第七章 萬有引力與宇宙航行 教案- 高一年級下冊物理人教版（2019）必修第二冊

《第七章萬有引力與宇宙航行》教案

學情分析

最近幾十年中國航天事業(yè)高速發(fā)展，創(chuàng)造了一個又一個世界奇跡，讓國人自豪,

讓民族驕傲。從1970年中國第一顆人造地球衛(wèi)星東方紅一號發(fā)射成功，到2019

年長征五號重型火箭再一次發(fā)射成功，中國人正一步一步奔向太空，各項航天工

程有序推進。學生通過各種媒體耳熟能詳，神舟載人飛船、嫦娥探月工程、天空

實驗室、北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)、風云系列氣象衛(wèi)星……這一系列輝煌成就都已載入

中國航天史冊，為本章的學習鋪墊好了家國情懷的情感基礎，增強了學生的責任

感和國家認同感，每一節(jié)的學習都為學生打開了一扇通往太空的大門，學生懷揣

著對地球之外的宇宙世界無與倫比的期待，開啟本章的學習。

一、認知基礎

高中之前，學生知道一些地心說、日心說等相關史實，對一些偉大的物理學

家也有些了解，像牛頓、開普勒等，包括牛頓與蘋果樹的故事。

在本章之前，學生在必修1中學習過自由落體加速度g,知道自由落體加速

度也叫重力加速度，海拔高度越高g越小，地球表面不同緯度g略有差異。但

是，學生并不知道自由落體加速度為什么不是定值，且有進一步探究的愿望。通

過對自由落體運動的學習，學生可以測定自由落體加速度，這為"地一月檢驗"

和"稱量”地球質量的學習奠定好了基礎。學生對重力有了一定的了解，知道重

力的方向是豎直向下，但是卻不清楚為什么重力的方向不指向地心。在正確的認

知下，學生帶著一些疑問急需通過這一章的學習去解決。

在本章之前，學生在必修2中已經(jīng)學會了如何描述圓周運動，建立起了一些

基本物理概念，例如：線速度、角速度、周期、向心加速度、向心力等，掌握了

圓周運動向心力表達式以及勻速圓周運動的方法，具備了推導太陽與行星間引力

的知識基礎。學生對離心運動和近心運動及產(chǎn)生條件有了一定的認識，為研究人

造地球衛(wèi)星的多次變軌后達到預定軌道做好了知識儲備。本章在分析雙星問題

時，結合花樣滑冰運動員在冰面上手拉手勻速圓周運動，學生能進一步加深對向

心力表達式中半徑r的理解。在生活中的圓周運動部分，通過學習汽車過拱形橋

的失重現(xiàn)象，將地球看作一個巨大拱形橋，介紹了航天器中失重現(xiàn)象。但是，學

生對航天器中失重現(xiàn)象為什么是完全失重，也只是初步認識，需要本章進一步學

習，深化理解，提升認知。

學生在高中地理《宇宙中的地球》一章中，學習了"地球為什么會存在生命"o

從地理學科的角度分析了存在生命的外部條件是安全和穩(wěn)定，安全是指太陽系中

八大行星"各行其道"，軌道具有共面性、近圓性、同向性；存在生命的內(nèi)部條

件是日地距離適中、自轉和公轉周期適中、質量和體積適中。地理中這部分內(nèi)容

與開普勒第一定律、高中階段行星軌道按照圓軌道近似處理、赤道處的臨界問題

等存在交叉融合，能促進學生理解本章內(nèi)容。

2012年神舟九號和天宮一號交會對接，宇航員劉洋做了幾個演示實驗：動

力學方法測質量、單擺運動、水膜水球的演示，這些實驗學生有些能理解，有些

還不清楚；長征五號重型火箭，學生知道它的運載能力大，卻并不知道發(fā)射人造

地球衛(wèi)星、火星探測器等需要多大的發(fā)射速度，這些都需要學習本章內(nèi)容來理解。

二、認知特點

高中學習內(nèi)容與初中相比有一些新特點，例如，知識容量大，學科內(nèi)容深,

綜合性、邏輯性、系統(tǒng)性較強，定理和定律更加抽象，對學生記憶理解、歸納總

結、演算推理、空間想象等能力要求較高。例如，勻變速直線運動、平拋運動、

圓周運動，都是學生生活中常見的運動，而天體的運動，雖然學生在電視等媒體

上看到過衛(wèi)星的發(fā)射、看到過動畫演示衛(wèi)星的運動，但是本部分內(nèi)容仍需要學生

有較強的空間想象能力，仍然是學生學習的難點。

必修1中一直研究直線運動，運動與相互作用的關系在學生腦海根深蒂固，

雖然必修2中前兩章拋體運動和圓周運動已經(jīng)將直線運動跨越到曲線運動，已經(jīng)

明確了曲線運動與相互作用的關系，但是研究從日常生活中常見的宏觀物體過渡

到宇宙天體還是有一些障礙的。學生學習知識的過程中，需要繼續(xù)提高觀察能力、

理解能力和分析綜合能力，提高獨立學習能力，在知識建構的過程中，提高認知

水平。

1,高一學生具有較強的觀察力和一定的理解力。觀察力已經(jīng)非常接近成人

的水平，觀察的目的性更明確，持久性更強，視覺和聽覺的感受性甚至超過了成

人。以科學漫步”人類對行星運動規(guī)律的認識"學習為例，學生能概括總結出每

一位科學家的主要觀點，能知道"行星逆行""本輪""均輪""偏心點""偏

心等距點”等概念，但是學生不理解這些概念，以及這些晦澀難懂的概念是如何

促進開普勒得出正確的行星運動規(guī)律。包括理解"8,的誤差也許正是因為行星的

運動并非勻速圓周運動"，認知水平不同的學生不一定都能想到這是因為行星軌

道是橢圓而非圓。抽象概念的理解、觀察的深刻性還有待在學習中提高，這些決

定了學生如何"水到渠成"般的理解開普勒得出行星運動定律的過程，加深對行

星運動定律內(nèi)容的理解，降低學習的難度。

2.高一學生記憶的目的性、計劃性較強，有意記憶占主導地位。但無意識

的記憶仍是不可缺少的，許多東西是通過教學活動無意識記，在輕松愉快中獲得

的。例如，觀看電影《流浪地球》《地心引力》后，高中學生很快會提取衛(wèi)星變

軌、空間站交會對接等知識的應用。教學中適合的分組活動，能讓學生參與進來,

促進知識的形成，豐富學科認知。例如：通過繪制焦點距離不同的橢圓并與圓的

對比，通過驗證開普勒第三定律，通過月一地檢驗，通過月球計算地球質量，這

些能讓學生體會到獲得真知的愉悅，在提高思維深度的同時，驅動學生去不斷探

索，慢慢從被動學習、感覺記憶、短時記憶，變主動學習、理解記憶、長時時間。

學習目標與重難點分析

一、學習目標

1.知道引力常量是自然界中少數(shù)幾個最重要的物理常量之一，目前推薦的

標準值為6=6.67408(31)X10-11Nm2kgi知道引力常量的普適性是萬有引力定

律正確性的有力證據(jù)。

掌握第一宇宙速度的推導和三個宇宙速度的定義。

掌握開普勒行星運動定律和萬有引力定律的具體內(nèi)容，會根據(jù)定律解決具體

實際問題。知道高中階段行星橢圓軌道近似為圓軌道處理，萬有引力提供行星圓

周運動向心力，掌握行星繞中心天體勻速圓周運動的物理模型。

掌握人造地球衛(wèi)星的運動規(guī)律，知道近地衛(wèi)星、同步衛(wèi)星的特點。知道萬有

引力提供人造地球衛(wèi)星勻速圓周運動的向心力。

2.在人類探索行星運動規(guī)律歷史中，了解科學家是如何從最基本的概念開

始，憑借對自然現(xiàn)象的觀測，物理模型的構建，物理理論與客觀事實之間的相互

支撐，不斷地自我修正原有概念和模型，逐漸接近客觀事實，獲得物理本質規(guī)律

的科學思維方法。

在推導行星與太陽間引力表達式的過程中，太陽吸引行星，同時行星也在吸

引太陽，太陽與行星二者地位相同，應遵守相同的規(guī)律，體會牛頓第三定律和對

稱性這種科學思維方法的應用。

掌握根據(jù)地球表面重力加速度"稱量"地球質量，以及借助衛(wèi)星等環(huán)繞天體

的運行參數(shù)計算天體質量的這兩種科學方法。

3.通過卡文迪什扭秤實驗，掌握放大微小物理量的科學方法，體會如何通

過實驗進行科學探究的過程。

通過月一地檢驗，理解地面物體所受地球的引力、月球所受地球的引力，以

及太陽、行星間的引力，都遵從相同的物理規(guī)律，體會如何通過理論驗證進行科

學探究的過程。

4.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(tài)度和科學精神。培養(yǎng)學生大膽猜想、嚴格求證、實證與推理相

結合的科學態(tài)度。

通過對相對論時空觀與牛頓力學局限性的學習，知道新的理論并沒有否認以

實驗為支撐的原有理論，原有理論是一定條件下新理論體系中的特殊情形，科學

仍然要以事實為依據(jù)，培養(yǎng)學生崇尚科學、尊重事實的科學態(tài)度。

學生通過課上分享中國的航天成就，感受中國航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展，提升對

國家強大與民族復興的時代責任感。

二、重難點分析及突破策略

1.行星的運動

《行星的運動》在本章教學中起著引領作用，也為本章萬有引力定律的學習

起一個鋪墊性的作用。本部分的突出特點是：知識容量較少，包含的科學史料十

分豐富，開普勒行星運動定律的內(nèi)容和物理意義比較難理解。教學的目標立足在

讓學生感悟科學家求真、求簡的科學思想方法和科學精神的教育。學生對科學家

的事例可能略知一二，但對科學家的發(fā)現(xiàn)、發(fā)明、創(chuàng)造內(nèi)容的了解還不夠系統(tǒng)和

準確。所以，通過史料探究得出并理解開普勒行星運動定律被確定為本章的重點。

結合教學內(nèi)容分析和學情分析，可以采用上課前為學生布置一些學習任務，

學生先看教材學習后，教師再總結的方法。例如，先閱讀教材科學漫步”人類對

行星運動規(guī)律的認識"，查找有關描述天體運動的歷史資料，課堂上進行交流，

教師提出問題，學生討論后歸納總結人類認識天體運動規(guī)律的歷史發(fā)展進程。這

樣，不僅能培養(yǎng)學生獲取資料信息、分析信息、合作交流的能力，也有利于提高

學生的認知水平。在探究地心說和日心說爭論的焦點時，教師可設置的問題有：

地心說與日心說都認為天體繞著"宇宙的中心"做什么運動呢？細心的觀察發(fā)現(xiàn)

了行星運動的什么現(xiàn)象？哪種學說能更好地解釋"行星的逆行"現(xiàn)象？通過問題

引領學生認識行星運動規(guī)律。在理解開普勒行星第一定律的過程中，可以課前打

印好某一行星繞太陽運動的軌道平面圖，然后學生結合教材上"做T故"恰當選

取半長軸和焦點去繪制橢圓，與行星的橢圓軌道進行對比，加深對開普勒第一定

律的理解和掌握。行星運動規(guī)律不能用實驗研究的方法，學生可以不斷減小焦點

距離畫橢圓，去體會高中階段行星的軌道按圓軌道近似處理?？茖W家對行星研究

成果是天文歷法基礎，學生也可以結合地理學科天文部分的相關知識來學習。

2.萬有引力定律

牛頓建立了偉大的萬有引力定律，牛頓運動定律和萬有引力定律構成了牛頓

力學的核心內(nèi)容。從行星運動定律到萬有引力定律的建立過程，是本章的重要內(nèi)

容，是極好的科學探究過程。開普勒行星運動規(guī)律是從運動學角度來描述行星運

動，萬有引力定律是從動力學角度研究行星運動，是依據(jù)已有規(guī)律進行的演繹推

理的過程。本部分內(nèi)容是一個完整的探究過程，從問題的提出、猜想與假設、演

繹與推理、結論的得出、檢驗論證等,是一次很好的探究性學習過程，此過程將

人類探索未知的科學思維展現(xiàn)的淋漓盡致。萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)，明確了地球上

的重物下落與天體運動的統(tǒng)一性。牛頓大膽的推廣，找到自然界中四種基本相互

作用之一，給出了自然界任意兩個物體間的引力與物體的質量、二者間距離的關

系，萬有引力定律是科學史上最偉大的定律之一，明確向人們宣告天上和地上的

物體都遵循著完全相同的科學法則。所以，萬有引力定律不僅可以被確定為本單

元的重點，也可以被確定是高中力學內(nèi)容的重點，其推導過程是學生學習的難點。

結合教學內(nèi)容分析和學情分析，教學上多通過啟發(fā)式的設問，使牛頓的想法

能夠激發(fā)學生的興趣與想象力，引發(fā)學生提出更多的問題，讓學生經(jīng)歷一次自己

"發(fā)現(xiàn)"萬有引力定律的過程。月一地檢驗要充分利用教材"思考與討論"中的

數(shù)據(jù)進行驗證，體驗一次自我的月一地檢驗，感受牛頓是如何大膽假設與嚴格求

證?？ㄎ牡鲜矊嶒炇菤v史上非常著名和重要的實驗，通過學生認真閱讀教材中"拓

展學習一引力常量的測量"，教學中引導學生了解和體會是如何巧妙地將物體間

非常小的力顯現(xiàn)和測量出來的，可聯(lián)系必修1中如何放大微小形變的方法，也可

以布置一些思考題:卡文迪什實驗的重要意義是什么？這個實驗設計的思路有什

么巧妙之處？引力常量普適性的意義是什么？通過這些問題使學生學習和體會

其中精巧的科學探究方法，例如"光杠桿"原理放大微小物理量的方法等。

3.萬有引力理論的成就

本部分是萬有引力定律在天文學上的主要應用，了解"稱量地球質量""計

算天體質量”的基本思路，理解萬有引力理論的巨大作用和價值，深刻體會科學

定律對人類探索未知世界的作用，激發(fā)學生對科學探究的興趣。所以，會用萬有

引力定律計算天體的質量被確定為本單元的重點。

結合教學內(nèi)容分析和學情分析，本部分內(nèi)容的核心是牛頓運動定律與萬有引

力定律在勻速圓周運動情境下的綜合應用，要注重培養(yǎng)學生的科學思維方法。在

稱量地球質量部分，提示學生"若不考慮地球自轉的影響"這個條件。在稱量太

陽質量時，掌握行星繞太陽做勻速圓周運動的模型，明確依據(jù)觀測數(shù)據(jù)進行計算

是測量中心天體質量的一種重要方法。海王星的發(fā)現(xiàn)和哈雷彗星的按時回歸，讓

學生自主收集、閱讀、整理資料，以小組匯報的形式，進一步展現(xiàn)萬有引力理論

的成就。

4.宇宙航行

宇宙航行是航天部分的重要知識，也是萬有引力實踐性成就的進一步展現(xiàn)。

萬有引力定律使人類實現(xiàn)了"飛天"夢想，重點是掌握衛(wèi)星發(fā)射和理解第一宇宙

速度，激發(fā)學生科學獻身精神。三個宇宙速度的理解和第一宇宙速度推導被確定

為本單元的重點。

根據(jù)以往的教學情況來看，學生經(jīng)常對發(fā)射速度、環(huán)繞速度、逃逸速度不加

區(qū)分。教學中首先從發(fā)射衛(wèi)星角度來理解，三個宇宙速度都是最小發(fā)射速度，第

一宇宙速度是發(fā)射人造地球衛(wèi)星的最小發(fā)射速度，第二宇宙速度是逃逸地球引力

束縛的最小發(fā)射速度，第三宇宙速度是脫離太陽引力束縛的最小發(fā)射速度。從衛(wèi)

星發(fā)射之后入軌運行，環(huán)繞地球做勻速圓周運動的角度來理解，萬有引力提供向

陛

心力，衛(wèi)星的線速度為v=1,最容易發(fā)射的近地衛(wèi)星〃*出,最低軌道對應

最大的線速度，故才有第一宇宙速度也叫環(huán)繞速度。教學中可借助教材中科學漫

步《黑洞》，明確"第一宇宙速度又叫做環(huán)繞速度，第二宇宙速度又叫做逃逸速

度"。為了加深學生對宇宙速度的理解，可以舉例讓學生定性討論，例如：發(fā)射

神舟飛船、嫦娥四號、火星探測器的發(fā)射速度的范圍。

內(nèi)容與價值分析

一、課標要求

2.2.4通過史實了解萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)過程。知道萬有引力定律。認識發(fā)

現(xiàn)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。

例3通過發(fā)現(xiàn)海王星等事實，說明科學定律的作用。

例4以萬有引力定律為例，了解統(tǒng)一性觀念在科學認識中的重要意義。

2.2.5會計算人造地球衛(wèi)星的環(huán)繞速度。知道第二宇宙速度和第三宇宙速

度。

例5了解牛頓力學對航天發(fā)展的重大貢獻。

活動建議

(3)觀看有關人造地球衛(wèi)星、神州飛船、航天飛機、空間站的錄像片，與

同學交流觀后感。

(4)收集我國和世界航天事業(yè)發(fā)展歷史和前景的資料，寫出調查報告。

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初步了解相對論時空觀。

例1初步了解長度收縮效應和時間延緩效應。

例2初步了解時空彎曲。

2.3.3關注宇宙起源和演化的研究進展。

例3查閱資料，初步了解典型的恒星演化過程。

活動建議

(1)閱讀有關相對論的科普書刊，在同學中舉辦小型討論會。

(2)觀看有關宇宙起源的科教電視專題片，了解宇宙的演化。

二、學習內(nèi)容與價值分析

萬有引力定律揭示了天體運動規(guī)律的根源，對人類智慧影響至為深遠。本章

有直線運動到曲線運動的跨越，有圓周運動的繼承，也有牛頓運動定律的應用，

充分體現(xiàn)了物理學科核心素養(yǎng)下的物理觀念的形成、科學思維的運用、科學探究

的設計，以及嚴謹認真、實事求是、持之以恒的科學態(tài)度與責任。

1.本章萬有引力定律的學習過程，突出體現(xiàn)對學生的物理學科核心素養(yǎng)的培

養(yǎng)

萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)歷程蘊含著豐富的科學本質教育因素，對發(fā)展學生的科

學態(tài)度與責任素養(yǎng)具有重要的價值。開普勒從運動學角度描述了天體運動規(guī)律，

牛頓從動力學角度揭示了天體運動規(guī)律的根源，兩個定律的學習加深了學生對運

動與相互作用關系的理解?？茖W論證需要證據(jù)的支持，"月一地檢驗"進一步驗

證了實踐是檢驗真理的唯一標準。引力常量的普適性是萬有引力定律正確性的有

力證據(jù)，卡文迪什測量引力常量是一種典型的科學實驗探究。根據(jù)萬有引力理論

發(fā)現(xiàn)未知天體，說明了科學定律的預測功能，學生可以從中體會科學發(fā)現(xiàn)對人類

認識世界的作用。宇宙航行部分從科學理論到實踐應用，充分體現(xiàn)了萬有引力定

律在人類開拓太空中的作用。發(fā)射人造衛(wèi)星探索宇宙奧秘，人類探索太空的歷程

更是科學促進技術進步的典型范例。由關注航天事業(yè)的成就和太空垃圾等新的環(huán)

境問題，認識科學、技術、社會、環(huán)境之間的相互聯(lián)系。辯證地認識牛頓力學的

局限性，有助于學生形成正確的科學態(tài)度與責任。

2.在高中物理知識體系中，本章內(nèi)容具有承前啟后作用

萬有引力定律是經(jīng)典力學的極大補充和完善，能促進學生對牛頓運動定律和

圓周運動規(guī)律的理解。例如：明確重力與萬有引力的關系，有助于學生理解必修

1中自由落體加速度與地理緯度和海拔高度的關系；航天器中的完全失重，有助

于深化必修1中牛頓定律對失重現(xiàn)象的理解；衛(wèi)星繞地球、行星繞太陽的勻速圓

周運動，能加深圓周運動一章中線速度、角速度、向心力、向心加速度等物理概

念及運動規(guī)律的理解,讓學生增強運動與相互作用觀念；衛(wèi)星變軌問題的研究和

實際應用，能促進學生對向心力"供需"關系的理解，提升學生應用物理知識解

決實際問題的能力。開普勒第二定律的學習，滲透了機械能守恒定律；火箭發(fā)射、

空間站交會對接，滲透了動量守恒定律；萬有引力和庫侖力都滿足平方反比規(guī)律,

本章學習也對庫侖力的得出具有一定的鋪墊作用。

3.本章學習內(nèi)容能促進跨學科學習

高中地理《宇宙中的地球》一章中，從地理學科的角度分析了地球為什么會

存在生命，其中涉及的一些自然現(xiàn)象，與高中物理《萬有引力與宇宙航行》一章

有緊密的聯(lián)系，通過本章的學習，可以讓學生更好地去理解四季輪回、潮汐等地

理現(xiàn)象，以及指導重力探礦，促進學生跨學科學習。

4.在萬有引力定律確立和應用過程中，蘊含著豐富的科學研究方法

(1)本章教學內(nèi)容體現(xiàn)了觀察法的應用

波蘭天文學家哥白尼四十年如一日地觀察和計算,所著《天體運動論》預示

了地心宇宙的終結。丹麥天文學家第谷，連續(xù)二十年對行星的位置進行觀測，并

記錄了大量的精確數(shù)據(jù)為開普勒的研究提供了可靠資料。牛頓把哥白尼的觀點、

開普勒定律、伽利略和牛頓自己關于運動學和動力學的研究成果融會一體，才總

結出了萬有引力定律?？梢姡f有引力定律的發(fā)現(xiàn)離不開前人的大量天文觀測資

料。

學生在前面的學習中，也經(jīng)歷了大量觀察法的應用，體會過人們認識事物"先

現(xiàn)象，后本質"的一般規(guī)律。例如：在探究牛頓第二定律實驗中，平衡摩擦力時,

通過觀察紙帶上點跡是否均勻，來判斷物體是否做勻速直線運動，?通過觀察真空

玻璃管中鐵片和羽毛的下落，可以知道不同質量物體下落的一樣快；通過觀察小

球在理想斜面上滾動，伽利略才給出力不是維持物體運動狀態(tài)的原因，?通過觀察

砂輪打磨下來的熾熱微粒或擲飛鏢的軌跡，可以知道曲線運動的速度方向……先

有"洞天地之察"，后有"析萬物之理"。觀察是學生認識自然現(xiàn)象的開始，觀

察到事物不同和相同之處，才能通過現(xiàn)象看本質，得到事物發(fā)展統(tǒng)一性規(guī)律。本

單元的學習，能讓學生進一步體會到觀察法的重要性。

(2)本章教學內(nèi)容體現(xiàn)了假說法的運用

古希臘的哲學家們認為圓是最完美的圖形才是出了行星運動是做圓周運動的

假說。托勒密根據(jù)日月星辰每天東升西落，提出了地心假說?；鹦悄嫘信c地心說

發(fā)生矛盾，哥白尼提出了日心假說。開普勒對行星運動的長期觀測資料進行分析,

發(fā)現(xiàn)了開普勒行星運動定律，修正了哥白尼的假說。牛頓”站在巨人的肩上"根

據(jù)已知的事實和原理，進行合理的想象和推理，提出了萬有引力定律的假說。

假說并不是憑空猜想，它具有科學性，是以可靠的事實為依據(jù)，是科學性的

猜想和假設，是物理科學探究的一種，也是建立和發(fā)展真定律、真理論的橋梁。

例如，JJ湯姆孫的原子模型無法解釋a粒子散射實驗，盧瑟福才提出了原子的核

式結構模型假說，又因為核式結構無法解釋原子光譜的分立特征，玻爾提出了玻

爾理論。提出假說需要嚴謹?shù)目茖W思維，假說還具有推測性、可預見性、可驗證

性。例如，伽利略對自由落體運動的研究，先是在嚴謹?shù)目茖W思維下讓原有理論

自相矛盾，然后提出自己的科學性假說：質量不同的物體下落一樣快，屬于勻變

速直線運動。最后，利用沖淡重力的影響，預見性推斷斜面逼近豎直方向物體運

動性質不變，通過實驗證明自由落體是一種勻變速直線運動。嚴謹?shù)睦碚撏茖Ш?/p>

巧妙的實驗設計所得到的假說，是可以讓學生信服的。安培分子環(huán)流假說，高中

階段雖然沒有給出直接理論支撐和實驗驗證,但是能很好的解釋磁化和消磁等現(xiàn)

象，這個科學假說也就變成了科學事實。學生通過本章假說法的學習，既能深化

理解前面假說法的應用，也能為后續(xù)假說法的學習做鋪墊。

(3)本章教學內(nèi)容體現(xiàn)了構建理想化物理模型的運用

在認識宇宙的過程中，人類在不斷地構建理想化物理模型。從托勒密構建地

心宇宙模型，到哥白尼構建日心宇宙模型，最后開普勒又構建了太陽系模型。地

球繞太陽運動視為理想化的勻速圓周運動，萬有引力提供向心力，地球按照理想

化"質點”來處理。物體在地球表面所受重力，在忽略自轉次要因素后，可認為

等于它們之間的萬有引力。構建理想化物理模型來突出研究對象和所研究問題的

主要方面，忽略次要因素，更能深刻地把握事物的本質，為人類研究復雜事物提

供了科學思維方法。構建理想化物理模型這種科學思維，能讓學生體會事物的表

象具有多樣性和復雜性，其本質可能存在同一性，激發(fā)探尋科學本質的愿望和興

趣，也能更好地培養(yǎng)學生的科學探究素養(yǎng)。

(4)本章教學內(nèi)容體現(xiàn)了實踐驗證法的運用

"月一地檢驗"驗證了牛頓的想法是正確的，明確地向人們宣告，天上和地

上的物體都遵循著完全相同的科學法則揭示了復雜運動的后面可能隱藏著簡潔

的科學規(guī)律，正是這種對簡潔性的追求啟迪科學家不斷探索物理理論的統(tǒng)一性。

但是萬有引力定律還具有一定的推測性，牛頓并沒有給出準確的引力常量，

卡文迪什利用扭秤裝置測定了引力常量，引力常量的普適性成為萬有引力定律正

確性的有力證據(jù)。

海王星的發(fā)現(xiàn)和哈雷彗星的“按時回歸"確立了萬有引力的地位，萬有引力

定律不僅能夠解釋已知事實，預言未知現(xiàn)象，更重要的是還預言成真。人類利用

萬有引力定律已經(jīng)成功發(fā)射了人造地球衛(wèi)星，實現(xiàn)了登月和火星探測等偉大壯

舉。這一系列航天成就都驗證了萬有引力理論的正確性，也使學生明白假說只有

經(jīng)受住了時間和實踐的檢驗才能變成為真理。

愛因斯坦相對論時空觀提出后也需要實踐的檢驗。相對論時空觀的第一次宏

觀驗證是在1971年進行的。當時在地面上將四只鉗原子鐘調整同步，然后把它

們分別放在兩架噴氣式飛機上做環(huán)球飛行，一架向東，一架向西，當一周后兩架

飛機回到地面時，與留在地面上鈉原子鐘進行比較。實驗結果與相對論的理論預

言符合得很好。

實驗驗證是科學探究中一種重要方法，本章所涉及的實驗驗證，有意識地去

培養(yǎng)學生的物理學科核心素養(yǎng)，實驗驗證是學生獲得可持續(xù)成功和恒久幸福的堅

實基礎。

5.本章教學內(nèi)容蘊含著豐富的育人價值

萬有引力定律確立了人們對牛頓力學的尊敬，不僅體現(xiàn)了學科價值，更豐富

了育人價值?？茖W家不畏艱辛、幾十年如一日刻苦鉆研的精神是成功的基石，持

之以恒的精神值得學生學習。從第谷的數(shù)千個數(shù)據(jù)到開普勒行星運動定律，再到

引力的表達式，學生可以體會到認識越深刻，表述就越簡潔，含義就越豐富，物

理學法則的普適性在深深地打動著學生，獲得真知的愉悅和審美感受更加驅動學

生去不斷探索。"中國航天之父"錢學森和中國第T立航天員楊利偉的介紹，更

是號召學生向他們學習，學有所成，為國奉獻。學生學習人造地球衛(wèi)星的運行的

原理，能更進一步促進學生關注我國在航天領域的科技成就，進一步提升國家認

同感和民族自豪感。

綜上，本章內(nèi)容所蘊含的豐富價值，還會繼續(xù)影響人類對未知世界的探索。

學習過程

一、本單元學習進階設計

L層級:

局限性

L層級：

克成就

L層級：

理論成就

L2層級:

萬有引力定律

L層級二

行星的運動

學習進階圖

二、學習過程設計說明

LL1層級：行星的運動

這一層級的基礎是學生已經(jīng)了解一些天文現(xiàn)象和科學史實，例如托勒密的地

心宇宙學說和哥白尼的太陽中心學說。地理中已經(jīng)知道了地球公轉與自轉，知道

近日點和遠日點。但是，行星運動軌道到底是什么樣的？行星與太陽連線所掃過

的面積有什么定量關系？運動周期與行星離太陽的遠近有什么關系？這些需要

學生通過本層級學習來達成。

【活動設計案例一】

閱讀教材《科學漫步》一人類對行星運動規(guī)律的認識。思考"地心說"與"日

心說"爭論的焦點，產(chǎn)生爭論的根源，以及開普勒是如何根據(jù)第谷觀測數(shù)據(jù)總結

出了開普勒行星運動定律。

活動目的：通過豐富的科學史料，展現(xiàn)人類對行星運動規(guī)律的認知過程。

【活動設計案例二】

根據(jù)教材做一做繪制橢圓，繪制焦點距離不同的橢圓。

活動目的：一方面驗證行星軌道的特點，一方面體會橢圓軌道向圓軌道的近

似處理。

【活動設計案例三】

收集太陽系中行星運動數(shù)據(jù)，比較軌道半長軸立方與公轉周期平方之比。

活動目的：體驗開普勒第三定律。

本層級從運動學的角度描述天體的運動，教師要根據(jù)人類認識行星運動的歷

史事實與學生認知的實際情況確定探究點，實現(xiàn)學生的能力進階，以問題研究與

故事講解相結合的方式組織課堂教學，掌握開普勒行星運動定律，知道開普勒行

星運動定律的科學價值，為萬有引力定律的學習起到鋪墊性的作用。同時要立足

對學生進行科學精神、科學思維方法的教育，讓學生在科學家關于天體運動問題

的研究歷史中，感悟科學家求真、求簡的科學思維方法和科學精神。

2.L2層級：萬有引力定律

本層級的進階起點是學生已經(jīng)掌握了牛頓運動定律和開普勒行星運動定律。

學生已具備一定的運動與相互作用觀念，對力、質量、速度、加速度、向心力、

向心加速度等概念具有較好的理解，明確知道物體做曲線運動的原因，并且掌握

了自由落體、拋體運動和勻速圓周運動的運動學規(guī)律，且能熟練運用牛頓運動定

律解決動力學問題。太陽系中所有行星都圍繞著太陽運行,說明太陽與行星之間

的引力是使行星如此運動的主要原因，但引力的大小和方向還不確定，天體間的

這種引力與地球對物體的引力性質是否相同，諸如此類問題，學生需要通過本層

級學習來達成。

【活動設計案例一】

推導行星與太陽間的引力。

活動目的：通過分析行星繞太陽勻速圓周運動的原因，知道太陽與行星間存

在著引力作用，明確該引力提供行星繞太陽運動的向心力，進而通過演繹推理獲

得太陽與行星間引力的表達式，為萬有引力定律的得出做好鋪墊。

【活動設計案例二】

引領學生進行月一地檢驗，在牛頓的大膽假設下，思考"天上"的力和"人

間”的力可能出于同一本源。

活動目的：嚴格求證天體間引力、地球與物體間的引力性質相同，才有可能

進而推廣到任意兩個物體之間都存在這樣的引力，建立萬有引力定律。

【活動設計案例三】

閱讀教材《拓展學習》——引力常量的測量。

活動目的：一方面學習如何用物理實驗的方法測量微小量，一方面明確引力

常量的測定是萬有引力定律正確性的有力證據(jù)。

本層級是從動力學的角度研究天體的運動，根據(jù)運動規(guī)律求解受力，推導太

陽與行星間弓I力的大小和方向。通過月一地檢驗，求證天上與地上的物體遵循相

同的科學規(guī)律，進而推廣到任意兩個物體之間。萬有引力定律的檢驗需要大量的

事實，卡文迪什實驗是無法替代的，為萬有引力定律的普適性奠定了強有力的實

驗基礎。本層級教學設計要結合學生已有知識結構，實現(xiàn)學生的能力進階。尤其

是在問題的提出后,注重培養(yǎng)學生敏銳的直覺和深刻的觀察力，鼓勵學生要有大

膽假設的勇氣。在學生經(jīng)過一次自我"發(fā)現(xiàn)"萬有引力定律的過程中，使學生嚴

謹?shù)臄?shù)學演繹、合理的邏輯推理、精巧的實驗設計等方面實現(xiàn)發(fā)展。

3.L3層級：萬有引力理論的成就

本層級的進階起點是學生已經(jīng)掌握了勻速圓周運動和萬有引力定律,可以通

過受力分析在太空中構建天體的勻速圓周運動理想化模型。在學習前，已經(jīng)掌握

了利用天平、電子秤等測量宏觀物體質量的基本方法,但若稱量宇宙中天體的質

量，學生還"望塵莫及"，可想而不可求。學生只知道牛頓很偉大、萬有引力定

律很了不起，但還不清楚"為什么"，這些需要學生通過本層級學習來達成。

【活動設計案例一】

要通過稱量由小到大物體的質量，為學生創(chuàng)造出問題任務，怎樣"稱量"地

球的質量？教師通過布置學習任務，讓學生自主學習掌握"稱量"地球質量的方

法。

活動目的：體會測天體質量的方法，實現(xiàn)學習的深化。

【活動設計案例二】

通過方法遷移，再為學生創(chuàng)設問題情境，能用"稱量"地球質量的方法”稱

量"太陽嗎？在掌握了測量太陽質量的方法后，結合《思考與討論》用實際數(shù)據(jù)

估算太陽的質量。

活動目的：問題情境引導學生思考，變知識掌握為知識和方法的掌握。通過

估算太陽質量，讓學生體會自我成就感。

【活動設計案例三】

學生利用互聯(lián)網(wǎng)自主收集整理海王星材料，利用多媒體展示，交流分享。

活動目的：變被動學習為主動學習，培養(yǎng)學生搜集材料和整理材料的能力，

以及同學間的協(xié)作擔當。發(fā)現(xiàn)未知天體說明了科學定律的預測功能，學生可以從

中體會科學發(fā)現(xiàn)對人類認識世界的作用。

本層級是萬有引力理論在天文學上的重要應用，重點是"稱量地球質量”和

"計算太陽質量”的學習過程中，實現(xiàn)會用萬有引力定律計算某一中心天體質量

的