万有引力定律主题单元设计模板.doc

万有引力定律与航天主题单元设计模板主题单元标题万有引力定律与航天作者姓名杨方泉所属单位东平县明湖中学联系地址东平县明湖中学联系电话135*998电子邮箱邮政编码271500学科领域 （在内打 表示主属学科，打+ 表示相关学科） 思想品德 音乐 化学 信息技术 劳动与技术 语文 美术 生物 + 科学 数学 外语+ 历史 社区服务 体育 物理 地理 社会实践 其他（请列出）：适用年级高一年级所需时间6课时主题学习概述(简述单元在课程中的地位和作用、单元的组成情况，解释专题的划分和专题之间的关系，主要的学习方式和预期的学习成果，字数300-500)从知识结构上看，本主题单元是牛顿运动定律对曲线运动应用的继续。牛顿应用牛顿运动定律研究天体运动的规律，结合开普勒定律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。人类对行星运动规律的认识过程和牛顿建立万有引力定律的过程是对学生进行“过程与方法”、“情感态度与价值观”教育的难得的好材料。专题一的内容详细地介绍了托勒密的地心说、哥白尼的日心说、第谷布拉赫的观测和开普勒行星运动定律，形象地、生动地体现了坚持真理、勇于创新和实事求是的科学态度、科学精神和科学思维方法。专题二第一环节把行星运动轨道简化为圆，应用牛顿运动定律和开普勒行星运动定律导出太阳与行星间的引力。第二环节阐述牛顿进一步放眼宇宙建立了适用于自然界中任何两个物体间的万有引力定律，分析说明万有引力定律和引力恒量的意义。第三环节接着阐述万有引力定律对天体运动的应用和宇宙航行的应用。专题三概括阐述了经典力学（牛顿力学）的局限性，指出只适用于低速、宏观、弱引力的情况。在编写本主题单元时还有以下思考：1充分展现万有引力定律发现的科学过程，发展学生的科学思维能力2注重科学文化教育3增进科学与生活、社会的联系4正确评价经典力学主题学习目标（描述该主题学习所要达到的主要目标）知识与技能：（1）知道地心说和日心说的基本内容；知道所有行星绕太阳运动的规律。（2）能根据开普勒行星运动定律和牛顿第三定律推导出太阳与行星间的引力表达式。（3）知道任何物体间都存在着万有引力，理解万有引力定律的含义，掌握万有引力定律的公式。（4）会用万有引力定律计算天体的质量；了解万有引力定律在天文学上有重要应用。（5）了解人造卫星的有关知识，知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度。（6）知道牛顿运动定律的适用范围，了解经典力学在科学研究和生产技术中的广泛应用。过程与方法：（1）通过托勒密、哥白尼、第谷布拉赫、开普勒等几位科学家对行星运动的不同认识，了解人类认识事物本质的曲折性并加深对行星运动的理解。（2）通过推导太阳与行星间的引力公式，体会逻辑推理在物理学中的重要性，体会推导过程中的数量关系。（3）培养学生归纳总结建立模型的能力与方法。（4）通过用万有引力定律推导第一宇宙速度，培养学生运用知识解决问题的能力。（5）通过阅读课文体会一切科学都有自己的局限性，新的理论会不断完善和补充旧的理论，人类对科学的认识是无止境的。情感态度与价值观：（1）澄清对天体运动裨秘、模糊的认识，掌握人类认识自然规律的科学方法，感悟科学是人类进步不竭的动力。（2）感受太阳与行星间的引力关系，从而体会大自然的奥秘，培养学生认真严禁的科学态度和大胆探究的心理品质。（3）体会物理学规律的简洁性和普适性，领略物理学的优美。（4）通过介绍我国在卫星发射方面的情况激发学生的爱国热情。（5）感知人类探索宇宙的梦想，促使学生树立献身科学的人生价值观。（6）通过对牛顿力学适用范围的讨论，使学生知道物理中的结论和规律一般都有其适用范围，认识知识的变化性和无穷性，培养献身于科学的时代精神。对应课标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的能量变化特点，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，认识经典力学的实用范围和局限性。6体会科学研究方法对人们认识自然的重要作用。举例说明物理学的进展对于自然科学的促进作用。主题单元问题设计1、 古代的人们仰望星空在想些什么？2、 自然界中的万物间保持着一种什么样的关系？3、 嫦娥奔月的梦想如何去实现呢？专题划分专题一：古代的宇宙古代的中国和西方对星空有什么样的认识？（1课时）专题二：万有引力定律探索浩瀚宇宙应如何去做？(4课时)专题三：引力的现代研究科学从正确走向错误是怎样的一种幽默？（1课时）专题一专题一：古代的宇宙古代的中国和西方对星空有什么样的认识？所需课时1课时专题一概述 (介绍本专题在整个单元中的作用，以及本专题的主要学习内容、学习活动和学习成果) 本专题对全章的教学起着引领性的作用，同时又为本主题单元的重点内容万有引力定律的学习起一个铺垫性的作用。本节内容的突出特点是：知识容量较少，但包含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问题的研究历史中，感悟科学家求真、求简的科学思想方法和科学精神。由于学生对天体运动的研究缺乏观察的条件，对天体运动的真实认识，不会超过托勒密的水平。从学生已经具有的知识基础来讲，学生对有关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。因此，对于行星运动的教学可以有两种处理方法：一种是教师讲述的方法，另一种是学生先看（查），后教师总结的方法。对于程度较好的学生可采用后一种方法，在上本节课之前，先布置给学生一些学习任务，如：阅读教科书30页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，并要求在课堂上进行交流。在课堂教学中，让学生交流各自获得的资料后，提出自己的问题并择要进行分析讨论，然后教师归纳出人类认识天体运动大致的历史发展过程，使学生对全章有一个概括性的认识。这样做一方面可以培养学生获取资料、分析资料、合作交流的能力，另一方面，在整体的背景下实施教学，有利于提高学生的认知水平。本专题学习目标 （描述该学习所要达到的主要目标）(1)了解人类对行星运动规律的认识历程；(2)了解观察的方法在认识行星运动规律中的作用；(3)知道开普勒行星运动定律，知道开普勒行星运动定律的科学价值，了解开普勒第三定律中k值的大小只与中心天体有关；(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，体会对描述自然追求简单和谐是科学研究的动力之一。本专题问题设计1、 古代的中国对宇宙如何认识？2、 古代的西方对宇宙如何认识？3、 天文学的历史作用和地位是怎样的？所需教学材料和资源(在此列出学习过程中所需的各种支持资源)信息化资源因特网、多媒体课件、历史文献常规资源挂图、细绳、木板、白纸、铅笔、教材文本教学支撑环境多媒体教室、图书阅览室其 他创设良好的合作学习氛围学习活动设计（针对该专题所选择的活动形式及过程）（一）新课导入多媒体演示：天体运动的图片浏览。（二）新课教学1、“地心说”和“日心说”之争讨论与交流2、开普勒行量运动定律做一做：用图钉和细绳画椭圆，可以用一条细绳和两图钉来画椭圆，如图7.1-l所示，把白纸镐在木板上，然后按上图钉，把细绳的两端系在图钉上，用一枝铅笔紧贴着细绳滑动，使绳始终保持张紧状态，铅笔在纸上画出的轨迹就是椭圆，图钉在纸上留下的痕迹叫做椭圆的焦点。想一想：椭圆上某点到两个焦点的距离之和与椭圆上另一点到两个焦点的距寓之和有什么关系？课堂训练：分四小组进行，阅读教材第二段到最后，并阅读第64页人类对行星运动规律的认识)中第谷：天才观察家，开普勒：真理超出期望，投影展示以下问题： （1）古人认为天体做什么运动？（2）开普勒认为行星做什么样的运动？他是怎样得出这一结论的？（3）开普勒行星运动定律哪几个方面描述了行星绕太阳运动的规律？具体表述是什么？第一定律：所有行星绕太阳运动的轨道都是椭圆，太阳处在椭圆的一个焦点上。这一定律说明了行星运动轨迹的形状，不同的行星绕大阳运行时椭圆轨道相同吗？第二定律：对任意一个行星来说，它与太阳的连线在相等时间内扫过相等的面积。第三定律：所有行星的椭圆轨道的半长轴的三次方跟公转周期的平方的比值都相等。课堂探究（1）播放行星绕椭圆轨道运动的课件，使学生对行星的运动有一个简单的感性认识。（2）出示九大行星轨道挂图，使学生对多数行星的轨道与圆十分接近有一个感性认识。讨论与交流：实际上，多数行星的轨道与圆十分接近，所以在中学阶段的研究中能够按圆处理，开普勒三定律适用于圆轨道时，应该怎样表述呢？课堂训练小结：本节学习的是开普勒行星运动的三定律，其中第一定律反映了行星运动的轨迹是椭圆，第二定律描述了行星在近日点的速率最小，在远日点的速率最大，第三定律揭示了轨道半长轴与公转周期的定量关系。在近似计算中可以认为行星都以太阳为圆心做匀速圆周运动。教学评价利用班组博客交流讨论，形成激烈竞争，研讨观点通过博客展示出来。专题二专题二：万有引力定律探索浩瀚宇宙应如何去做？所需课时4课时专题二概述 (介绍本专题在整个单元中的作用，以及本专题的主要学习内容、学习活动和学习成果) 本专题有四节内容，需四课时来解决。首先，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“太阳与行星间的引力”的内容，是为了更突出发现万有引力定律的这个科学过程。如果说第一节内容是从运动学角度来描述行星运动的话，那么，本节内容是从动力学角度来研究行星运动的，研究过程是依据已有规律进行的演绎推理的过程。这节内容与第三节内容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、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。所以建议将本节与第三节内容合起来连上两节课，这样更有利于学生形成完整的探究过程。其次，从内容性质与地位来看，第三节内容是对第二节教学内容的进一步外推，是第四节内容学习的基础；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，教科书的立意还在于物理理论必须接受实践的检验。讲课的时候可以向学生交代一下，万有引力定律是本章的重点知识，万有引力定律的得出体现了牛顿的科学智慧；牛顿是一位对概念、规律的普遍意义极其敏感的大科学家，从研究太阳与行星之间的引力，想到普遍意义上的万有引力定律在牛顿的科学思想上是比较顺理成章的事情。用这个历史事实组织课堂教育活动，还必须使学生在哲学层面上明确两点：事物的偶然性与必然性的辩证关系；真理具有相对性，科学理论必须受实践的检验，科学理论也是发展的。这样做是为了后面几节内容的学习，如爱因斯坦对万有引力定律的修正，在教学思路上做些铺垫性的工作。在万有引力定律的教学中，除了说明牛顿的伟大功绩之外，还应注意说明牛顿的工作是建立在前人工作基础之上的。虽然在中学阶段只能将椭圆轨道近似为圆形轨道来证明万有引力定律，但是教学中仍要告诉学生，牛顿是在椭圆轨道情形中证明了万有引力定律。再次，第四节的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；理解万有引力理论的巨大作用和价值，它在科学史上所产生的重大影响是无论怎样估计也不过分的。本节是“应用十检验”性的内容，着重讲清应用思路，通过本节的学习，重点要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。最后，第五节属于航天部分的重要知识，介绍万有引力的实践性成就，要求学生知道是万有引力理论使人类实现“飞天”梦想；重点理解第一宇宙速度，激发学生科学献身精神。本节知识内容的核心是牛顿运动定律与万有引力定律在圆周运动条件下的综合应用。本专题学习目标 （描述该学习所要达到的主要目标）(1)知道行星绕太阳运动的原因，知道行星绕太阳做匀速圆周运动的向心力来源；(2)知道太阳与行星间引力的方向和表达式，知道牛顿定律在推导太阳与行星间引力时的作用；(3) 知道万有引力定律的适用范围，会用万有引力定律解决简单的引力计算问题；(4)了解万有引力定律在天文学上的重要应用，会用万有引力定律计算天体质量，了解“称量地球质量”“计算太阳质量”的基本思路；(5)了解人造地球卫星的最初构想，会解决涉及人造地球卫星运动的较简单的问题；(6)知道三个宇宙速度的含义和数值，会推导第一宇宙速度，感受人类对客观世界不断探究的精神和情感。本专题问题设计1、 引力思想的的发展过程是如何进行的？2、 行星绕太阳运转的源泉规律是怎样的？3、 自然界万物间的作用关系是什么？4、 引力常数的物理意义是什么？5、 万有引力定律测天体质量的模型如何建立？6、 万有引力定律在天文学中的应用关系是什么?7、 卫星绕天体运转的物理关系是怎样的？所需教学材料和资源(在此列出学习过程中所需的各种支持资源)信息化资源多媒体课件、科技影像、相关的因特网站常规资源挂图、天体模型教学支撑环境多媒体教室、图书阅览室其 他创设良好的合作学习氛围学习活动设计（针对该专题所选择的活动形式及过程）第一、二课时（一）引入新课请同学们从运动的描述角度思考，开普勒行星运动定律的物理意义？开普勒在1609和1619年发表了行星运动的三个定律，解决了描述行星运动的问题，但好奇的人们，面向天穹，深情地叩问：是什么力量支配着行星绕着太阳做如此和谐而有规律的运动呢？（二）新课教学1、人类对行星运动规律原因认识的过程略微介绍十七世纪前以及伽俐略，开普勒，笛卡儿的观点。2、万有引力定律（1）定律的推导（2）万有引力定律内容：自然界中任何两个物体都是相互吸引的，引力的大小跟这两个物体的质量的乘积成正比，跟它们的距离的二次方成反比。公式：如果用m1和m2表示两个物体的质量，用r表示它们的距离，那么万有引力定律可以用下面的公式来表示 说明：（1）G为引力常量，在SI制中，G6.671011Nm2/kg2。为什么说是粗略？（2）万有引力定律中的物体是指质点而言，不能随意应用于一般物体。对于相距很远因而可以看作质点的物体，公式中的r 就是指两个质点间的距离；对均匀的球体，可以看成是质量集中于球心上的质点，这是一种等效的简化处理方法。（3）万有引力定律建立的重要意义3、实例：4、当堂小结：第三课时（一）导入新课万有引力常量的测出的物理意义？（使万有引力定律有了其实际意义，可以求得地球的质量，万有引力常量一经测出，万有引力定律对天文学的发展起了很大的推动作用，这节课我们来讨论万有引力定律在天文学上的应用。）（二）新课教学1、地球质量（1）练习计算：2）了解地球表面物体的重力与地球对物体的万有引力的关系。多媒体投影图：2、太阳质量应用万有引力可算出地球的质量，能否算出太阳的质量是多少？提问：行星做圆周运动的向心力的来源是什么？是否需要考虑九大行星之间的万有引力？总结：太阳质量远大于各个行星质量，高中阶段粗略计算，不考虑行星之间的万有引力。提问：不同行星与太阳的距离r和绕太阳公转的周期T都是各不相同的。但是不同行星的r、T计算出来的太阳质量必须是一样的！上面的公式能否保证这一点？同理，月亮围绕地球做圆周运动，根据前面的推导我们能否计算地球的质量？建立模型：通过围绕天体的运动半径和周期求中心天体的质量。多媒体投影木星行星围绕木星圆周运动，请学生思考如何测量木星的质量。实例练习：3、发现未知天体阅读课本“发现未知天体”。多媒体投影海王星、冥王星图片。本课小结：两个基本知识：第四课时（一）引入新课（二）进行新课1、牛顿的设想（1）牛顿对人造卫星原理的描绘。（2）人造卫星绕地球运行的动力学原因。（3）人造卫星的运行速度。2、宇宙速度（1）第一宇宙速度推导：（2）第二宇宙速度：意义：（3）第三宇宙速度：意义： 3、人造卫星的发射速度与运行速度（1）发射速度：（2）运行速度：（3）同步卫星例题分析梦想成真 探索宇宙的奥秘，奔向广阔而遥远的太空，是人类自古以来的梦想，那么梦想成真了吗？请同学们阅读教材“梦想成真”部分。教学评价利用网络查找人类升天梦想，收集资料图片；查找嫦娥奔月信息，设计嫦娥奔月轨道模型。专题三专题三：引力的现代研究科学从正确走向错误是怎样的一种幽默？所需课时1课时专题三概述 (介绍本专题在整个单元中的作用，以及本专题的主要学习内容、学习活动和学习成果) 本专题内容在原来教科书中是放在牛顿运动定律一章里面的，现在放在本章，是符合当前物理学理论发展情况的。本节是全章的终结性内容，也属于介绍性质的内容。全章内容结构以万有引力定律的发现为核心，向宇宙学发展历史的两头延伸。托勒密想象地球处在宇宙中心，哥白尼则设想太阳处在中心，开普勒总结了行星运动定律，牛顿第一个用一个定律解释所有星体运动，爱因斯坦则用几何学的时空体系解释星体的运动。如果说牛顿将天上的力与地上的力统一起来，那么爱因斯坦将时间与空间、引力与光联系在一起，而霍金则将引力、量子力学和统计力学统一在一起。从前面几节内容来看，牛顿发现万有引力定律，到海王星、冥王星的发现，再到宇宙航行、全球定位系统(GPS)、太空育种等万有引力理论成就的介绍，使学生对牛顿力学产生敬仰之时，来一个经典力学的局限性的介绍，其目的在于使学生拓展知识、开阔视野的同时，正确认识物理学理论的发展与适用范围。教科书从低速到高速、宏观到微观、弱引力到强引力三个方面介绍了经典力学的局限性。这三个方面的具体内容都不要求学生掌握，但是学过本节之后，要学生知道，尽管前面已经体会到了万有引力的辉煌成就，但是没有穷尽，真理具有相对性，在新的领域还有新的规律等待我们去发现。课文中的语言如：经典力学是一部“未知的交响曲”；萧伯纳的幽默话：“科学总是从正确走向错误”；“相对论和量子力学是哪一种广泛的理论的特殊情形呢？我们现在还不知道”。安排这些内容的着眼点都在展示科学探究的无限可能，使教科书在情感、态