資源簡介

萬有引力與宇宙航行 單元概覽
一、單元目標分析
1 單元教學設計思想
2017版高中物理課程標準指出，高中物理課程的目標旨在進一步提升學生的物理學科素養，為學生終身發展奠定基礎，促進人類科學事業的傳承與社會發展。由于核心素養具有綜合性、發展性和實踐性等特征，在當前課程改革背景下，單元教學設計成為促進學生深度學習而達成學科核心素養課程目標的重要途徑。單元教學設計聚焦大概念、大思路、大情境、大問題是發展學生物理核心素養的內在要求，這四個方面是單元教學設計的靈魂。學習進階是對學生的思維由簡單到復雜、由淺入深的層級刻畫，并且已經應用到課程、教學與評價的廣泛領域。基于學習進階設計的單元學習過程可以清晰地呈現單元學習層級、促進學習層級躍遷的知識內容、伴隨認知發展的素養發展規劃、促進深度學習的學習方式安排與物理情境創設等內容。
2單元教學內容分析
本章內容包括從人類認識天體運行的地心說、日心說，到開普勒行星運動定律進而追尋內在規律，并通過理論探究推導出萬有引力定律，接著應用萬有引力定律取得解決天體質量測定、發現未知天體和預言彗星回歸等成就，以及用萬有引力來解釋宇宙航行。在此基礎上又拓展學生的認知，認識到牛頓力學的偉大成就與局限性，樹立科學的發展觀。整個單元教學內容邏輯緊密，在整體上向學生展示了整個科學規律的發現和應用的歷程以及人類宇宙觀的一次次轉變，展現了科學家富有創造而又嚴謹的科學思維與科學態度。
本單元的知識和思維關系如圖1所示：
圖1 萬有引力與宇宙航行知識和思維結構圖
從發展學生學科核心素養的角度看，本單元提供了豐富的素材。通過研究行星的運動可以強化學生的運動與相互作用觀，通過學習開普勒行星運動定律及萬有引力定律等物理規律，豐富了學生對時空的理解，凸顯了科學思維的力量，認識到科學研究中質疑與創新的重要性，體會模型建構的思維過程。通過對萬有引力定律的應用展示經典力學的巨大價值，通過對我國航天事業的介紹與展望，進行愛國主義教育，幫助學生形成探索自然的內在驅動力。
圖2萬有引力與宇宙航行 學習層級圖
在基于真實情境認識行星運動的基礎上，通過物理學史的閱讀學習，了解認識行星運動的不同階段和不同觀點，明確研究方法，學習如何構建合理的運動模型，一方面從觀察實踐到對數據的嚴格運算總結得到結論，另一個方面從邏輯分析理論推導總結得到結論。學生的學習過程從運動到相互作用，再到應用拓展，認識提升，形成一個清晰的進階路線（如圖2所示）。
從幫助學生形成解決問題的大思路看，單元學習過程設計不僅應該重視概念、規律等顯性知識，還應該注重挖掘隱藏在顯性知識背后的程序性知識和反省認知策略知識。本單元知識背后隱含的學科核心素養、科學思想方法和思維方式的一些具體表述如表1和表2所示。
表1 《萬有引力與宇宙航行》單元隱含的核心素養與科學思想方法舉例
知識點 教學價值
行星的運動 運動觀、歸納法、科學態度與責任、科學本質
萬有引力定律 相互作用觀、模型建構、科學探究、演繹推理、科學論證、統一觀念
萬有引力定律的成就 模型建構、理論聯系實際、科學探究、科學本質
宇宙航行 運動和相互作用觀、模型建構、推理論證
相對論時空觀與牛頓運動定律的局限性 科學推理、科學態度與責任
表2 《萬有引力與宇宙航行》單元隱含的重要思維方式舉例
思維方式 教學內容舉例 思維訓練問題參考
歸納法 開普勒通過整理大量觀測數據分析歸納總結出了開普勒行星運動定律。 參考人教新課標教參教學片斷：《托勒密的地心說和哥白尼的日心說》 1.地心說和日心說的基本觀點分別是什么？ 2.關于運動的描述，地心說和日心說有哪些相似的地方？ 3.從運動學的角度看，地心說和日心說的區別是什么 4.為什么最終日心說戰勝了地心說？
理論推導和實際證據相結合 首先通過理論推導得出萬有引力定律，然后通過“月-地檢驗”驗證萬有引力定律 參考人教新課標教參教學片斷：《引力方向和大小的探究》《月-地檢驗》
模型建構 在“稱量地球質量”“計算太陽的質量”“計算宇宙速度”等過程中，首先要建構模型。 參考人教新課標教參教學片斷：《如何稱量地球的質量？》《計算天體的質量》《多大的速度才能成功發射人造地球衛星》
3 學生學習情況分析
3．1學習基礎分析
從已有的知識結構看，學生具有初步的運動和相互作用觀。學生在學習本單元內容前，對力、重力、速度、加速度、向心力、向心加速度等重要概念有較好的理解，掌握了平拋運動和勻速圓周運動的規律，能熟練應用牛頓運動定律解決動力學問題。
從認知基礎方面看，學生知道解決問題需要建立物理模型，知道建立模型需要抓住主要因素，忽略次要因素。學生具有一定的科學推理和科學論證的能力，了解科學探究的基本思路。
3．2學習困難分析
學生對天體運動的研究缺乏觀察的條件，對天體運動的實際圖景缺乏真實的感性認識，對天體運動的本質原因，未有過認真的思考和研究。所以，本單元內容對學生而言較為抽象，對學習者的科學思維能力提出了較高的要求。與萬有引力定律相關的問題對學生的空間想象能力、類比思維能力、邏輯推理能力要求極高，而這些能力又恰恰是學生思維的短板。
再有，本單元涉及的物理知識比較多，在模型建構的過程中學生容易弄混M、m、R、r、h、環繞速度、第一宇宙速度等物理量的含義。
4 單元教學目標設計
課標素養名稱 單元學習目標
物理觀念 （1）運動與相互作用觀念 了解開普勒行星運動定律；理解萬有引力定律及其意義，了解引力常量在科學史上的重大意義；知道地球上的重物下落與天體運動的內在統一性；會計算天體的質量、人造衛星的線速度、第一宇宙速度，知道三個宇宙速度的含義；初步了解相對論時空觀，知道牛頓力學的局限性。
科學思維 （1）模型建構 能夠將天體運動抽象成勻速圓周運動的模型，培養學生的模型建構能力。 （2）科學推理 用牛頓運動定律和開普勒第三定律推導萬有引力的表達式，培養學生的科學推理能力；能根據萬有引力與重力的關系、萬有引力提供向心力等進行推理論證，解決天體運動的問題；能用與萬有引力定律相關的證據解釋一些天文現象。 （3）科學論證 利用“月地檢驗”培養學生的科學論證能力。
科學態度與責任 科學本質 認識萬有引力定律發現的重要意義，認識科學定律在人類探索未知世界中的作用。 科學態度 通過開普勒等物理學家的科學活動，體會科學家們實事求是、尊重客觀事實、敢于堅持真理和勇于探索的科學態度和科學精神。 （3）社會責任 通過對人造衛星的學習，感受航天成就（科學成就）正改變著人類的生活，同時也要體會到人類為此付出的代價和艱辛。
二、單元活動設計
1 單元課程整體設計
大概念 知識內容規劃 思維、能力發展規劃 大情境創設
情境描述 情境問題
萬有引力定律 微專題1：從運動的角度認識行星運動 拓展對運動多樣性的認識，認識科學觀測能力和歸納概括能力在科學發現中的推動作用。 天問一號的發射與運行 問題1：天問一號在繞地軌道上做什么運動？ 問題2：天問一號繞地運動的周期與距離地球的遠近有什么關系？
微專題2：從相互作用的角度研究行星運動 結合萬有引力定律的發現過程，進一步領會理論推導和實際證據相結合的科學思維方法在科學發現中的意義。 問題3：是什么力使天問一號能夠繞地運動？ 問題4：天問一號與地球之間的引力大小和方向是怎樣的？
微專題3：應用規律探究天體運動 了解和關注物理學定律與航天技術等現代科技的聯系，認識科學定律對人類探索未知世界的作用，從萬有引力定律的普適性認識自然界的統一性。 了解牛頓力學對航天技術發展的重大貢獻（“…我想現在是牛頓在駕駛”），理解牛頓運動定律的普適性，進一步拓展對力與運動關系的認識。 問題5：怎樣計算地球和太陽的質量以及密度？ 問題6：如何將天問一號發射進入繞地軌道？ 問題7：如果將天問一號直接發射到火星需要滿足什么條件？ 問題8：如果要使天問一號飛出太陽系又需要滿足什么條件？
微專題4：關于時空觀的認知升級 通過對行星運動規律、牛頓力學的局限性與相對論初步的學習，認識到科學研究包含大膽的想象和創新，體會人類對自然界的探索是不斷深入的。 問題9：萬有引力定律的適用范圍是什么？ 問題10：對于高速、微觀領域有哪些適用理論？
2 單元學習過程設計
本單元的學習分為從運動的角度認識行星運動、從相互作用的角度研究行星運動、應用規律探究天體運動和關于時空觀的認知升級4個層級，具體學習過程設計如下表所示。
層級 學習設計 具體內容
層級1： 從運動的角度認識行星運動 問題情景創設 創設兩種情境： (1)太陽系內行星的運動； (2)天問一號的運行。 針對以上情境提出以下參考問題： 問題1：地心說和日心說的相似點和區別是什么？ 問題2：為什么最終日心說戰勝了地心說？ 問題3：天問一號在繞地軌道上做什么運動？ 問題4：天問一號繞地運動的周期與距離地球的遠近有什么關系？
知識內容安排 地心說與日心說、開普勒行星運動定律
物理學科核心素養發展規劃 了解人類對行星運動認識的發展過程和相關科學家們的觀點，體會科學研究的態度和精神；認識到科學研究一般是在現象觀測的基礎上，建構模型并不斷修正模型，使其逐步接近真實，形成規律。
主要學習方式設計 課前以自主學習為主，了解相關物理學史；課上小組匯報交流，了解并比較描述行星運動的不同觀點；通過探究，了解開普勒行星運動定律。
學習重難點突破資源 （1）利用視頻、影像、文字資料呈現人類對行星運動規律的認識過程：例如微課《開普勒定律》《開普勒第三定律的應用》 （2）查找并分析太陽系行星運動軌道的相關數據，試著發現規律。
學習反饋檢測要點及方式 要點：開普勒行星運動定律。 方式：利用課前導學案了解課前學習情況；課堂通過觀察、提問反饋學生的學習效果；課后練習側重對開普勒定律的理解。
學習時間計劃 1課時
層級2： 從相互作用的角度研究行星運動 問題情景創設 創設情境： 太陽系各大行星繞太陽運動。 針對以上情境提出以下參考問題： 問題1：行星繞太陽的運動能否視為勻速圓周運動？ 問題2：什么原因使行星繞太陽運動？ 問題3：行星繞太陽運動、月球繞地球轉動、地面上蘋果下落，它們之間的力是不是同一種力？如何驗證？ 問題4：如何設計實驗測量常數G？
知識內容安排 萬有引力定律、萬有引力常量G的測定及其意義。
物理學科核心素養發展規劃 經歷探究萬有引力定律發現的思維過程，發展相互作用觀和科學思維能力；了解卡文迪許實驗的巧妙和意義，認識到測定物理常量在科學研究中的重要性。
主要學習方式設計 通過科學探究，建立萬有引力定律；通過自主學習與交流，了解萬有引力常量G的測定方法及其在科學史上的意義。
學習重難點突破資源 （1）由于發現萬有引力定律屬于理論探究過程，所以關鍵資源是把大任務分解成一個個相互連接的具體的小問題，引導學生用所學的知識逐步深入解決問題； （2）卡文迪許扭秤實驗：例如微課《引力常量的測量》。
學習反饋檢測要點及方式 要點：（1）發現萬有引力定律的探究過程；（2）對萬有引力定律的理解。 方式：通過課堂探究報告呈現學生思維發展的路徑，評價目標的達成度；通過課堂練習和課后檢測幫助學生理解和鞏固規律。
學習時間計劃 2課時
層級3： 應用規律探究天體運動 問題情景創設 創設兩種情境： （1）地球上隨地球一起自轉的物體。 （2）天問一號的發射與運行。 針對以上情境提出以下參考問題： 問題1：以地心為參考系，地面上物體的運動和受力情況是怎樣的？ 問題2：赤道上物體的向心加速度和重力加速度的大小是多少？ 問題3：請通過推導說明卡文迪許是如何“稱量地球質量”的？ 問題4：這種方法能否測量太陽的質量？ 問題5：將物體沿水平方向拋出，隨著拋出速度的不斷增大，物體的運動情況是怎樣的？ 問題6：如何將天問一號發射進入繞地軌道？ 問題7：如果將天問一號直接發射到火星需要滿足什么條件？ 問題8：如果要使天問一號飛出太陽系又需要滿足什么條件？
知識內容安排 重力和萬有引力的關系、天體質量的計算、人造衛星、宇宙速度、發現未知天體、航天事業的發展。
物理學科核心素養發展規劃 通過交流討論建立物理模型、計算天體質量、歸納解決天體運動的大思路；了解人造衛星的構想，進一步發展運動和相互作用觀；認識萬有引力定律發現的重要意義，培養學生科學研究的能力和態度。
主要學習方式設計 通過師生雙方的討論交流，梳理解決天體運動的思路；通過自主學習與交流，推導第一宇宙速度，理解三個宇宙速度的意義；通過撰寫研究報告了解萬有引力定律的科學成就。
學習重難點突破資源 （1）設計學案，將大任務拆解成小問題：例如參考教學方案、教學課件。 （2）視頻、動畫呈現天體運動和人造衛星的發射，要求學生設計并畫圖表示衛星發射、近地衛星、同步衛星等軌道示意圖：例如知識解析《同步衛星》、情境素材《天問一號著落火星過程動畫演示》《嫦娥五號》。
學習反饋檢測要點及方式 要點： （1）天體運動空間模型的建構； （2）應用萬有引力定律解決天體運動的大思路。 方式：設計課前導學案，引導學生預習并反饋問題，為課堂教學提供依據；設計代表性強的課堂和課后檢測題，針對學生問題進行針對性輔導。
學習時間計劃 2~3課時
層級4： 關于時空觀的認知升級 問題情景創設 創設情境： 設想人類可以利用飛船以0.2c的速度進行星際航行。若飛船向正前方的某一星球發射一束激光。 針對以上情境提出以下參考問題： 問題1：根據速度的合成，該星球上的觀察者測量到的激光的速度是多少？ 問題2：邁克爾遜-莫雷實驗的直接結論是什么？為什么實驗觀測結果和運動的合成結果不一致？ 問題3：愛因斯坦是如何解決這個矛盾的？
知識內容安排 相對論時空觀、牛頓力學的局限性
物理學科核心素養發展規劃 通過科學推理了解狹義相對論的基本假設和相對論時空觀，正確認識牛頓運動定律的發展和適用范圍，認識科學真理的相對性。
主要學習方式設計 學生課前自主查閱資料，了解牛頓力學的成就與局限性，課堂匯報交流；以問題引導、自主閱讀和師生討論的方式了解相對論時空觀、宇宙的演化。
學習重難點突破資源 相對論時空觀是難點，沒有生活經驗的支撐，使學生接受相對論基本觀點的主要路徑是運用推理的力量，因此重在情境和問題的設計。
學習反饋檢測要點及方式 本層級內容要求不高，學生通過學習了解即可。
學習時間計劃 1課時
3 單元教學過程設計
本部分內容以層級2為例，說明教學設計過程與教學策略選擇。
層級2的核心任務是讓學生經歷理論探究萬有引力定律的過程。探究萬有引力定律是一個綜合性的大問題，在模型建構、科學推理和論證方面對學生的要求很高，因此首先要創設情境，把這個大問題拆解成一個個小問題，引導學生思維逐步深入，才能夠讓學生以現有的知識基礎置身于歷史背景下，真正經歷一次“發現”萬有引力定律的思維過程。學生思維發展過程如圖3所示。
圖3《從相互作用的角度研究行星運動》思維導圖
具體教學環節和問題設計如下：
環節1建構行星圍繞太陽做勻速圓周運動的模型
情景創設：太陽系八大行星軌道示意圖。
問題：
（1）行星繞太陽的運動軌道能否視為圓軌道？
（2）什么原因使行星圍繞太陽運動？
環節2推導太陽對行星引力的表達式
情景創設：質量為m的行星圍繞質量為M的太陽做半徑為r的勻速圓周運動。
問題：
（1）你認為太陽對行星的引力可能跟哪些因素有關？依據是什么？
（2）利用牛頓運動定律和開普勒第三定律，推導太陽對行星的引力的表達式？
（3）推導出的這個規律的適用范圍是什么？
環節3 月地檢驗
情景創設：天上月球圍繞地球公轉；地面上蘋果下落。
資料：在牛頓時代，地球表面的重力加速度g、月地的距離r、月球的公轉周期T都能精確的測定，已知r=3.8×108 m，T=27.3天=2.36×106 s，g=9.8m/s2，月地的距離r為地球半徑R的60倍。
問題：
（1）月球為什么圍繞地球公轉？地面上蘋果為什么下落？
（2）分析說明地球對月球的引力、地球對蘋果的引力和太陽對行星的引力是否可能是同一種力？
①假設蘋果與地球、月球與地球之間的引力都符合行星與太陽間的引力規律，月球圍繞地球做圓周運動的加速度a1和地面上蘋果下落的加速g的比值是多少？②依據天文測量結果，月球實際運行的向心加速度a2和重力加速g的比值是多少？③由以上兩個比值結果可以得出什么結論？
環節4 萬有引力常量G的測定
情景創設：動畫展示并介紹卡文迪許扭秤實驗的構造、實驗過程。
問題：
（1）說明卡文迪許扭秤實驗的設計巧妙在哪里？
（2）引力常量G的測定有何實際意義？
三、單元學習評價設計
本部分從診斷性評價和終結性評價兩方面說明單元學習評價設計。
1診斷性評價設計
教學中應在精準診斷的基礎上確定合適的教學方式。診斷性評價應基于“階”之間的連接設計問題，目的是鞏固前一層級的學習內容，并診斷后一層級的學習準備情況。題目的設計要針對層級間學習進階的關鍵點。
例如，在學習層級2萬有引力定律之后，可以設計如下問題：
自然界中任何兩個物體間都有萬有引力，請你應用合理的數據對下列問題進行計算說明。
（1）你與某同學相距1m，請估算你們之間的引力有多大？
（2）已知地球的質量約為6.0×1024kg，地球半徑為6.4×106m，請估算你和地球之間的引力是多大？
（3）受力分析是解決力學問題的基礎。對比兩個計算結果，說明分析物體的受力時，是否需要考慮周圍物體對它的引力？是否需要考慮地球對它的引力？
（4）已知地球表面的重力加速度g=9.8m/s2，你受到的重力是多少？你認為你的重力和地球對你的引力之間有什么關系？
本題基于真實的情景設計問題，（1）（2）（3）促進學生理解萬有引力定律，體會研究實際物體的受力時，由于物體間的引力極小，可以忽略不計；而物體與天體間的引力較大就不能忽略了。（4）引導學生分析和描述萬有引力與重力之間的關系，鼓勵學生提出自己的觀點，診斷反饋的結果為后續層級3稱量地球質量的教學改進提供事實證據。
2終結性評價設計
終結性評價是在單元學習結束后為判斷其效果而進行的評價。單元終結性測試題的設計要體現單元學習的大概念和大思路。題目設計舉例如下：
已知萬有引力常量G、地球半徑R、月球和地球間的距離r、同步衛星距離地面的高度h，月球繞地球運轉的周期T1，地球自轉的周期T2，地球繞太陽公轉的周期T3，地球表面的重力加速度g。某同學根據以上條件，提出一種估算地球質量M的方法：因為同步衛星繞地球做圓周運動，可由，解得。
（1）請判斷上面的方法是否正確，并說明理由。
（2）請根據已知條件再提出兩種計算地球質量的方法，并求出結果。
（3）根據題目中的數據你還能求出哪些物理量？
本題的設計要求學生從熟悉的天體運動的勻速圓周運動模型中選取恰當的模型（地球繞太陽、月球繞地球、同步衛星繞地球），對已有的觀點提出質疑，區分物理符號的含義，運用運動和相互作用觀進行推理論證和探究，綜合考察了學生的核心素養。
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