【物理】万有引力与宇宙航行课标研究课件 2023-2024学年高一下学期物理人教版（2019）必修第二册.pptx

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1、010203目录对标教材对标实践研读课标04解析案例第一部分：研读课标普通高中物理课程标准普通高中物理课程标准（20172017年版年版20202020年修订年修订）对本单元内容要求对本单元内容要求曲线运动与曲线运动与万有引力定律万有引力定律课课 标标牛顿力学局限性牛顿力学局限性与相对论初步与相对论初步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。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。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

2、步了解相对论时空观。2.3.3 关注宇宙起源和演化的研究进展。单元核心素养物物 理理 观观 念念（1 1）运动的观念：）运动的观念：开普勒从运动的视角分析行星运动的观测数据，探究行星运动规律，得到开普勒三个定律。（2 2）相互作用观念：）相互作用观念：能从运动与相互作用的视角研究行星运动的动力学原因，得到万有引力定律。单元核心素养科科 学学 思思 维维（1）通过分析行星运动，建构行星运动的轨道模型；能用数学方法分析并归纳概括出开普勒定律的数学表现形式。（2）能运用牛顿运动定律分析推理出太阳和行星间的相互作用力。单元核心素养科科 学学 探探 究究（1）能对行星运动原因，提出猜想、设计方案、获取证

3、据、分析结论、解释交流得出万有引力定律；通过分析行星运动，建构行星运动的轨道模型；能用数学方法分析并归纳概括出开普勒定律。（2）能运用牛顿运动定律和万有引力设计“天问一号”发射方案。单元核心素养科科 学学 态态 度度 与与 责责 任任（1）通过物理学史的学习，体会科学发展过程的曲折与艰辛。（2）通过对黑洞、牛顿力学局限性的学习，树立正确的科学认识。（3）对我国航天事业的发展的了解有助于增强学生的民族自豪感。（4）对未知领域的探索增强学生对科学的热爱，调动学生的学习热情。第二部分：对标教材对标教材原教材原教材万有引力与航天万有引力与航天 1.行星的运动2.太阳与行星间的引力3.万有引力定律4.万

4、有引力理论的成就5.宇宙航行6.经典力学的局限性新教材新教材万有引力与宇宙航行万有引力与宇宙航行1.行星的运动2.万有引力定律3.万有引力理论的成就4.宇宙航行5.相对论时空观与牛顿力学的局限性回顾过去万有引力定律的建立过程展示现在万有引力定律成就与我国航天事业发展展望未来超越牛顿力学 1.新旧教材章节结构对比新旧教材章节结构对比本章内容与原来相比，虽然知识内容相差不多，但编写理念有了明显变化，教材在以下几方面进行了加强。一、每节在开始就通过图片和问题引导学生的思维.二、教材的叙述更符合学生的认知发展。三、对于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，而采用思考与讨论的方式，

5、鼓励学生自己解决。对标教材核心素养学习内容学习过程科学思维科学探究基于观测寻找规律提出问题实验验证总结规律实践检验局限发展开普勒三定律太阳与行星的力月地检验万有引力定律科学成就模型建构科学推理科学论证质疑创新问题证据解释交流运动与相互作用观念科学态度与责任2.2.本单元内容分析本单元内容分析对标教材对行星运对行星运动的思考动的思考行星运动行星运动的规律的规律第第1节节行星的运行星的运动动天体运动天体运动的原因的原因万有引力万有引力定律定律第第2节节万有引力万有引力定律定律探测未知天体探测未知天体卫星发射卫星发射万有引力定律万有引力定律的应用的应用第第3、4节节万有引力定律万有引力定律成就与航行

6、成就与航行宏观与低速宏观与低速微观与高速微观与高速牛顿定律牛顿定律的局限性的局限性第第5节节相对论时空观与相对论时空观与牛顿力学局限性牛顿力学局限性运动学视角运动学视角动力学视角动力学视角运动与相互运动与相互作用视角作用视角从运动与相互作用视角认识行星运动对标教材第三部分：对标实践对标实践任务驱动：如何实现火星探测器“天问一号”发射成功？任务分解学习内容课时安排任务1：探索行星的运动规律开普勒定律1+1任务2：探究行星运动的原因“月地检验”万有引力定律2+2任务3：万有引力与天文学的 新发现万有引力理论的成就2+2任务4：如何实现“天问一号”成功发射宇宙速度人造卫星卫星发射与变轨2+3任务5：

7、星际旅行能超光速吗？相对论时空观牛顿力学局限性1任务1 探索行星的运动规律活动活动内容问题设置活动1交流天体运动的研究历程(1)日心说与地心说只是参考系的变化吗？(2)第谷为什么没有发现行星的运动规律？(3)研究行星运动时，科学家建构了哪些物理模型？活动2认识椭圆轨道(1)观察太阳系八大行星轨迹的数据特点。活动3归纳行星的运动规律(1)开普勒第一、第二、第三定律描述的关键问题是什么？(2)“行星绕太阳的轨道十分接近圆”，有多接近？(3)开普勒定律对地球卫星的运动是否适用？对标实践活动1交流天体运动的研究历程(1)课前布置任务：阅读科学漫步“人类对行星运动规律的认识”或查找有关描述天体运动的历史

8、资料。(“学生分享问题讨论师生总结”)(2)问题讨论-1描述运动上描述运动上，不同的参考系中，运动规律的繁简程度可能大不相同。体会物理观念的形成、模型的建构方法！对标实践(3)总结行星运动的科学探索历程，理清思路。天文学起步前500150托勒密地心说1543哥白尼日心说1546第谷出生1600开普勒任第谷助手1609开普勒第一定律第二定律伽利略发明望远镜1619开普勒第三定律大约公元前500年，以毕达哥拉斯为首的希腊学派提出，太阳、月亮和水星、金星、火星、木星和土星这七个星体中的每一个都附在一个以地球为中心的透明大球壳上，做速率不同的匀速圆周运动。为了解释“火星的逆行”，公元150年前后，托勒

9、密利用“本轮”和“均轮”解释行星的运动，“轮上轮”的总数达到80多个。1543年，波兰学者哥白尼在他临终的病榻上为其毕生致力的著作天体运行论签上了自己的名字，预示了地心论的终结。天才的观测家第谷，建立了天文台，精确地确定了777颗星体的位置，并把测量精度由10减小到2。开普勒经过70多次尝试，哥白尼轨道与第谷的观测有8的误差，他没有忽视这8的误差，而是对天体做匀速圆周运动提出了怀疑。终于于1609年和1619年发表了行星运动的三个定律。被称为“中世纪科学与近代科学的分水岭”。1609年伽利略利用望远镜探查天空，发现了围绕木星旋转的卫星，证明地球不是天体运行的中心。对标实践活动2认识椭圆轨道定义

10、：平面内一个动点定义：平面内一个动点P到两个定点到两个定点F1、F2之和为常数，这个动点的轨迹为椭圆。之和为常数，这个动点的轨迹为椭圆。这两个定点为椭圆的焦点。这两个定点为椭圆的焦点。对标实践活动3归纳行星的运动规律对标实践圆椭圆圆太阳行星a简简化化太阳行星r对标实践任务2 探索行星运动的原因活动活动内容问题设置活动1建构模型，推导太阳与行星引力表达式(1)建立怎样的行星绕太阳运动模型？(2)什么原因使行星绕太阳运动？(3)根据牛顿定律和开普勒第三定律，推导太阳对行星引力的表达式？活动2研究地球吸引月亮的力的性质(1)月球为什么绕地球公转？地面的苹果为什么下落？(2)地球对月球的力、对苹果的力

11、性质相同吗？如何设计实验验证呢？活动3认识万有引力定律(1)万有引力定律的适用条件？(2)估算下操场上两个相距0.5m的两个篮球间的引力。活动4如何测定引力常数G？(1)卡文迪什扭秤实验的设计巧妙在哪里？(2)引力常量G的测定有何实际意义？对标实践活动1建构模型，推导太阳与行星引力表达式一一切切物物体体都都有有合合并并的的趋趋势势，这这种种趋趋势势导导致致物体做圆周运动。物体做圆周运动。伽利略伽利略行行星星绕绕太太阳阳运运动动是是因因为为受受到到了了太太阳阳对对它它的的引引力力，甚甚至至证证明明了了如如果果行行星星的的轨轨道道是是圆圆形形的的，它它所所受受引引力力的的大大小小跟跟行行星到太阳的

12、距离的二次方成反比。星到太阳的距离的二次方成反比。胡克胡克笛卡尔笛卡尔宇宇宙宙由由不不停停旋旋转转着着的的微微粒粒所所组组成成，微微粒粒的的运运动动形形成成漩漩涡涡。太太阳阳和和行行星星在在各各自自的的漩漩涡涡中中。行行星星的的漩漩涡涡带带动动卫卫星星运运动动，太太阳阳的的漩漩涡涡带带动动行行星星和和卫卫星星一一起起运动。运动。对标实践建立简化模型：建立简化模型：建立简化模型：建立简化模型：行星绕太阳做行星绕太阳做行星绕太阳做行星绕太阳做匀速圆周运动匀速圆周运动匀速圆周运动匀速圆周运动，太阳与行星可视为，太阳与行星可视为，太阳与行星可视为，太阳与行星可视为质点质点质点质点提出提出提出提出问题问

13、题问题问题：如何使行星绕太阳做匀速圆周运动？如何使行星绕太阳做匀速圆周运动？如何使行星绕太阳做匀速圆周运动？如何使行星绕太阳做匀速圆周运动？猜想假设猜想假设猜想假设猜想假设：太阳对行星间存在引力，引力应与它们间的：太阳对行星间存在引力，引力应与它们间的：太阳对行星间存在引力，引力应与它们间的：太阳对行星间存在引力，引力应与它们间的距离距离距离距离有关有关有关有关推理论证推理论证推理论证推理论证：根据牛顿定律和开普勒第三定律计算：根据牛顿定律和开普勒第三定律计算：根据牛顿定律和开普勒第三定律计算：根据牛顿定律和开普勒第三定律计算太阳对行星的引力：太阳对行星的引力：太阳对行星的引力：太阳对行星的引

14、力：行星圆周运行星圆周运动的向心力：动的向心力：行星圆周运行星圆周运动的规律：动的规律：行星对太阳的引力：行星对太阳的引力：行星对太阳的引力：行星对太阳的引力：引力引力平平等性等性太阳与行星间的引力：太阳与行星间的引力：太阳与行星间的引力：太阳与行星间的引力：从行星运动规律到万有引力定律的建立过程，使学生经历完整的科学探究过程。对标实践活动2研究地球吸引月亮的力的性质想法由来？目的：检验让月亮“下落”的力与让苹果下落的力是否遵循同样的规律？对标实践假设：假设：假设：假设：地球与月球间的作用力和太地球与月球间的作用力和太阳与行星间的作用力是同一种力阳与行星间的作用力是同一种力假设：假设：假设：假

15、设：地球对苹果的吸引力也是同地球对苹果的吸引力也是同一种力一种力月球与地球中心距离月球与地球中心距离r约为地球半径约为地球半径R R的的6060倍倍活动3月地检验如何设计方案检验呢？对标实践活动4如何测定引力常数G？1789卡文迪什在室外用望远镜观测扭秤卡文迪什在室外用望远镜观测扭秤 牛顿得出万有引力定律牛顿得出万有引力定律111111年年后，英国物理学家卡文迪什在实验后，英国物理学家卡文迪什在实验室测出了引力常量。室测出了引力常量。科学方法科学方法 转化思想、放大法转化思想、放大法对标实践任务3 万有引力与天文学的新发现活动活动内容问题设置活动1万有引力如何被检验？(1)预言哈雷彗星的回归(

16、2)预言未知天体活动2研究不同纬度重力变化的原因(1)万有引力与地面物体重力的关系？(2)同一物体在不同位置的称重为什么有变化？活动3称一称“地球质量”(1)如何称量地球的质量？(2)如何测量太阳的质量？活动4探索万有引力定律其他应用查询资料，了解万有引力定律还有哪些应用（如预测地球形状、解释潮汐现象、指导重力探矿等）对标实践活动1万有引力如何被检验？一个成功的理论不仅要能解释已知的事实，更重要的是能预言未一个成功的理论不仅要能解释已知的事实，更重要的是能预言未知的现象。知的现象。科学探究科学探究“问题问题”素养素养对标实践活动2研究不同纬度重力变化的原因(1)忽略地球自转影响（模型建构）地球

17、质量：黄金代换：重力加速度：对标实践N1FN2Fmg赤赤mg极极(2)考虑地球自转影响（模型建构）两极：不自转平衡态：F=N，地面看 N1=mg极，mg极即为F。赤道：随地球自转匀速圆周运动：F-N2=m2R，地面看 N2=mg赤，即mg赤=F-m2R。两极重力加速度大，赤道小。对标实践F向向rRF万万Nmg某一纬度：先找圆周，r=R cos向心力为 F 与 N3 合力。地面看 N3=mg，相当于F 分解为mg和向心力。二者夹角：m2Rcossin/F二者大小差异：mg F-m2Rcos2m 0.002 rad =0.115已知地球半径为6400km，地球自转一周24小时。可近似计算赤道处物体

18、随地球转动的向心加速度。对标实践任务4 如何实现“天问一号”成功发射活动活动内容问题设置活动1多大速度才能发射人造地球卫星？(1)地面抛出的物体速度越来大，还做平抛运动吗？(2)物体绕地球运行的速度多大？活动2比较不同轨道的人造卫星(1)绕行地球的卫星，它的轨道中心在哪里？(2)高轨道与低轨道卫星相比，哪个运行速度大？(3)地球同步卫星的轨道和周期有什么特点？活动3揭秘：“天问一号”的发射与轨道转移(1)“天问一号”发射速度大于第二宇宙速度吗？(2)“天问一号”是如何变轨的？活动4了解我国的载人航天与太空探索历程查询资料，汇报交流：我国航天事业的发展制作海报：载人航天与太空探索的大事记对标实践

19、 任务5 星际旅行能超光速吗？活动活动内容问题设置活动1能够超光速吗？(1)星球上的观察者测量到的激光速度是多少?(2)光传播的速度是c，是相对哪个参考系的?(3)为解决力学和实验矛盾，爱因斯坦做了什么假设?活动2同时是相对的吗？(1)同时是相对的吗？(2)空间距离是否也会与物体的运动有关?(3)上述表达式有没有得到实验的证明?活动3经典力学的适用范围是什么？(1)经典力学取得的伟大成就有哪些?(2)经典力学还有什么领域不能用?(3)经典力学过时了吗?我们是否仍要学习经典力学?对标实践活动1能够超光速吗？问题情景:设想人类可以利用飞船以0.2c的速度进行星际航行，若飞船向正前方的某一星球发射一

20、束激光观察者看到的光速多大？时间延缓效应长度收缩效应对标实践活动2同时是相对的吗？实验证据：子寿命变长 19711971年，美国科学家将几只铯原年，美国科学家将几只铯原子钟同步，然后把其中的四只分子钟同步，然后把其中的四只分别放在两架飞机上，一架向东飞，别放在两架飞机上，一架向东飞，一架向西飞，最后发现跟留在地一架向西飞，最后发现跟留在地面的钟相比，向东飞的飞机上的面的钟相比，向东飞的飞机上的钟钟慢了慢了5959纳秒，而向西飞的飞机纳秒，而向西飞的飞机上的钟快了上的钟快了273273纳秒纳秒对标实践活动3经典力学的适用范围是什么？经典力学的基础是牛顿运动定律，万有引力定律更是确立了牛顿的地位。牛顿运动定律和万有引力定律在宏观、低速的广阔领域经受了实践的检验。高速世界相对论微观世界量子力学 发展学生对发展学生对“科学本质科学本质”认识认识对标实践第四部分：案例解析案例解析案例解析案例解析案例解析案例解析探月工程探月工程增加航天成就介绍，进行情感态度教育案例解析THANKS欢迎批评指正！