單元教學設計單元基本信息學科物理學校年級高一課程模塊必修第二冊使用教材版本人教版2019版單元涵蓋章、節萬有引力與宇宙航行行星的運動萬有引力定律萬有引力理論的成就宇宙航行相對論時空觀與牛頓力學的局限性課標要求2.2.4通過有關史實，了解萬有引力定律的發現過程。知道萬有引力定律。認識萬有引力定律的重要意義。認識科學定律對人類探索未知世界的作用。2.2.5會計算人造衛星的環繞速度。知道第二宇宙速度和第三宇宙速度。2.3.1知道牛頓力學的局限性，體會人類對自然界的探索是不斷深入的。2.3.2初步了解相對論的時空觀。2.3.3關注宇宙起源和演化的研究進展。一、單元學習主題分析主題名稱基于核心素養的航空航天發展歷程的研究主題概述單元主題確定為《基于核心素養的航空航天發展歷程的研究》，本主題以萬有引力的演進為知識主線、以落實學科核心素養為目的：從知識的形成到知識的應用再到知識的拓展，依托航空航天的發展歷程為情境主線進行設計。本主題分三個子主題，并按照單元主題教學思想注重各子主題之間的有效銜接：第一個子主題是“回顧過去”，介紹人類對行星運動規律的認識過程和建立萬有引力定律的過程。使學生感悟人類得出物理知識認識過程的漫長與艱辛，真理是來之不易的，認識到質疑和創新的重要性。第二個子主題是“展示現在”，學習應用萬有引力定律及載人航天與太空探究領域所取得的巨大成就，使學生對萬有引力定律的重要意義和作用有全面的了解，了解我國航天事業的發展，增強民族自豪感。第三個子主題是“展望未來”，讓學生知道牛頓力學具有局限性，初步了解相對論時空觀，關注宇宙起源和演化的進展，體會人類對自然界的探索是不斷深入的。學情分析已有基礎：同學們進入高中階段學習物理以來，主要學習了牛頓運動定律和曲線運動。對物理模型建構、類比法、極限法等物理方法已經初步掌握。牛頓運動定律正是經典力學的基礎，前面的學習為本章的學習奠定了一定學習基礎。學習障礙：本章內容從地面上升到空間宇宙對學生來說是抽象的、陌生的，甚至無法去感知。對天體的運動充滿好奇，又覺得非常神秘而不易理解。所以必須去引導學生了解人們對星體運動認識的發展過程，在學生整體感知的過程中引導學生體會這些大師們的思路、方法及他們的一絲不茍的科學精神，并激發他們熱愛科學、探索真理的求知熱情和愛國主義情懷。在學習天體運動時乎不能用具體的實驗方法去演示，所以對于學生的想象力、思維能力、推導能力的要求較高。對于學生存在一定的挑戰。教學輔助支持學習小組+黑板、多媒體平臺（包括電腦及實物投影裝置等）、視頻資源、word、ppt課件及excel辦公軟件等有利于發展學生學科核心素養的學習環境。二、單元學習目標設計單元學習目標1.通過閱讀、互聯網搜集資料和小組交流，了解人類對行星運動規律的認識歷程。體會科學家們實事求是、尊重客觀事實、不迷信權威、敢于堅持真理和勇于探索的科學態度和科學精神。感悟人類對行星運動的認識過程是漫長復雜的，真理是來之不易的。2.通過動手操作畫橢圓，對橢圓有一個感性認識。閱讀教材及對具體數據分析知道開普勒行星運動的三個定律，k值大小與中心天體有關，與行星無關。認識定律律的科學價值。3.經歷一次自己“發現”太陽與行星間引力，推導出太陽與行星間引力的方向和表達式的過程，體會牛頓定律在推導太陽與行星間引力時的作用。提升科學探究能力。4.結合“月－地檢驗”通過思維程序知道地球上的重物下落與天體運動的統一。體會在科學規律的發現過程中猜想和求證的重要性及物理學的簡潔之美。通過視頻材料了解引力常量的測定過程，知道引力常量的測定在科學史上的重要意義。感悟學習中互相協作、互相借鑒也是具有重要意義。5通過具體問題的解決，認識到萬有引力定律的巨大成就。通過對航空航天事業的發展了解，體驗人類探索自然規律的艱辛與喜悅，有將科學技術服務于人類的意識。初步了解相對論時空觀，關注宇宙起源和演化的進展，體會人類對自然界的探索是不斷深入的。三、單元學習評價評價內容能應用開普勒三定律解決天體運動問題；能推導萬有引力定律，熟知萬有引力定律的內容和適用范圍；會利用萬有引力定律，解決天體運動的實際問題。知道牛頓力學的局限性，初步了解相對論的時空觀。評價方法學習活動過程評價；課前、課中、課后作業檢測評價；拓展提升及課后反思評價；自我評價及同伴、教師評價等結果性評價。四、課時總數與課時分配課時總數6課時模塊一回顧過去第一課時：行星的運動第二課時：萬有引力定律課時數：2課時學業質量水平等級達成等級物理觀念：水平1、水平2、水平3科學探究：水平1、水平2、水平3科學思維：水平1、水平2、水平3模塊二展示現在第三課時：萬有引力定律的成就第四、五課時：宇宙航行課時數：3課時學業質量水平等級達成等級物理觀念：水平1、水平2科學思維：水平1、水平2、水平3、水平4科學態度與責任：水平1、水平2、水平3模塊三展現未來第6課時：相對論時空觀與牛頓力學的局限性課時數：1課時學業質量水平等級達成等級物理觀念：水平1科學態度與責任：水平1、水平2、五、單元核心任務任務核心任務(活動)內容表述作用與意義任務/活動1從古人的“天圓地方”到開普勒三個定律的物理學史內容的查閱、交流。（1）地心說與日心說爭論是什么？（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勝了地心說？通過互聯網搜集資料和小組交流，了解人類對行星運動規律的認識歷程。知道地心說和日心說的基本內容。感悟人類對行星運動的認識過程是漫長復雜的，真理是來之不易的。體會觀察法在認識行星運動規律中的作用。任務/活動2推導萬有引力定律：推導萬有引力定律：（一）太陽與行星間的引力（1）設行星的質量為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動，寫出行星需要的向心力表達式，并說明式中符號的物理意義。（2）行星運動的線速度v與周期T的關系式如何？天文觀測難以直接得到行星的速度v，但可以得到行星的公轉周期T，寫出用T表示向心力的表達式。（3）如何應用開普勒第三定律消去周期T？寫出消去周期T后向心力的表達式。（4）寫出太陽對行星的引力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。一個物體放在地球表面上受到的力和將這個物體放在月球軌道上所受到的引力，滿足什么比例關系？它們的加速度a又滿足什么比例關系？你可以算出物體在月球軌道上的加速度嗎？2.天文觀測數據分析：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，那么它會繞著地球做圓周運動，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，使學生經歷一次自己“發現”太陽與行星間引力。通過問題的提出、演繹、假設與推理、結論的得出、檢驗論證等，是一個比較完整的探究過程。提升學生的科學探究素養。領會將不易測量的物理量轉化為易測量物理量的方法。通過理論分析和數據計算，認識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。會用該定律解決簡單的引力計算問題。知道地球上的重物下落與天體運動的統一。體會在科學規律的發現過程中猜想和求證的重要性。任務/活動3“稱量”地球的質量：1.地球上的質量為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，為了測地球的質量，需要對模型進行怎樣的簡化？能簡化嗎？試估算地球質量。（1）判斷式中的量是否可觀測？（2）如何測地球表面重力加速度？引導學生建立物理模型，并明確求解思路。通過具體的案例使學生認識發現萬有引力定律的重要意義，認識科學定律對人類探索未知世界的作用。通過具體問題的解決，讓學生認識到萬有引力定律經受了實踐的檢驗，取得了巨大成功。使學生深刻體會科學定律對人類探索未知世界的作用，激起學生對科學探究的興趣。任務/活動4人造衛星的發射1.衛星從軌道1上的P點轉移到軌道2上做的是運動（填離心或近心）需要衛星，（加速或減速）所以經過P點的速度Vp1、速度Vp2的大小關系是。2.衛星從2軌道上的近地點P點向遠地點Q點運動的過程中，衛星的速度（增大或減小）經過P點的速度Vp2和經過Q點的速度VQ2的大小關系是。3.欲使衛星從軌道2上的Q點轉移到軌道3，衛星需要（加速或減速）所以VQ2與VQ3速度的大小關系是。衛星在1軌道和3軌道做的都是圓周運動，所以根據“高軌低速長周期”，得Vp1與VQ3的速度大小關系是。4.比較衛星在軌道Ⅰ上經過P點時的加速度ap1，與它在軌道Ⅱ上經過P點時的加速度ap2關系如何？同理，aQ2與aQ3大小關系如何？通過思考討論和體驗實驗，理解衛星發射的原理。了解我國在載人航天和宇宙探索方面的成就與進展的介紹，增強學生的民族自豪感，感受人類對客觀世界不斷探究的精神和情感。有將科學技術服務于人類的意識。六、單元知識關系及教學流程單元物理科學方法歸納;歸納法、估算法、理想模型法、類比法、科學推理法、轉換法、放大法等單元知識演進及教學流程描述七、單元作業設計跟著嫦娥五號去“旅行”（一）啟動籌備，蓄勢待發(理解定律)1.如圖所示，火星和地球都在圍繞著太陽旋轉，其運行軌道是橢圓。根據開普勒行星運動定律可知(????)A.太陽位于地球運行軌道的中心B.地球靠近太陽的過程中，運行速率減小C.火星遠離太陽的過程中，它與太陽的連線在相等時間內掃過的面積逐漸增大D.火星繞太陽一周的時間比地球繞太陽運行一周的時間長2.對于質量分別為m1和m2的兩個物體間的萬有引力的表達式F=G，下列說法正確的是（）A．公式中G是引力常量，它是由實驗測得的，而不是人為規定的B．當兩物體間的距離r趨于零時，萬有引力趨于無窮大C．當有第三個物體放在m1、m2之間時，m1和m2間的萬有引力將增大D．m1和m2所受的引力性質可能相同，也可能不同3.如圖所示，陰影區域是質量為M、半徑為R的球體挖去一個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，則球體剩余部分對球體外離球心O距離為2R、質量為m的質點P的引力為多少？（二）飛離地球，繞地調整（環繞模型）1.如圖所示，在同一軌道平面上的三顆人造地球衛星A、B、C，在某一時刻恰好在同一直線上，下列說法正確的是()A．根據v＝eq\r(gR)，可知三顆衛星的線速度vA＜vB＜vCB．根據萬有引力定律，可知三顆衛星受到的萬有引力FA＞FB＞FCC．三顆衛星的向心加速度aA＞aB＞aCD．三顆衛星運行的角速度ωA＜ωB＜ωC2.（多選）如圖所示，宇宙中一對年輕的雙星，在距離地球16萬光年的蜘蛛星云之中。該雙星系統由兩顆熾熱又明亮的大質量恒星構成，二者圍繞連接線上中間某個點旋轉。通過觀測發現，兩顆恒星正在緩慢靠近。不計其他天體的影響，且兩顆恒星的質量不變。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．雙星系統周期逐漸變大D．雙星系統轉動的角速度變大3.神舟13號載人飛船與空間站組合體完成自主快速對接。航天員翟志剛，王亞平，葉光富進駐天和核心艙，中國空間站開啟有人長期駐留時代。某同學查找相關資料了解到我國空間站離地最近距離為388.6km最遠距離為401.3km，已知地球半徑約為6400km，地球同步衛星的軌道半徑為地球半徑6.6倍。（1）空間站運行的速度與第一宇宙速度關系?（2）空間站的周期是多少？（3）求地球的質量（三）軌道修正，奔向月球（速度條件、變軌模型）1.圖為設想中的“嫦娥五號”月球探測器飛行路線示意圖。(1)已知月球與地球質量之比為M月：M地=1：18。當探測器飛至月地連線上某點P時，月球與地球對它的引力恰好抵消，此時P到月球球心與地球球心的距離之比為（2）探測器飛離地球的速度條件：(3)結合圖中信息，通過推理，可以得出的結論是()①探測器飛離地球時速度方向指向月球②探測器經過多次軌道修正，進入預定繞月軌道③探測器繞地球的旋轉方向與探測器繞月球的旋轉方向一致④探測器進入繞月軌道后，運行半徑逐漸減小，直至到達預定軌道A、①③B、①④C、②③D、②④（四）被月捕獲，抵達月球（變軌模型、綜合應用）1.嫦娥五號探測器經過約112小時的奔月飛行，順利進入環月軌道。如圖所示是嫦娥五號探測器到達月面之前的兩個軌道，軌道I為環月圓軌道，軌道II是橢圓軌道，其中B為近月點，A為遠月點。（寫必要的公式和文字說明）（1）嫦娥五號探測器在軌道I上運動到A點時的加速度與在軌道II上運動到A點時的加速度關系？（2）嫦娥五號探測器從軌道I變軌到軌道II，速度如何變化、需要向哪個方向噴氣？2.“嫦娥五號”在月球正面預選著陸區著陸。月球車從距月球表面h米高度自由下落七秒到達月球表面,已知月球半徑為r，自轉周期為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）月球同步衛星離月球表面的高度3.中國探月工程計劃在穩步進行，假設你有幸成為中國登月第一人對月球進行科學觀測。測得月球的半徑和質量M，請你選擇其中一個小題作答。（要求：說明選用的器材測量的物理量的名稱及符號，已知引力常量為G。）（1）在進入月球表面的圓形軌道繞行后，著陸在月球上。你攜帶的設備有以下器材：A．秒表一只；B．質量為m的物體一個；C．彈簧測力