高中物理第6章《万有引力与航天》教材分析新人教版必修2.docx
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高中物理第6章《万有引力与航天》教材分析新人教版必修2
2010年石家庄市
高中物理“套餐式”系列教研活动项目（之八）
第六章万有引力与航天
---教材分析（必修二模块）
一、教材的整体把握
（一）课程目标
1．通过有关事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，体会科学定律对人类探索未知世界的作用.
2．会计算人造卫星的环绕速度。
知道第二宇宙速度和第三宇宙速度
3．初步了解经典时空观和相对论时空观，知道相对论对人类认识世界的影响。
4．初步了解微观世界中的量子化现象，知道宏观物体和微观粒子能量变化的特点，体会量子论的建立深化了人类对于物质世界的认识
5．通过实例，了解经典力学的发展历程和伟大成就，体会经典力学创立的价值与意义，认识经典力学的适用范围和局限性
（二）、教材框架结构的设计
经典力学的局限性
二、新、旧教材对比及分析
第六章万有引力与航天
第六章万有引力定律
1行星的运动
一、行星的运动
2太阳与行星间的引力
二、万有引力定律
3万有引力定律
三、引力常量的测定
4万有引力理论的成就
四、万有引力定律在天文学上的应用
5宇宙航行
五、人造卫星宇宙速度
6经典力学的局限性
六、行星、恒星、星系和宇宙
●新教材大体继承了原教材的知识线索，在关于“万有引力与航天”方面的知识要求没有大的变化。
●新教材在“行星的运动”与“万有引力定律”之间增加一节课文“太阳与行星间的引力”，旨在放缓万有引力定律发现历程的展现，为学生学习万有引力定律的发现奠定更充分的知识基础；
●“经典力学的局限性”是共同必修模块的最后一节课，在“万有引力理论的成就”后面，用“经典力学的局限性”来作为必修教材牛顿力学的结尾，是对学生所学经典力学的一次总结。
三、新教材的特点
●新教材充分展现万有引力定律的发现过程，发展学生的科学思维能力：
万有引力定律的发现过程犹如一部壮丽的科学史诗，它歌颂了前辈科学家的科学精神，也发现了科学发展过程中科学家们富有创造而有严谨的科学思想，是发展学生思维能力难得的好材料。
教科书在尊重历史事实的前提下，通过一些逻辑思维的铺垫，让学生以自己现有的知识基础处身于历史的背景下，经历一次自己发现万有引力定律的过程。
●注重科学文化教育
科学意识、科学精神、科学价值观等都是在科学发展的过程中形成的。
牛顿时代的科学家们围绕万有引力的研究，经历了大量曲折顽强而又闪烁智慧的科学实践。
这些科学发展过程中的事例都是实现“情感、态度、价值观”目标的好材料。
本书通过托勒密、哥白尼、第谷、开普勒等科学家关于行星运动规律研究的介绍，使学生领略前辈科学家对自然奥秘不屈不挠的探索精神和对待科学研究一丝不苟的态度。
从牛顿时空观到爱因斯坦时空观之间的“漫步”，展现两个世纪以来科学家们对“黑洞”的探究，开阔视野，激发学生的求知欲，激励学生对未来的探索。
在牛顿的科学生涯一文中，引用了牛顿的名言：
“我不过是一个在海滨玩耍的小孩，不时地比别人找到一块更光滑、更美丽的卵石和贝壳而感到高兴，而在我面前的真理的海洋，却完全是个谜。
”引用爱因斯坦的话“一个人最美丽和最强烈的情感来自面对不解之谜。
”在“黑洞”一文，霍金自问道：
“问什么人类要攀登珠穆朗玛峰？
因为他就在那里。
”这些都是名家们对科学不懈追求的动力的解释，是名家们朴实科学价值观的体现。
●增进科学与生活、社会的联系
教科书STS栏目，“航天事业改变着人类的生活”
●正确评价经典力学
教科书肯定了经典力学的巨大成就，同时从三个方面介绍了经典力学的局限性，让学生知道科学成就总是在不断发展的。
但一个新的科学理论的建立并不意味着原有科学理论的推翻，而是原有科学理论在一定条件下成为新理论的一部分，科学理论的普适性总是相对的，科学是在不断探索更广泛适用的理论中得到发展。
教学建议：
注重三维教学目标的落实，抓住理论指导实际的应用，落实定量运算中的动手能力
第一节行星的运动
一、教材分析与教学建议
本节内容对全章的教学起着引领性的作用，同时又为本章的重点内容万有引力定律的学习起一个铺垫性的作用。
本节内容特点：
知识容量较少，但包括的科学史料十分丰富。
因此本节的教学设计应立足于对学生进行科学精神、科学思想方法的教育。
让学生在科学家关于天体运动的研究历史中感悟科学家求真、求简的科学思想方法和科学精神---不仅要让学生了解知识的结论，而且要让学生了解知识结论得到的过程。
二、新旧教材对比
1行星的运动
一、行星的运动
（1）地心说与日心说之争
旧教材:
“旁批”--不容易落实
新教材：
30-32页
通过对托勒密、哥白尼、第谷、开普勒等科学家关于对行星运动
规律研究的介绍，领略到前辈科学家对自然奥秘不屈不挠的探索精神和对待科学研究一丝不苟的态度，感悟到科学的结论总是在顽强曲折的科学实践中悄悄地来临。
2.开普勒定律
旧教材：
只有第一和第三定律（第二定律在页脚做了说明）；第一定律只有描述，没有对椭圆的介绍。
新教材：
第一、第二、第三定律都有；第一定律有了对椭圆的相关介绍，增加了“做一做”，通过学生动手，使他们对椭圆有了比较深刻的认识，能更好的理解开普勒第一定律，并且为以后的数学学习奠定
了基础。
3.结尾的总结
旧教材：
开普勒关于行星运动的确切描述不仅使人们在解决行星的运动学问题上有了依据，更澄清了人们多年来对天体运动的神秘、模糊的认识，同时也推动了对天体动力学问题的研究。
新教材：
明确的指出了中学阶段对天体运动的处理手段
并且绘制了太阳系八颗行星及冥王星的轨道，让学生直观感觉行星的轨道十分接近圆
（在某种程度上说，科学就是一种近似，一种舍弃了次要因素，紧紧抓住主要因素的近似，正是这种近似，才有了真正意义上的科学。
其实，做人做事也一样，要学会取，更要学会舍）
（其中第二条近似也为下一节太阳对行星的引力打下基础）
三、教学建议（仅从教学的几个环节上建议，以下同）
1.课前查找有关描述天体运动的资料，并准备在课堂上交流（分组讨论──展示结果──师生评价──教师小结）
通过对天体运行研究历史的了解，体会科学研究的一般方法──观测、质疑、批判、猜测、分析与研究。
科学研究需要有合作精神，实验归纳和数学演绎相结合的方法，是经过几代科学家的不懈努力所形成的
学习科学家的精神：
不畏权威，相信真理、实事求是的科学态度和勇于献身的科学精神。
体会科学与艺术和谐统一与自然之中，宇宙与自然的美来源于简单与和谐。
2．做一做：
画椭圆──认识椭圆：
两个焦点、长短半轴，椭圆上的点到两焦点的距离之和遵从什么规律
3．组织讨论：
（1）日心说的基本内容是什么？
（2）第谷的主要贡献是什么？
（3）开普勒对天体运行规律研究的成果是什么？
（4）第谷、开普勒是在怎样的社会环境和科学技术条件下研究天体运行规律，并得出结果的？
4.探究K
行星
半长轴（a106km）
公转周期（天）
K值
水星
57
87.97
3.36×1018
金星
108
225
3.35×1018
地球
149
365
3.31×1018
火星
228
687
3.36×1018
木星
778
4333
？
土星
1426
10759
？
天王星
2869
30686
？
海王星
4495
60188
？
同步卫星
0.0424
1
？
月球
0.3844
27.322
？
分6组计算从木星到月球的k值，分享共同结果。
得出和k有关的因素
5、课后补充作业
1．真理的产生就像婴儿的出生一样，是一个痛苦的过程，这个过程需要自己的努力，更需要别人的帮助。
从本节课的学习，谈谈你对此的理解。
4．根据本节所学，撰写小论文《艰难的历程》。
5．思考问题：
是什么力使一颗星围绕另一颗星运动？
并预习下节学习内容。
第二节太阳与行星间的引力
一、新旧教材对比：
2太阳与行星间的引力
二、万有引力定律
旧教材：
1.推导万有引力定律的过程较粗，不太符合循序渐进的原则
2.“检验地面上的重力与天体间的引力是同一性质的力”的“月---地”检验，在旁批出现，加大了难度，不易落实到位。
新教材：
“太阳与行星间的引力”独立出来研究天体间的作用力，然后再利用一个课时研究万有引力定律，把天上、地上联系起来，天体间的万有引力规律的推导更调理清晰，每一步的推导目的更明确，难度分散，使月地检验（在下一节）有充足的时间落实，并且使学生对物理知识的发展过程认识得更清晰。
二、教材分析：
从行星运动规律到万有引力定律的建立过程，是本章的重要内容，是极好的科学过程教育素材，在行星运动规律与万有引力定律两节内容之间安排本节内容，是为了更突出发现万有引力定律的这个科学过程。
如果说上一节内容是从运动学角度来描述行星运动的话，那么本节内容就是从动力学的角度来研究行星的运动。
研究过程是一个依据已有规律进行的演绎推理过程。
这节内容与下一节内容结合起来，应该说是一个比较完整的探究过程。
从问题的提出、猜想与假设、结论的得出、检验论证等，是一次很好的探究性学习过程。
三、教学建议：
（1）问题的提出：
开普勒定律发现之后，人们开始更深入的思考，是什么原因使行星围绕太阳运动？
（2）猜想与假设：
行星和太阳间的引力
（简介认识过程：
伽利略认为一切物体都有合并的趋势，这种趋势导致物体做圆周运动；开普勒认为是太阳发出的磁力；笛卡儿认为是流质涡旋带动；胡克、哈雷认为是太阳引力，甚至证明了如果行星的轨道是圆形的，他所受的引力的大小跟行星到太阳距离的二次方成反比。
但无法证明在椭圆轨道下也遵循同样的规律。
这个问题也使牛顿困惑了许多年，直道牛顿凭借他超凡的数学能力用他自己发明的微积分解决了问题，证明了如果太阳和行星间的引力跟他们距离的二次方成反比，则行星的轨道是椭圆。
由于流质涡旋带动符合人们的生活经验，所以当时被广泛接受，甚至牛顿都是在信仰这种学说中长大的，因此牛顿敢于坚持引力说是需要很大的勇气的。
当然这种勇气也来自他广泛汲取的别人的成就，包括欧几里得数学，阿基米德静力学，开普勒定律，伽利略运动理论和实验结果，惠更斯的向心力等。
让学生体会现在我们认为很简单的知识，在历史上的发现过程不是一蹴而就的，是经过长时间甚至几代人的努力的，可以说它不是一个人的功绩。
二是让学生体会牛顿之伟大来自于其天才，更来自于他广泛吸取别人的成就的勤奋。
对学生进行励志教育。
“引力大小到底跟什么有关?
”再次激疑
（3）简化模型：
行星轨道按圆来处理
（4）推导行星和太阳间的引力过程
探究过程一、太阳对行星的引力
问题设置:
1、行星绕太阳作匀速圆周运动，写出行星需要的向心力表达式，并说明式中符号的物理意义。
2、行星运动的线速度v与周期T的关系式如何？
为何要消去v？
写出要消去v后的向心力表达式
3、如何应用开普勒第三定律消去周期T？
为何要消去周期T？
4、写出引力F与距离r的比例式，说明比例式的意义
二、行星对太阳的引力
旧教材：
新教材：
三、太阳与行星间的引力
新教材的编写，具有很强的逻辑关系，在教学过程中，要注意引力的关系式的推导不是公式的罗列，一定要让学生搞清为什么用这个公式而不用那个公式；在推导过程中，用了哪些方面的知识（牛顿第二定律、牛顿第三定律、开普勒第三定律）？
在使用牛顿第二定律中，属于哪个方面的应用（已知物体的运动情况，判断物体的运动情况）？
新旧教材对比：
新教材条理更清晰，逻辑思维更严谨，证明更具有可信性（比如“受力体受到的力与受力体的质量成正比”）
问题与练习：
1.认真对待，是使学生对物理方法的归纳总结
2.这个无法在实验室验证的规律就是开普勒第三定律，是开普勒根据研究天文学家第谷的行星观测记录研究出来的。
突出物理研究的方法：
观察现象，记录数据，归纳分析----对学生的发展具有积极的意义。
补充：
3.本节课后，作业“认真阅读48页科学足迹：
牛顿的科学生涯。
并在同学中交流，谈谈你读后的感想。
4.35页“说一说”认真思考，同学间交流，共同分析观点的可行性
第三节万有引力定律
一、教材分析与教学建议
本节内容是对上一节教学内容的进一步外推，是下一节内容学习的基础；是猜想、假设、与验证相结合的教学内容；是一种演绎思维与归纳思维相结合的推理知识建构结构。
其立意还在于物理理论还必须接受实践的检验。
流程图：
教学建议：
探究过程
（1）万有引力的猜想..\d\2009级高一\教科所\万有引力定律.ppt
通过上节的分析，我们已经知道了太阳与行星间的引力规律，牛顿接着设想， 离开树枝的苹果，为什么总落向地面?
又是什么力使得抛出去的物体不能离开地球，总要落回地面呢？
地球对苹果的引力和太阳对行星的引力是否根本就是同一种力？
于是我们可以提出这样的猜想：
太阳对行星的引力，地球对月球的力，地球对地面上物体的力，也许真是同一种力，遵循相同的规律？
假定上述猜想成立，月球和苹果的地位相当，则地球对月球的力与地球对苹果的力应该同样遵从“平方反比”律，即
（2）万有引力的检验
创设情景：
“月--地检验 ”
在牛顿时代，重力加速度g、地球半径R，月-地的距离（月球轨道半径）r、月球的公转周期T都能精确的测定，已知r=3．8×108m，T=27.3天，g=9.8m/s2，r=60R，那么：
①月球在轨道上的加速度a（月球公转的向心加速度）由谁提供？
大小与月球的质量是否有关？
等于多少？
=0.0027m/s
②如果地球对月球的力与地球对苹果的力同样遵从“平方反比”律，
那么
，物体在地面附近受到的
，则有
③检验
a=0.0027m/s是在地面附近下落物体的加速度（重力加速度g）的几分之一？
通过创设情景，引导学生定量计算，用无可辩驳的事实证明猜想的正确性，增强学生的理性认识。
可见：
用数据说明上述设想的正确性，牛顿的设想经受了事实的检验，地球对月球的力，地球对地面物体的力真是同一种力。
至此，平方反比律已经扩展到太阳与行星之间，地球与月球之间、地球对地面物体之间。
牛顿做了更大胆的设想，任意两个物体之间都存在这样的力吗？
很可能一般物体的质量比天体的质量小得多我们没有觉察到。
于是上述理论被推广到一切物体之间。
（万有引力定律的发现，把天上地上统一了起来，对科学文化发展起到了积极的推动作用，解放了人们的思想，给人们探索自然的奥秘建立了极大信心，人们有能力理解天地间的各种事物。
）
万有引力定律的内容（新旧教材对比）：
自然界中任何两个物体都相互吸引，引力的方向在它们的连线上，引力大小与物体的质量m1m2的乘积成正比，与它们之间距离r的二次方成反比．
对万有引力定律的理解
普遍性：
万有引力存在于任何两个物体之间，只不过一般物体的质量与星球相比太小了，他们之间的万有引力也非常小，完全可以忽略不计。
相互性：
两个物体相互作用的引力是一对作用力与反作用力
万有引力定律的适用条件：
只适用于两个质点间的引力，当物体之间的距离远大于物体本身时，物体可看成质点；当两物体是质量分布均匀的球体时，它们间的引力也可直接用公式计算，但式中的r是指两球心间的距离。
（要搞清万有引力与万有引力定律之间的关系）
（3）万有引力定律的检验（建议补充卡文迪许扭秤）
牛顿发现了万有引力定律，却没有给出引力恒量的数值。
由于一般物体间的引力非常小，用实验测定极其困难。
直到一百多年之后，才由英国的卡文迪许用精巧的扭秤测出。
该实验精巧之处：
将不易观察的微小变化量，转化为容易观察的显著变化量，再根据显著变化量与微小量的关系，算出微小变化量
扭秤装置把微小力转变成力矩来反映（一次放大），
扭转角度通过光标的移动来反映（二次放大），从而确定物体间的万有引力
引力常量的测定的意义：
1．证明了万有引力的存在的普遍性。
2．使得万有引力定律有了真正的实用价值，可测定远离地球的天体的质量、密度等。
3．扭秤实验巧妙地利用等效法合理地将微小量进行放大，开创了测量弱力的新时代
引力常量的意义：
表示两个质量为1kg的质点相距1m时，引力大小为6.67×10-11N
当堂训练：
估算两个质量均为50kg的人，相距2m时的引力大小
这个力到底有多大呢？
托盘天平的最小砝码质量1g,重力为G=10-2N，
是F的2.4×105倍（二十四万倍），它相当于几十粒尘埃的重力。
我们之间的引力真的非常非常小，完全可以忽略不计。
而天体比如地球与我们间的万有引力是多大？
可以忽略吗？
太阳和地球之间的引力为3.56×1022N,这样大的力如果作用在直径是9000km的钢柱两端，就
？
可以把它拉断（形象了解万有引力的大小）
第四节万有引力理论的成就
一、教材分析:
本节教学要求学生体会万有引力定律经受实践的检验，取得了很大的成功；理解万有引力定律巨大作用和价值，对它在科学史上所产生的重大影响无论怎样估计也不是过分的。
通过本节的学习，重点使学生深刻体会科学定律对人类探索未知世界的作用,激起学生对科学探究的兴趣，培养热爱科学的情感。
本节分三个板块：
实验室称量地球质量；计算天体质量；发现未知天体。
二、新旧教材对比：
4万有引力理论的成就
四、万有引力定律在天文学上的应用
从标题上看，新课标教材更加突出了万有引力理论的巨大作用和价值；从内容安排上，课标教材增加了“科学真是迷人”小节，激起学生对科学探究的兴趣，培养热爱科学的情感。
三、教学建议：
科学真是迷人;
一、称量地球质量：
提出问题：
1.假设我们跳出地球，观察它上面的物体，由于地球在自传，物体做什么运动?
2.什么原因使它做这种运动？
请以赤道上的物体为例分析
F-FN=Fn
FN=mg
探究一：
已知地球的质量M=6.0×1024kg,地球半径R=6.378×103km.请根据以上数据计算:
3.在赤道表面上质量为1kg的物体所受的重力及万有引力
4.该物体随地球自转所需的向心力.
5.根据以上计算结果，在忽略地球自转的影响的情况下，你能得出什么结论？
（若不考虑地球自转的影响，地面上质量为m的物体所受的重力mg等于地球对物体的万有引力）
结论：
探究二：
现有下列器材：
弹簧秤、天平。
请设计称量地球质量的实验方案。
（地球半径R已知）
探究三：
2003年10月15日9时，我国神州五号宇宙飞船在酒泉卫星发射中心成功发射，把杨利伟送入太空。
飞船绕地球飞行14圈后，于10月16日6时23分安全降落在内蒙古主着陆场。
下面请同学们帮助杨利伟设计测量地球质量的方案。
提供器材：
计时器。
（飞船的飞行高度已知）
文学家的感慨:
♦科学真是迷人。
根据零星的事实，增加一点猜想，竟能赢得那么多收获！
--------马克·吐温
二、计算天体的质量
思考与讨论
1.天体实际做何运动?
而我们通常可认为做什么运动?
（1）an=
（2）an=ω2·r
（3）an=4π2r/T2
2.描述匀速圆周运动的物理量有哪些?
3.根据环绕天体的运动情况求解其向心加速度有几种求法?
4.应用天体运动的动力学方程——万有引力充当向心力求出的天体质量有几种表达式?
各是什么?
各有什么特点?
5.应用此方法能否求出环绕天体的质量?
应用天体运动的动力学方程——万有引力充当向心力，结合圆周运动向心加速度的三种表述方式可得三种形式的方程，即
F引=G
=m
=mω2r=m
从上述动力学方程的三种表述中，可得到相应的天体质量的三种表达形式：
（1）M=
v2r/G.
（2）M=ω2r3/G.
（3）M=4π2r3/GT2.
从上面的学习可知，在应用万有引力定律求解天体质量时，只能求解中心天体的质量，而不能求解环绕天体的质量。
而在求解中心天体质量的三种表达式中，最常用的是已知周期求质量的方程。
因为环绕天体运动的周期比较容易测量。
探究四：
如果以绕太阳做匀速圆周运动的水星为研究对象，需要知道哪些量才能求得太阳的质量？
水星和地球绕太阳做圆周运动的公转周期T是不一样的，公转半径也是不一样的，那用公式求解出来的太阳的质量会是一样的吗？
总结归纳、1.应用万有引力定律求解天体质量的基本思路是什么?
根据环绕天体的运动情况，求出其向心加速度，然后根据万有引力充当向心力，进而列方程求解.
2.求解天体质量的方程依据是什么?
从前面的学习知道，天体之间存在着相互作用的万有引力，而行星（或卫星）都在绕恒星（或行星）做近似圆周的运动，而物体做圆周运动时合力充当向心力，故对于天体所做的圆周运动的动力学方程只能是万有引力充当向心力，这也是求解中心天体质量时列方程的根源所在.
当堂训练：
1.把地球绕太阳公转看做是匀速圆周运动，平均半径为1.5×1011m，已知引力常量为：
G=6.67×10-11N·m2/kg2，则可估算出太阳的质量大约是多少千克?
（结果取一位有效数字）
2.2020年我们班的某同学驾驶着神州２０号宇宙飞船飞近某一不知名的行星,并进入靠近该行星表面的圆形轨道运行,对该行星进行观测．需要测定该行星的密度请同学们帮他想想办法
三、发现未知天体
1、应用万有引力定律除可计算天体质量外，还可以在天文学上有何应用？
2、应用万有引力定律发现了哪些行星？
人们是怎样应用万有引力定律来发现未知天体的?
发表你的看法
第五节宇宙航行
一、教材分析:
1.本节属于航天部分的重要知识，介绍万有引力的重要成就。
使学生知道是万有引力理论使人类实现“飞天”梦想。
教科书简述了人类航天事业的发展，特别列举了成功发射的人造地球卫星的几个实例，使学生通过展示人类在宇宙航行领域中的伟大成就，激发学生学习物理
的热情．通过介绍我国在航天方面的成就，激发学生的爱国热情，增强民族自信心和自豪感。
感知人类探索宇宙的梦想，促使学生树立献
身科学的人生观和价值观。
本节既介绍航天成就，又谈到人类为此付出的代价。
全文最后以爱因斯坦的名言“一个人最完美和最强烈的情
感来自面对不解之谜”来激励学生科学探究的志趣。
书中图片用来激发学生的科学献身精神。
宇宙航行不但介绍了人造卫星中一些基本理论，更是在其中渗透了很多研究实际物理问题的物理方法。
因此，本节课是“万有引力定律与航天”中的重点内容，是学生进一步学习研究天体物理问题的理论基础。
本节重点讲述了人造卫星的发射原理，推导了第一宇宙速度，并介绍了第二、第三宇宙速度。
人造卫星是万有引力定律在天文学上应用的一个实例，是人类征服自然的见证，体现了知识的力量，是学生学习了解现代科技知识的一个极好素材。
在学习牛顿对卫星发射的思考过程的同时，培养学生科学探索能力；培养学生在处理实际问题时，如何构建物理模型的能力。
通过对卫星运行的线速度、角速度、周期与轨道半径的关系的讨论，培养学生运用知识分析解决实际问题的能力。
本节课的难点在于对人造卫星原理的理解，因此教学设计上采用理论探究法，在设计中突出发挥学生的主体作用，课堂中通过设疑→思考→启发→引导这样一条主线，激发鼓励学生的大胆思考、积极参与，让学生通过自己的分析研究来掌握获取相关的知识和方法。
二、新旧教材对比：
5宇宙航行
五、人造卫星宇宙速度
1.旧教材:
有“人造卫星宇宙速度”两个板块
新教材：
是“宇宙速度梦想成真”两个板块，期中宇宙速度涵盖了“人造卫星”的内容
2．STS
二．教学设
升级会员 