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第七章《万有引力与宇宙航行》学情分析　　最近几十年中国航天事业高速发展，创造了一个又一个世界奇迹，让国人自豪，让民族骄傲。从1970年中国第一颗人造地球卫星东方红一号发射成功，到2019年长征五号重型火箭再一次发射成功，中国人正一步一步奔向太空，各项航天工程有序推进。学生通过各种媒体耳熟能详，神舟载人飞船、嫦娥探月工程、天空实验室、北斗卫星导航系统、风云系列气象卫星……这一系列辉煌成就都已载入中国航天史册，为本章的学习铺垫好了家国情怀的情感基础，增强了学生的责任感和国家认同感，每一节的学习都为学生打开了一扇通往太空的大门，学生怀揣着对地球之外的宇宙世界无与伦比的期待，开启本章的学习。　　一、认知基础　　高中之前，学生知道一些地心说、日心说等相关史实，对一些伟大的物理学家也有些了解，像牛顿、开普勒等，包括牛顿与苹果树的故事。　　在本章之前，学生在必修1中学习过自由落体加速度g，知道自由落体加速度也叫重力加速度，海拔高度越高g越小，地球表面不同纬度g略有差异。但是，学生并不知道自由落体加速度为什么不是定值，且有进一步探究的愿望。通过对自由落体运动的学习，学生可以测定自由落体加速度，这为“地—月检验”和“称量”地球质量的学习奠定好了基础。学生对重力有了一定的了解，知道重力的方向是竖直向下，但是却不清楚为什么重力的方向不指向地心。在正确的认知下，学生带着一些疑问急需通过这一章的学习去解决。　　在本章之前，学生在必修2中已经学会了如何描述圆周运动，建立起了一些基本物理概念，例如：线速度、角速度、周期、向心加速度、向心力等，掌握了圆周运动向心力表达式以及匀速圆周运动的方法，具备了推导太阳与行星间引力的知识基础。学生对离心运动和近心运动及产生条件有了一定的认识，为研究人造地球卫星的多次变轨后达到预定轨道做好了知识储备。本章在分析双星问题时，结合花样滑冰运动员在冰面上手拉手匀速圆周运动，学生能进一步加深对向心力表达式中半径r的理解。在生活中的圆周运动部分，通过学习汽车过拱形桥的失重现象，将地球看作一个巨大拱形桥，介绍了航天器中失重现象。但是，学生对航天器中失重现象为什么是完全失重，也只是初步认识，需要本章进一步学习，深化理解，提升认知。　　学生在高中地理《宇宙中的地球》一章中，学习了“地球为什么会存在生命”。从地理学科的角度分析了存在生命的外部条件是安全和稳定，安全是指太阳系中八大行星“各行其道”，轨道具有共面性、近圆性、同向性；存在生命的内部条件是日地距离适中、自转和公转周期适中、质量和体积适中。地理中这部分内容与开普勒第一定律、高中阶段行星轨道按照圆轨道近似处理、赤道处的临界问题等存在交叉融合，能促进学生理解本章内容。　　2012年神舟九号和天宫一号交会对接，宇航员刘洋做了几个演示实验：动力学方法测质量、单摆运动、水膜水球的演示，这些实验学生有些能理解，有些还不清楚；长征五号重型火箭，学生知道它的运载能力大，却并不知道发射人造地球卫星、火星探测器等需要多大的发射速度，这些都需要学习本章内容来理解。　　二、认知特点　　高中学习内容与初中相比有一些新特点，例如，知识容量大，学科内容深，综合性、逻辑性、系统性较强，定理和定律更加抽象，对学生记忆理解、归纳总结、演算推理、空间想象等能力要求较高。例如，匀变速直线运动、平抛运动、圆周运动，都是学生生活中常见的运动，而天体的运动，虽然学生在电视等媒体上看到过卫星的发射、看到过动画演示卫星的运动，但是本部分内容仍需要学生有较强的空间想象能力，仍然是学生学习的难点。　　必修1中一直研究直线运动，运动与相互作用的关系在学生脑海根深蒂固，虽然必修2中前两章抛体运动和圆周运动已经将直线运动跨越到曲线运动，已经明确了曲线运动与相互作用的关系，但是研究从日常生活中常见的宏观物体过渡到宇宙天体还是有一些障碍的。学生学习知识的过程中，需要继续提高观察能力、理解能力和分析综合能力，提高独立学习能力，在知识建构的过程中，提高认知水平。　　1．高一学生具有较强的观察力和一定的理解力。观察力已经非常接近成人的水平，观察的目的性更明确，持久性更强，视觉和听觉的感受性甚至超过了成人。以科学漫步“人类对行星运动规律的认识”学习为例，学生能概括总结出每一位科学家的主要观点，能知道“行星逆行”“本轮”“均轮”“偏心点”“偏心等距点”等概念，但是学生不理解这些概念，以及这些晦涩难懂的概念是如何促进开普勒得出正确的行星运动规律。包括理解“8′的误差也许正是因为行星的运动并非匀速圆周运动”，认知水平不同的学生不一定都能想到这是因为行星轨道是椭圆而非圆。抽象概念的理解、观察的深刻性还有待在学习中提高，这些决定了学生如何“水到渠成”般的理解开普勒得出行星运动定律的过程，加深对行星运动定律内容的理解，降低学习的难度。　　2．高一学生记忆的目的性、计划性较强，有意记忆占主导地位。但无意识的记忆仍是不可缺少的，许多东西是通过教学活动无意识记，在轻松愉快中获得的。例如，观看电影《流浪地球》《地心引力》后，高中学生很快会提取卫星变轨、空间站交会对接等知识的应用。教学中适合的分组活动，能让学生参与进来，促进知识的形成，丰富学科认知。例如：通过绘制焦点距离不同的椭圆并与圆的对比，通过验证开普勒第三定律，通过月—地检验，通过月球计算地球质量，这些能让学生体会到获得真知的愉悦，在提高思维深度的同时，驱动学生去不断探索，慢慢从被动学习、感觉记忆、短时记忆，变主动学习、理解记忆、长时时间。第七章《万有引力与宇宙航行》内容与价值分析　　一、课标要求　　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。　　例3 通过发现海王星等事实，说明科学定律的作用。　　例4 以万有引力定律为例，了解统一性观念在科学认识中的重要意义。　　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。　　例5 了解牛顿力学对航天发展的重大贡献。　　活动建议　　（3）观看有关人造地球卫星、神州飞船、航天飞机、空间站的录像片，与同学交流观后感。　　（4）收集我国和世界航天事业发展历史和前景的资料，写出调查报告。　　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 初步了解相对论时空观。　　例1 初步了解长度收缩效应和时间延缓效应。　　例2 初步了解时空弯曲。　　2.3.3 关注宇宙起源和演化的研究进展。　　例3 查阅资料，初步了解典型的恒星演化过程。　　活动建议　　（1）阅读有关相对论的科普书刊，在同学中举办小型讨论会。　　（2）观看有关宇宙起源的科教电视专题片，了解宇宙的演化。　　二、学习内容与价值分析　　万有引力定律揭示了天体运动规律的根源，对人类智慧影响至为深远。本章有直线运动到曲线运动的跨越，有圆周运动的继承，也有牛顿运动定律的应用，充分体现了物理学科核心素养下的物理观念的形成、科学思维的运用、科学探究的设计，以及严谨认真、实事求是、持之以恒的科学态度与责任。　　1.本章万有引力定律的学习过程，突出体现对学生的物理学科核心素养的培养　　万有引力定律的发现历程蕴含着丰富的科学本质教育因素，对发展学生的科学态度与责任素养具有重要的价值。开普勒从运动学角度描述了天体运动规律，牛顿从动力学角度揭示了天体运动规律的根源，两个定律的学习加深了学生对运动与相互作用关系的理解。科学论证需要证据的支持，“月—地检验”进一步验证了实践是检验真理的唯一标准。引力常量的普适性是万有引力定律正确性的有力证据，卡文迪什测量引力常量是一种典型的科学实验探究。根据万有引力理论发现未知天体，说明了科学定律的预测功能，学生可以从中体会科学发现对人类认识世界的作用。宇宙航行部分从科学理论到实践应用，充分体现了万有引力定律在人类开拓太空中的作用。发射人造卫星探索宇宙奥秘，人类探索太空的历程更是科学促进技术进步的典型范例。由关注航天事业的成就和太空垃圾等新的环境问题，认识科学、技术、社会、环境之间的相互联系。辩证地认识牛顿力学的局限性，有助于学生形成正确的科学态度与责任。　　2.在高中物理知识体系中，本章内容具有承前启后作用　　万有引力定律是经典力学的极大补充和完善，能促进学生对牛顿运动定律和圆周运动规律的理解。例如：明确重力与万有引力的关系，有助于学生理解必修1中自由落体加速度与地理纬度和海拔高度的关系；航天器中的完全失重，有助于深化必修1中牛顿定律对失重现象的理解；卫星绕地球、行星绕太阳的匀速圆周运动，能加深圆周运动一章中线速度、角速度、向心力、向心加速度等物理概念及运动规律的理解，让学生增强运动与相互作用观念；卫星变轨问题的研究和实际应用，能促进学生对向心力“供需”关系的理解，提升学生应用物理知识解决实际问题的能力。开普勒第二定律的学习，渗透了机械能守恒定律；火箭发射、空间站交会对接，渗透了动量守恒定律；万有引力和库仑力都满足平方反比规律，本章学习也对库仑力的得出具有一定的铺垫作用。　　3.本章学习内容能促进跨学科学习　　高中地理《宇宙中的地球》一章中，从地理学科的角度分析了地球为什么会存在生命，其中涉及的一些自然现象，与高中物理《万有引力与宇宙航行》一章有紧密的联系，通过本章的学习，可以让学生更好地去理解四季轮回、潮汐等地理现象，以及指导重力探矿，促进学生跨学科学习。 　　4．在万有引力定律确立和应用过程中，蕴含着丰富的科学研究方法　　（1）本章教学内容体现了观察法的应用　　波兰天文学家哥白尼四十年如一日地观察和计算，所著《天体运动论》预示了地心宇宙的终结。丹麦天文学家第谷，连续二十年对行星的位置进行观测，并记录了大量的精确数据，为开普勒的研究提供了可靠资料。牛顿把哥白尼的观点、开普勒定律、伽利略和牛顿自己关于运动学和动力学的研究成果融会一体，才总结出了万有引力定律。可见，万有引力定律的发现离不开前人的大量天文观测资料。

　　学生在前面的学习中，也经历了大量观察法的应用，体会过人们认识事物“先现象，后本质”的一般规律。例如：在探究牛顿第二定律实验中，平衡摩擦力时，通过观察纸带上点迹是否均匀，来判断物体是否做匀速直线运动；通过观察真空玻璃管中铁片和羽毛的下落，可以知道不同质量物体下落的一样快；通过观察小球在理想斜面上滚动，伽利略才给出力不是维持物体运动状态的原因；通过观察砂轮打磨下来的炽热微粒或掷飞镖的轨迹，可以知道曲线运动的速度方向……先有“洞天地之察”，后有“析万物之理”。观察是学生认识自然现象的开始，观察到事物不同和相同之处，才能通过现象看本质，得到事物发展统一性规律。本单元的学习，能让学生进一步体会到观察法的重要性。 　　（2）本章教学内容体现了假说法的运用　　古希腊的哲学家们认为圆是最完美的图形，提出了行星运动是做圆周运动的假说。托勒密根据日月星辰每天东升西落，提出了地心假说。火星逆行与地心说发生矛盾，哥白尼提出了日心假说。开普勒对行星运动的长期观测资料进行分析，发现了开普勒行星运动定律，修正了哥白尼的假说。牛顿“站在巨人的肩上” 根据已知的事实和原理，进行合理的想象和推理，提出了万有引力定律的假说。　　假说并不是凭空猜想，它具有科学性，是以可靠的事实为依据，是科学性的猜想和假设，是物理科学探究的一种，也是建立和发展真定律、真理论的桥梁。例如，J.J.汤姆孙的原子模型无法解释α粒子散射实验，卢瑟福才提出了原子的核式结构模型假说，又因为核式结构无法解释原子光谱的分立特征，玻尔提出了玻尔理论。提出假说需要严谨的科学思维，假说还具有推测性、可预见性、可验证性。例如，伽利略对自由落体运动的研究，先是在严谨的科学思维下让原有理论自相矛盾，然后提出自己的科学性假说：质量不同的物体下落一样快，属于匀变速直线运动。最后，利用冲淡重力的影响，预见性推断斜面逼近竖直方向物体运动性质不变，通过实验证明自由落体是一种匀变速直线运动。严谨的理论推导和巧妙的实验设计所得到的假说，是可以让学生信服的。安培分子环流假说，高中阶段虽然没有给出直接理论支撑和实验验证，但是能很好的解释磁化和消磁等现象，这个科学假说也就变成了科学事实。学生通过本章假说法的学习，既能深化理解前面假说法的应用，也能为后续假说法的学习做铺垫。　　（3）本章教学内容体现了构建理想化物理模型的运用　　在认识宇宙的过程中，人类在不断地构建理想化物理模型。从托勒密构建地心宇宙模型，到哥白尼构建日心宇宙模型，最后开普勒又构建了太阳系模型。地球绕太阳运动视为理想化的匀速圆周运动，万有引力提供向心力，地球按照理想化“质点”来处理。物体在地球表面所受重力，在忽略自转次要因素后，可认为等于它们之间的万有引力。构建理想化物理模型来突出研究对象和所研究问题的主要方面，忽略次要因素，更能深刻地把握事物的本质，为人类研究复杂事物提供了科学思维方法。构建理想化物理模型这种科学思维，能让学生体会事物的表象具有多样性和复杂性，其本质可能存在同一性，激发探寻科学本质的愿望和兴趣，也能更好地培养学生的科学探究素养。　　（4）本章教学内容体现了实践验证法的运用　　“月—地检验”验证了牛顿的想法是正确的，明确地向人们宣告，天上和地上的物体都遵循着完全相同的科学法则，揭示了复杂运动的后面可能隐藏着简洁的科学规律，正是这种对简洁性的追求，启迪科学家不断探索物理理论的统一性。　　但是万有引力定律还具有一定的推测性，牛顿并没有给出准确的引力常量，卡文迪什利用扭秤装置测定了引力常量，引力常量的普适性成为万有引力定律正确性的有力证据。　　海王星的发现和哈雷彗星的“按时回归”确立了万有引力的地位，万有引力定律不仅能够解释已知事实，预言未知现象，更重要的是还预言成真。人类利用万有引力定律已经成功发射了人造地球卫星，实现了登月和火星探测等伟大壮举。这一系列航天成就都验证了万有引力理论的正确性，也使学生明白假说只有经受住了时间和实践的检验才能变成为真理。　　爱因斯坦相对论时空观提出后也需要实践的检验。相对论时空观的第一次宏观验证是在1971年进行的。当时在地面上将四只铯原子钟调整同步，然后把它们分别放在两架喷气式飞机上做环球飞行，一架向东，一架向西，当一周后两架飞机回到地面时，与留在地面上铯原子钟进行比较。实验结果与相对论的理论预言符合得很好。　　实验验证是科学探究中一种重要方法，本章所涉及的实验验证，有意识地去培养学生的物理学科核心素养，实验验证是学生获得可持续成功和恒久幸福的坚实基础。　　5.本章教学内容蕴含着丰富的育人价值　　万有引力定律确立了人们对牛顿力学的尊敬，不仅体现了学科价值，更丰富了育人价值。科学家不畏艰辛、几十年如一日刻苦钻研的精神是成功的基石，持之以恒的精神值得学生学习。从第谷的数千个数据到开普勒行星运动定律，再到引力的表达式，学生可以体会到认识越深刻，表述就越简洁，含义就越丰富，物理学法则的普适性在深深地打动着学生，获得真知的愉悦和审美感受更加驱动学生去不断探索。“中国航天之父”钱学森和中国第一位航天员杨利伟的介绍，更是号召学生向他们学习，学有所成，为国奉献。学生学习人造地球卫星的运行的原理，能更进一步促进学生关注我国在航天领域的科技成就，进一步提升国家认同感和民族自豪感。　　综上，本章内容所蕴含的丰富价值，还会继续影响人类对未知世界的探索。第七章《万有引力与宇宙航行》单元小结　　一、本单元内容梳理　　二、本单元小结　　本单元万有引力与宇宙航行的内容，可以说是经典力学的集大成之作。有效运用了必修1中的牛顿运动定律和必修2中的圆周运动的有关知识，在力学知识体系中，有继承，更有发展。　　1.行星的运动　　从运动学角度描述行星是怎样运动的，在《科学漫步》“人类对行星运动规律的认识”一文中，通过对托勒密、哥白尼、弟谷、开普勒等科学家关于行星运动规律研究的介绍，展现出行星运动模型的建立、修正与发展的历史，使学生从知识上了解行星运动规律，进而掌握开普勒行星运动定律。教材还明确给出了高中阶段行星轨道看成“圆”时开普勒定律的表述，行星运动视为匀速圆周运动，为万有引力定律的科学探究做好了铺垫。学生了解观察法和假说法的运用，培养物理学科核心素养，体会科学探究的过程。　　2.掌握万有引力定律　　从行星运动规律到万有引力定律的建立过程，是本章的主要内容，是极好的科学探究过程教育素材。从行星运动观察测量，到本部分问题提出、猜想假设、模型构建、演绎推理、检验论证，以及后期的理论与实践成就，是一次很好的科学探究性学习过程，蕴含的科学思维应着重培养。本部分从动力学的角度阐明行星为什么这样运动，总结出了简洁的万有引力表达式，明确了万有引力和重力的关系，学生除了要掌握万有引力定律内容、适用条件等，还应理解月—地检验过程和测量引力常量物理意义。通过月—地检验学生知道科学论证需要证据支持，实验验证也是科学探究中一种重要方法，是获得可持续成功的坚实基础。　　3.认识科学定律对探索未知世界的作用　　用万有引力定律计算天体质量，了解“称量地球质量”和“计算太阳质量”的两种基本思路，体会万有引力理论的巨大作用和价值。预见并发现未知天体，是万有引力理论威力和价值的最生动例证。学生通过构建理想化物理模型，突出主要因素，忽略次要因素，能深刻地把握事物的本质，为研究复杂事物提供了科学性思维方法。　　4.认识物理定律对航天技术及现代科技的作用及意义　　通过本单元学习建构起了人造卫星发射和运行的空间模型，不仅能计算人造卫星的环绕速度，还可以了解第二宇宙速度和第三宇宙速度，学生也进一步体验了物理学中理想模型的研究方法，有利于提高科学思维能力，以及面对问题时自主寻找方法去解决实际问题的能力。本部分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。　　5.初步了解相对论时空观与牛顿力学的局限性　　认识牛顿力学的局限性，通过相对论的学习，体会科学是一个永恒的探究过程，需要不断的突破原有理论的局限性。相对论时空观和经典力学时空观的对比，了解高速运动物体的“长度收缩效应”和“时间延缓效应”，体会时间长短、长度大小的相对性。通过本部分学习，学生辩证地认识牛顿力学的局限性，形成正确的科学态度与责任。

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