇通往太空的大门，学生怀揣着对地球之外的宇宙世界无与伦比的期待，开启本章的学习。

一、认知基础
高中之前，学生知道一些地心说、日心说等相关史实，对一些伟大的物理学家也有些了解，像牛顿、开普勒等，包括牛顿与苹果树的故事。

在本章之前，学生在必修1中学习过自由落体加速度g，知道自由落体加速度也叫重力加速度，海拔高度越高g越小，地球表面不同纬度g略有差异。

但是，学生并不知道自由落体加速度为什么不是定值，且有进一步探究的愿望。

通过对自由落体运动的学习，学生可以测定自由落体加速度，这为“地—月检验”和“称量”地球质量的学习奠定好了基础。

学生对重力有了一定的了解，知道重力的方向是竖直向下，但是却不清楚为什么重力的方向不指向地心。

在正确的认知下，学生带着一些疑问急需通过这一章的学习去解决。

在本章之前，学生在必修2中已经学会了如何描述圆周运动，建立起了一些基本物理概念，例如：线速度、角速度、周期、向心加速度、向心力等，掌握了圆周运动向心力表达式以及匀速圆周运动的方法，具备了推导太阳与行星间引力的知识基础。

学生对离心运动和近心运动及产生条件有了一定的认识，为研究人造地球卫星的多次变轨后达到预定轨道做好了知识储备。

本章在分析双星问题时，结合花样滑冰运动员在冰面上手拉手匀速圆周运动，学生能进一步加深对向心力表达式中半径r的理解。

在生活中的圆周运动部分，通过学习汽车过拱形桥的失重现象，将地球看作一个巨大拱形桥，介绍了航天器中失重现象。

但是，学生对航天器中失重现象为什么是完全失重，也只是初步认识，需要本章进一步学习，深化理解，提升认知。

学生在高中地理《宇宙中的地球》一章中，学习了“地球为什么会存在生命”。

从地理学科的角度分析了存在生命的外部条件是安全和稳定，安全是指太阳系中八大行星“各行其道”，轨道具有共面性、近圆性、同向性；存在生命的内部条件是日地距离适中、自转和公转周期适中、质量和体积适中。

地理中这部分内容与开普勒第一定律、高中阶段行星轨道按照圆轨道近似处理、赤道处的临界问题等存在交叉融合，能促进学生理解本章内容。

2012年神舟九号和天宫一号交会对接，宇航员刘洋做了几个演示实验：动力学方法测质量、单摆运动、水膜水球的演示，这些实验学生有些能理解，有些
还不清楚；长征五号重型火箭，学生知道它的运载能力大，却并不知道发射人造地球卫星、火星探测器等需要多大的发射速度，这些都需要学习本章内容来理解。

二、认知特点
高中学习内容与初中相比有一些新特点，例如，知识容量大，学科内容深，综合性、逻辑性、系统性较强，定理和定律更加抽象，对学生记忆理解、归纳总结、演算推理、空间想象等能力要求较高。

例如，匀变速直线运动、平抛运动、圆周运动，都是学生生活中常见的运动，而天体的运动，虽然学生在电视等媒体上看到过卫星的发射、看到过动画演示卫星的运动，但是本部分内容仍需要学生有较强的空间想象能力，仍然是学生学习的难点。

必修1中一直研究直线运动，运动与相互作用的关系在学生脑海根深蒂固，虽然必修2中前两章抛体运动和圆周运动已经将直线运动跨越到曲线运动，已经明确了曲线运动与相互作用的关系，但是研究从日常生活中常见的宏观物体过渡到宇宙天体还是有一些障碍的。

学生学习知识的过程中，需要继续提高观察能力、理解能力和分析综合能力，提高独立学习能力，在知识建构的过程中，提高认知水平。

1．高一学生具有较强的观察力和一定的理解力。

观察力已经非常接近成人的水平，观察的目的性更明确，持久性更强，视觉和听觉的感受性甚至超过了成人。

以科学漫步“人类对行星运动规律的认识”学习为例，学生能概括总结出每一位科学家的主要观点，能知道“行星逆行”“本轮”“均轮”“偏心点”“偏心等距点”等概念，但是学生不理解这些概念，以及这些晦涩难懂的概念是如何促进开普勒得出正确的行星运动规律。

包括理解“8′的误差也许正是因为行星的
运动并非匀速圆周运动”，认知水平不同的学生不一定都能想到这是因为行星轨道是椭圆而非圆。

抽象概念的理解、观察的深刻性还有待在学习中提高，这些决定了学生如何“水到渠成”般的理解开普勒得出行星运动定律的过程，加深对行星运动定律内容的理解，降低学习的难度。

2．高一学生记忆的目的性、计划性较强，有意记忆占主导地位。

但无意识的记忆仍是不可缺少的，许多东西是通过教学活动无意识记，在轻松愉快中获得的。

例如，观看电影《流浪地球》《地心引力》后，高中学生很快会提取卫星变轨、空间站交会对接等知识的应用。

教学中适合的分组活动，能让学生参与进来，促进知识的形成，丰富学科认知。

例如：通过绘制焦点距离不同的椭圆并与圆的对比，通过验证开普勒第三定律，通过月—地检验，通过月球计算地球质量，这些能让学生体会到获得真知的愉悦，在提高思维深度的同时，驱动学生去不断探索，慢慢从被动学习、感觉记忆、短时记忆，变主动学习、理解记忆、长时时间。

学习目标与重难点分析
1．知道引力常量是自然界中少数几个最重要的物理常量之一，目前推荐的标准值为，知道引力常量的普适性是万有引力定律正确性的有力证据。

掌握开普勒行星运动定律和万有引力定律的具体内容，会根据定律解决具体实际问题。

知道高中阶段行星椭圆轨道近似为圆轨道处理，万有引力提供行星圆周运动向心力，掌握行星绕中心天体匀速圆周运动的物理模型。

掌握人造地球卫星的运动规律，知道近地卫星、同步卫星的特点。

知道万有引力提供人造地球卫星匀速圆周运动的向心力。

2．在人类探索行星运动规律历史中，了解科学家是如何从最基本的概念开始，凭借对自然现象的观测，物理模型的构建，物理理论与客观事实之间的相互支撑，不断地自我修正原有概念和模型，逐渐接近客观事实，获得物理本质规律的科学思维方法。

在推导行星与太阳间引力表达式的过程中，太阳吸引行星，同时行星也在吸引太阳，太阳与行星二者地位相同，应遵守相同的规律，体会牛顿第三定律和对称性这种科学思维方法的应用。

掌握根据地球表面重力加速度“称量”地球质量，以及借助卫星等环绕天体的运行参数计算天体质量的这两种科学方法。

3．通过卡文迪什扭秤实验，掌握放大微小物理量的科学方法，体会如何通过实验进行科学探究的过程。

通过月—地检验，理解地面物体所受地球的引力、月球所受地球的引力，以及太阳、行星间的引力，都遵从相同的物理规律，体会如何通过理论验证进行科学探究的过程。

4．体会科学家们实事求是、尊重客观事实、不迷信权威、敢于坚持真理和勇于探索的科学态度和科学精神。

培养学生大胆猜想、严格求证、实证与推理相结合的科学态度。

通过对相对论时空观与牛顿力学局限性的学习，知道新的理论并没有否认以实验为支撑的原有理论，原有理论是一定条件下新理论体系中的特殊情形，科学仍然要以事实为依据，培养学生崇尚科学、尊重事实的科学态度。

学生通过课上分享中国的航天成就，感受中国航天事业的蓬勃发展，提升对国家强大与民族复兴的时代责任感。

二、重难点分析及突破策略
1．行星的运动
《行星的运动》在本章教学中起着引领作用，也为本章万有引力定律的学习起一个铺垫性的作用。

本部分的突出特点是：知识容量较少，包含的科学史料十分丰富，开普勒行星运动定律的内容和物理意义比较难理解。

教学的目标立足在让学生感悟科学家求真、求简的科学思想方法和科学精神的教育。

学生对科学家的事例可能略知一二，但对科学家的发现、发明、创造内容的了解还不够系统和准确。

所以，通过史料探究得出并理解开普勒行星运动定律被确定为本章的重点。

结合教学内容分析和学情分析，可以采用上课前为学生布置一些学习任务，学生先看教材学习后，教师再总结的方法。

例如，先阅读教材科学漫步“人类对行星运动规律的认识”，查找有关描述天体运动的历史资料，课堂上进行交流，教师提出问题，学生讨论后归纳总结人类认识天体运动规律的历史发展进程。

这样，不仅能培养学生获取资料信息、分析信息、合作交流的能力，也有利于提高
学生的认知水平。

在探究地心说和日心说争论的焦点时，教师可设置的问题有：地心说与日心说都认为天体绕着“宇宙的中心”做什么运动呢？细心的观察发现了行星运动的什么现象？哪种学说能更好地解释“行星的逆行”现象？通过问题引领学生认识行星运动规律。

在理解开普勒行星第一定律的过程中，可以课前打印好某一行星绕太阳运动的轨道平面图，然后学生结合教材上“做一做”恰当选取半长轴和焦点去绘制椭圆，与行星的椭圆轨道进行对比，加深对开普勒第一定律的理解和掌握。

行星运动规律不能用实验研究的方法，学生可以不断减小焦点距离画椭圆，去体会高中阶段行星的轨道按圆轨道近似处理。

科学家对行星研究成果是天文历法基础，学生也可以结合地理学科天文部分的相关知识来学习。

2．万有引力定律
牛顿建立了伟大的万有引力定律，牛顿运动定律和万有引力定律构成了牛顿力学的核心内容。

从行星运动定律到万有引力定律的建立过程，是本章的重要内容，是极好的科学探究过程。

开普勒行星运动规律是从运动学角度来描述行星运动，万有引力定律是从动力学角度研究行星运动，是依据已有规律进行的演绎推理的过程。

本部分内容是一个完整的探究过程，从问题的提出、猜想与假设、演绎与推理、结论的得出、检验论证等，是一次很好的探究性学习过程，此过程将人类探索未知的科学思维展现的淋漓尽致。

万有引力定律的发现，明确了地球上的重物下落与天体运动的统一性。

牛顿大胆的推广，找到自然界中四种基本相互作用之一，给出了自然界任意两个物体间的引力与物体的质量、二者间距离的关系，万有引力定律是科学史上最伟大的定律之一，明确向人们宣告天上和地上的物体都遵循着完全相同的科学法则。

所以，万有引力定律不仅可以被确定为本单元的重点，也可以被确定是高中力学内容的重点，其推导过程是学生学习的难点。

结合教学内容分析和学情分析，教学上多通过启发式的设问，使牛顿的想法能够激发学生的兴趣与想象力，引发学生提出更多的问题，让学生经历一次自己“发现”万有引力定律的过程。

月—地检验要充分利用教材“思考与讨论”中的数据进行验证，体验一次自我的月—地检验，感受牛顿是如何大胆假设与严格求证。

卡文迪什实验是历史上非常著名和重要的实验，通过学生认真阅读教材中“拓展学习—引力常量的测量”，教学中引导学生了解和体会是如何巧妙地将物体间非常小的力显现和测量出来的，可联系必修1中如何放大微小形变的方法，也可以布置一些思考题：卡文迪什实验的重要意义是什么？这个实验设计的思路有什么巧妙之处？引力常量普适性的意义是什么？通过这些问题使学生学习和体会其中精巧的科学探究方法，例如“光杠杆”原理放大微小物理量的方法等。

3．万有引力理论的成就
本部分是万有引力定律在天文学上的主要应用，了解“称量地球质量”“计算天体质量”的基本思路，理解万有引力理论的巨大作用和价值，深刻体会科学定律对人类探索未知世界的作用，激发学生对科学探究的兴趣。

所以，会用万有引力定律计算天体的质量被确定为本单元的重点。

结合教学内容分析和学情分析，本部分内容的核心是牛顿运动定律与万有引力定律在匀速圆周运动情境下的综合应用，要注重培养学生的科学思维方法。

在称量地球质量部分，提示学生“若不考虑地球自转的影响”这个条件。

在称量太阳质量时，掌握行星绕太阳做匀速圆周运动的模型，明确依据观测数据进行计算是测量中心天体质量的一种重要方法。

海王星的发现和哈雷彗星的按时回归，让
根据以往的教学情况来看，学生经常对发射速度、环绕速度、逃逸速度不加区分。

教学中首先从发射卫星角度来理解，三个宇宙速度都是最小发射速度，第一宇宙速度是发射人造地球卫星的最小发射速度，第二宇宙速度是逃逸地球引力束缚的最小发射速度，第三宇宙速度是脱离太阳引力束缚的最小发射速度。

从卫星发射之后入轨运行，环绕地球做匀速圆周运动的角度来理解，万有引力提供向
心力，卫星的线速度为，最容易发射的近地卫星，最低轨道对应最大的线速度，故才有第一宇宙速度也叫环绕速度。

教学中可借助教材中科学漫步《黑洞》，明确“第一宇宙速度又叫做环绕速度，第二宇宙速度又叫做逃逸速度”。

为了加深学生对宇宙速度的理解，可以举例让学生定性讨论，例如：发射神舟飞船、嫦娥四号、火星探测器的发射速度的范围。

内容与价值分析
一、课标要求
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。

例3 通过发现海王星等事实，说明科学定律的作用。

例4 以万有引力定律为例，了解统一性观念在科学认识中的重要意义。

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。

例5 了解牛顿力学对航天发展的重大贡献。

活动建议
（3）观看有关人造地球卫星、神州飞船、航天飞机、空间站的录像片，与同学交流观后感。

（4）收集我国和世界航天事业发展历史和前景的资料，写出调查报告。

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。

例1 初步了解长度收缩效应和时间延缓效应。

例2 初步了解时空弯曲。

2.3.3 关注宇宙起源和演化的研究进展。

例3 查阅资料，初步了解典型的恒星演化过程。

活动建议
（1）阅读有关相对论的科普书刊，在同学中举办小型讨论会。

（2）观看有关宇宙起源的科教电视专题片，了解宇宙的演化。

二、学习内容与价值分析
万有引力定律揭示了天体运动规律的根源，对人类智慧影响至为深远。

本章有直线运动到曲线运动的跨越，有圆周运动的继承，也有牛顿运动定律的应用，充分体现了物理学科核心素养下的物理观念的形成、科学思维的运用、科学探究的设计，以及严谨认真、实事求是、持之以恒的科学态度与责任。

1.本章万有引力定律的学习过程，突出体现对学生的物理学科核心素养的培养
万有引力定律的发现历程蕴含着丰富的科学本质教育因素，对发展学生的科学态度与责任素养具有重要的价值。

开普勒从运动学角度描述了天体运动规律，牛顿从动力学角度揭示了天体运动规律的根源，两个定律的学习加深了学生对运动与相互作用关系的理解。

科学论证需要证据的支持，“月—地检验”进一步验证了实践是检验真理的唯一标准。

引力常量的普适性是万有引力定律正确性的有力证据，卡文迪什测量引力常量是一种典型的科学实验探究。

根据万有引力理论发现未知天体，说明了科学定律的预测功能，学生可以从中体会科学发现对人类认识世界的作用。

宇宙航行部分从科学理论到实践应用，充分体现了万有引力定律在人类开拓太空中的作用。

发射人造卫星探索宇宙奥秘，人类探索太空的历程更是科学促进技术进步的典型范例。

由关注航天事业的成就和太空垃圾等新的环境问题，认识科学、技术、社会、环境之间的相互联系。

辩证地认识牛顿力学的局限性，有助于学生形成正确的科学态度与责任。

2.在高中物理知识体系中，本章内容具有承前启后作用
万有引力定律是经典力学的极大补充和完善，能促进学生对牛顿运动定律和圆周运动规律的理解。

例如：明确重力与万有引力的关系，有助于学生理解必修1中自由落体加速度与地理纬度和海拔高度的关系；航天器中的完全失重，有助于深化必修1中牛顿定律对失重现象的理解；卫星绕地球、行星绕太阳的匀速圆周运动，能加深圆周运动一章中线速度、角速度、向心力、向心加速度等物理概念及运动规律的理解，让学生增强运动与相互作用观念；卫星变轨问题的研究和实际应用，能促进学生对向心力“供需”关系的理解，提升学生应用物理知识解决实际问题的能力。

开普勒第二定律的学习，渗透了机械能守恒定律；火箭发射、空间站交会对接，渗透了动量守恒定律；万有引力和库仑力都满足平方反比规律，本章学习也对库仑力的得出具有一定的铺垫作用。

3.本章学习内容能促进跨学科学习
高中地理《宇宙中的地球》一章中，从地理学科的角度分析了地球为什么会存在生命，其中涉及的一些自然现象，与高中物理《万有引力与宇宙航行》一章有紧密的联系，通过本章的学习，可以让学生更好地去理解四季轮回、潮汐等地理现象，以及指导重力探矿，促进学生跨学科学习。

4．在万有引力定律确立和应用过程中，蕴含着丰富的科学研究方法
（1）本章教学内容体现了观察法的应用
波兰天文学家哥白尼四十年如一日地观察和计算，所著《天体运动论》预示了地心宇宙的终结。

丹麦天文学家第谷，连续二十年对行星的位置进行观测，并记录了大量的精确数据，为开普勒的研究提供了可靠资料。

牛顿把哥白尼的观点、
开普勒定律、伽利略和牛顿自己关于运动学和动力学的研究成果融会一体，才总结出了万有引力定律。

可见，万有引力定律的发现离不开前人的大量天文观测资料。

学生在前面的学习中，也经历了大量观察法的应用，体会过人们认识事物“先现象，后本质”的一般规律。

例如：在探究牛顿第二定律实验中，平衡摩擦力时，通过观察纸带上点迹是否均匀，来判断物体是否做匀速直线运动；通过观察真空玻璃管中铁片和羽毛的下落，可以知道不同质量物体下落的一样快；通过观察小球在理想斜面上滚动，伽利略才给出力不是维持物体运动状态的原因；通过观察砂轮打磨下来的炽热微粒或掷飞镖的轨迹，可以知道曲线运动的速度方向······先有“洞天地之察”，后有“析万物之理”。

观察是学生认识自然现象的开始，观察到事物不同和相同之处，才能通过现象看本质，得到事物发展统一性规律。

本单元的学习，能让学生进一步体会到观察法的重要性。

（2）本章教学内容体现了假说法的运用
古希腊的哲学家们认为圆是最完美的图形，提出了行星运动是做圆周运动的假说。

托勒密根据日月星辰每天东升西落，提出了地心假说。

火星逆行与地心说发生矛盾，哥白尼提出了日心假说。

开普勒对行星运动的长期观测资料进行分析，
发现了开普勒行星运动定律，修正了哥白尼的假说。

牛顿“站在巨人的肩上”根据已知的事实和原理，进行合理的想象和推理，提出了万有引力定律的假说。

假说并不是凭空猜想，它具有科学性，是以可靠的事实为依据，是科学性的猜想和假设，是物理科学探究的一种，也是建立和发展真定律、真理论的桥梁。

例如，J.J.汤姆孙的原子模型无法解释α粒子散射实验，卢瑟福才提出了原子的核式结构模型假说，又因为核式结构无法解释原子光谱的分立特征，玻尔提出了玻尔理论。

提出假说需要严谨的科学思维，假说还具有推测性、可预见性、可验证性。

例如，伽利略对自由落体运动的研究，先是在严谨的科学思维下让原有理论自相矛盾，然后提出自己的科学性假说：质量不同的物体下落一样快，属于匀变速直线运动。

最后，利用冲淡重力的影响，预见性推断斜面逼近竖直方向物体运动性质不变，通过实验证明自由落体是一种匀变速直线运动。

严谨的理论推导和巧妙的实验设计所得到的假说，是可以让学生信服的。

安培分子环流假说，高中阶段虽然没有给出直接理论支撑和实验验证，但是能很好的解释磁化和消磁等现象，这个科学假说也就变成了科学事实。

学生通过本章假说法的学习，既能深化理解前面假说法的应用，也能为后续假说法的学习做铺垫。

（3）本章教学内容体现了构建理想化物理模型的运用
在认识宇宙的过程中，人类在不断地构建理想化物理模型。

从托勒密构建地心宇宙模型，到哥白尼构建日心宇宙模型，最后开普勒又构建了太阳系模型。

地球绕太阳运动视为理想化的匀速圆周运动，万有引力提供向心力，地球按照理想化“质点”来处理。

物体在地球表面所受重力，在忽略自转次要因素后，可认为等于它们之间的万有引力。

构建理想化物理模型来突出研究对象和所研究问题的。