《万有引力与航天》教法探索课件.pptx

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1、让“核心素养”在课堂教学中落地生根万有引力与航天教法探索南京市中华中学高一物理备课组郭 颖,随着一部开年大片流浪地球火爆上映，票房已过40亿。影片展现的家国情怀、精神境界和它诠释的价值观不正是小小的人类个体所需要的科学素养吗？该片引发人们去思考：渺小的人类个体与宏大的宇宙之间的关系。连以前不关注科技信息的普通老百姓也会问起：月球上的玉兔号现在怎么样？,时代背景,现实中，我国的航天事业，尤其是探月工程正有条不紊地开展着。嫦娥四号首次实现航天器在月球背面软着陆和巡视勘察，首次实现了月球背面同地球的中继通信。嫦娥四号任务引入了国外多项合作项目，且顺利实施。这些国际合作载荷将向全世界科学家开放数据，坚

2、持共商共建共享。这么好的时代背景和科研环境必将激励着年轻一代砥砺前行。,抬头务虚，低头务实。作为一线教师，要提升学生的物理学科核心素养，让“核心素养”在课堂上落地生根，我们该怎么做？,一、学习2017版新课程标准 二、研究2010版老教材三、关注2018级新高考四、探索合适的新教法,一、学习2017版新课程标准 高中物理核心素养 物理 科学 科学 科学态度 观念 思维 探究 与责任 物质观 模 科 科 质 问 证 解 交 科 科 社运动与相互作用观 型 学 学 疑 题 据 释 流 学 学 会 能量观 建 推 论 创 本 态 责 形 解 构 理 证 新 质 度 任 成成 决 观 问 念 题 省级

3、新课标培训,连云港市东海县教育局教研室 陈亮辉味道课堂,1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。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。4初步了解相对论时空观。5关注宇宙起源和演化的研究进展。,2017版课程标准对本章的内容要求,二、研究2010版老教材 万有引力与航天一章内容：,本章“非主流课程”占比最大！,三、研究2018级新高考2018级新高考“3+1+2”模式终于尘埃落定了！,从高考视角谈高中物理教学中 提升学科核心素养

4、的思考黄恕伯 省级培训,高考命题的趋势是重视考查学生的素养，它和新课程标准的目标是吻合的。也就是说，提升学生的素养和提高学生的高考成绩，两者的目标是统一的，这对高中物理教学来说，是一个重要的启示。黄恕伯 省级培训,1我国高分系列卫星的高分辨对地观察能力不断提高今年5月9日发射的“高分五号”轨道高度约为705 km，之前已运行的“高分四号”轨道高度约为36 000 km，它们都绕地球做圆周运动与“高分四号冶相比，下列物理量中“高分五号”较小的是（）周期 B.角速度 C.线速度 D.向心加速度【来源】（江苏卷）,2018年全真高考题：,2若想检验“使月球绕地球运动的力”与“使苹果落地的力”遵循同样

5、的规律，在已知月地距离约为地球半径60倍的情况下，需要验证（）A.地球吸引月球的力约为地球吸引苹果的力的1/602B.月球公转的加速度约为苹果落向地面加速度的1/602C.自由落体在月球表面的加速度约为地球表面的1/6D.苹果在月球表面受到的引力约为在地球表面的1/60【来源】（北京卷）,32018年2月，我国500 m口径射电望远镜（天眼）发现毫秒脉冲星“J0318+0253”，其自转周期T=5.19 ms，假设星体为质量均匀分布的球体，已知万有引力常量为。以周期T稳定自转的星体的密度最小值约为（）【来源】（全国II卷）,4为了探测引力波，“天琴计划”预计发射地球卫星P，其轨道半径约为地球半

6、径的16倍；另一地球卫星Q的轨道半径约为地球半径的4倍。P与Q的周期之比约为（）A.2:1 B.4:1 C.8:1 D.16:1【来源】（全国III卷）,5土星最大的卫星叫“泰坦”（如图），每16天绕土星一周，其公转轨道半径约为，已知引力常量，则土星的质量约为（）【来源】浙江卷,6（多选）2018年2月2日，我国成功将电磁监测试验卫星“张衡一号”发射升空，标志我国成为世界上少数拥有在轨运行高精度地球物理场探测卫星的国家之一。通过观测可以得到卫星绕地球运动的周期，并已知地球的半径和地球表面的重力加速度。若将卫星绕地球的运动看作是匀速圆周运动，且不考虑地球自转的影响，根据以上数据可以计算出卫星的（

7、）,密度 B.向心力的大小 C.离地高度 D.线速度的大小【来源】（天津卷）,7（多选）2017年，人类第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波。根据科学家们复原的过程，在两颗中子星合并前约100 s时，它们相距约400 km，绕二者连线上的某点每秒转动12圈，将两颗中子星都看作是质量均匀分布的球体，由这些数据、万有引力常量并利用牛顿力学知识，可以估算出这一时刻两颗中子星（）质量之积 B.质量之和 C.速率之和 D.各自的自转角速度【来源】（新课标I卷）,四、探索合适的新教法,没,黄恕伯 省级培训,1、利用丰富的物理学史，激发学生浓厚的兴趣第一节：托勒密 哥白尼 第谷 开普勒 哈雷彗星回归第二

8、节：开普勒 伽利略 笛卡尔 胡克 哈雷 牛顿第三节：月地检验、卡文迪许第四节：亚当斯、勒维耶发现未知天体第五节：加加林、阿婆罗11号 杨利伟第六节：爱因斯坦相对论,让“核心素养”在课堂上落地生根,2、善用视频动画，化抽象为形象，便于学生理解 多媒体的使用，较好地创设教学情境，激发学生兴趣，同时也可以把那些看不见、摸不着、感受不到的东西形象化、具体化，可以给学生提供过去从未涉及的事物环境和自然想象，使学生有一个身临其境的感受。,让“核心素养”在课堂上落地生根,视频链接：,http:/http:/,爱因斯坦,与霍金一起了解宇宙（全3集）,让“核心素养”在课堂上落地生根,3、增进科学与社会、生活的联

9、系，学以致用，使学生获得成就感（1）我国的探月工程 与 GPS与北斗系统（2）引力波与万有引力（3）“三体”中的“万有引力与航天”,让“核心素养”在课堂上落地生根,人们观测到遥远的星光经过太阳附近时会发生弯曲。而牛顿以来的科学家都认为光线是直线传播的。爱因斯坦认为，要解决观测与理论间的矛盾，只能假设太 阳周围的空间是弯曲的，这样光线在其中通过时，其路径也弯曲起来。于是他提出了广义相对论，用弯曲空间来讨论万有引力的作用,探究地心说与日心说争论的焦点,探究开普勒行星运动定律建立的过程。,探究椭圆轨道特征,探究开普勒行星运动定律的物理意义,第一节：行星的运动 教学流程,让“核心素养”在课堂上落地生根

10、,4、具体实施-教法探索,1、角色扮演法 使物理学史形象化,让“核心素养”在课堂上落地生根,第一节 行星的运动,学生剧本：,第一幕：首先出场的是托勒密，他得意洋洋地说：“你们知道吗，我们地球是宇宙的中心，其他的星球都绕着我们转动”“不对，地球不是宇宙的中心！”正当他说得起劲时，哥白尼出现了，“太阳才是宇宙的中心，地球和其他行星都绕着太阳转。”“是这样的”，只见布鲁诺出现在了讲台上，“如果是太阳绕着地球转，你怎么解释观测到的行星逆行？”他问托勒密。“这个嘛，行星的运动比较复杂，它既有本轮也有均轮”托勒密解释道。“真是这样的吗？我发现如果用地球绕着太阳转来解释这些数据，地球的轨道就是一个圆周，非常

11、的简洁方便。”布鲁诺得意地说道。,让“核心素养”在课堂上落地生根,第二幕：第谷躺在床上，拿着一堆写满数据的纸，对开普勒说：“我快不行了，这是我数十年观察出来的行星运动的数据，这些数据耗费了我一生的心血，现在我把数据交给你，你一定要好好地利用这些数据，找出行星运动的规律啊。”开普勒答应了第谷，拿着这些数据进行了研究，既然这些数据和地心说不符，开普勒利用匀速圆周模型来检验这些数据，他发现吻合的很好，但总是至少有8的误差，他继续研究，对圆周轨道产生了质疑，终于获得了成功，在1609年提出了开普勒第一定律和开普勒第二定律。,让“核心素养”在课堂上落地生根,学生剧本：,2、关注中国古人的研究，提升学生民

12、族自豪感,行星运动理论是中国数理天文学的重要内容之一，然而我们的教科书却忽略了这部分内容，我们的学生有必要知道不仅西方国家的科学家在研究行星运动的规律，我们的先人们也为发现行星运动的规律做出过很大的贡献。,让“核心素养”在课堂上落地生根,第一节：行星的运动,中国古代天文学家对五星视运动规律的掌握，经历了一个漫长的过程。在星占学非常发达的古代中国，行星的视运动往往与星占学密切联系。尽管中国古代天文学家对五星视运动的理解，由于受科学发展水平的限制，不可避免地带有一些局限性，如始终带有浓厚的星占学色彩和主观想象，但这并不妨碍他们对五星视运动规律的正确把握。经过长期的探索，中国古代天文学家设计了一整套

13、计算行星的方法，包括行星的视位置，定合、定见、定伏算法。与古希腊以几何模型描述行星运动的传统不同，中国古代计算行星完全利用代数方法，尽管天文学家并不知道行星的轨道就是椭圆，但是他们设计的算法中已经涉及到对行星中心差和太阳中心差修正，并且达到了相当高的精度。,让“核心素养”在课堂上落地生根,2、关注中国古人的研究，提升学生民族自豪感。,3、利用excel表格，提升课堂效率,让“核心素养”在课堂上落地生根,第一节 行星的运动,R-T,R2-T,让“核心素养”在课堂上落地生根,R3-T2,让“核心素养”在课堂上落地生根,我们假设是幂函数，我们可以设 两边取对数则 若lgT与lga为直线，其斜率为n，

14、利用excel软件自带处理工具，从而得到n=1.5，即 从而得到开普勒第三定律,让“核心素养”在课堂上落地生根,问题的提出：是什么原因使行星围绕太阳运动？,简化模型：行星轨道按照“圆”来处理。,猜想与假设：太阳对行星的引力 F应该与行星到太阳的距离r有关。,演绎与推理：根据牛顿第二定律和开普勒第三定律进行计算。,结论的得出：引力大小跟行星到太阳距离的二次方成反比,第二节：太阳与行星间的引力 科学思维探究法,让“核心素养”在课堂上落地生根,行星对太阳的引力,行星与太阳地位的“平等性”，根据牛顿第三定律，行星对太阳引力F应满足,问题:太阳对行星的引力，为什么行星对太阳的引力？,第三节：万有引力定律

15、 教学流程,让“核心素养”在课堂上落地生根,1月地检验的处理,如果我们已知月球绕地球的公转周期为27.3天.月球距地球半径为6.37106m，轨道半径为地球半径的60倍。地球表面重力加速度g=9.8m/s2（1）根据运动学公式，试计算一下月球绕地球的向心加速度是多大?（2）a月:g（3）r月:R（4）结论：a1/r2,天上的力与地上的力遵循同样的规律,第三节 万有引力定律 科学思维探究法,让“核心素养”在课堂上落地生根,2、万有引力的进一步理解提出问题，阅读教材：(1)什么是万有引力？并举出实例。(2)万有引力定律怎样反映物体之间相互作用的规律？其数学表达式如何？并注明每个符号的单位和物理意义

16、。(3)万有引力定律的适用条件是什么？(4)你认为万有引力定律的发现有何深远意义？,让“核心素养”在课堂上落地生根,第三节 万有引力定律,3、利用动画演示扭秤实验原理了解光杠杆放大作用，不定量研究。,让“核心素养”在课堂上落地生根,第三节 万有引力定律,4、估算两人间万有引力，地球和月球间的万有引力，理解定律的宏观性。例1：估算两个质量50kg的同学相距1m时之间的万有引力约有多大？F万=GMm/r2=(6.6710-115050)/12=210-7(N)，例2：假定用钢索的拉力替代地球和月球间的万有引力，若钢索的张力强度大约是5.0108N/m2，则所需钢索的横截面积是多少平方米?F=GMm

17、/r2=(6.6710116.010247.41022)/(3.8108)2=21020(N)，S=F/A=21020/(5108)=41011(m2),让“核心素养”在课堂上落地生根,第三节 万有引力定律,本节知识网络：,让“核心素养”在课堂上落地生根,第三节 万有引力定律,第四节、万有引力理论的成就 教学流程,科学真是迷人：计算地球的质量,计算太阳的质量,计算中心天体的密度,发现未知天体,归纳总结：两条基本思路,让“核心素养”在课堂上落地生根,问题1、卡文迪许被称为“能称出地球质量的人”，你能“称量”出地球的质量吗？若能,请写出推导过程并解释。例：设地面附近的重力加速度g=9.8m/s2，

18、地球半径R=6.4106m，引力常量 G=6.6710-11 Nm2/kg2，试估算地球的质量。,第四节 万有引力理论的成就 问题引领式,让“核心素养”在课堂上落地生根,问题2、此方法能否求出其他星球的质量？需满足什么条件？例：宇航员站在一个星球表面上的某高处h自由释放一小球，经过时间t落地，该星球的半径为R，你能求解出该星球的质量吗？,让“核心素养”在课堂上落地生根,第四节 万有引力理论的成就 问题引领式,问题3、用万有引力定律可算出地球的质量，能否用它算出太阳的质量呢？若能，其基本思路是什么？.已知地球的质量为、地球到太阳的距离为，地球公转的角速度为，求太阳的质量。.已知地球的质量为、地球

19、到太阳的距离为，地球公转的线速度为v，求太阳的质量。.已知地球的质量为、地球到太阳的距离为，地球公转的周期为T，求太阳的质量。,第四节 万有引力理论的成就 问题引领式,让“核心素养”在课堂上落地生根,问题、请想办法求出环绕行星（或卫星）的质量，并总结需要满足什么条件和要求？（要求学生通过思考和讨论完成）明确所求质量的天体必须是中心天体这一关键点，堵住后续学习中易犯错误的漏洞。,第四节 万有引力理论的成就 问题引领式,让“核心素养”在课堂上落地生根,问题5、若已知中心天体的半径R，能否求出中心天体的密度？推导出中心天体密度的表达式，并说明式中各物理量的含义。,第四节 万有引力理论的成就 问题引领

20、式,让“核心素养”在课堂上落地生根,问题、应用万有引力定律求解天体质量的两条思路的异 同、应用条件及注意问题是什么？（以问题形式引导学生归纳总结）,第四节 万有引力理论的成就 问题引领式,让“核心素养”在课堂上落地生根,第五节、宇宙航行 教学流程,牛顿猜想,宇宙速度,卫星运行规律,梦想成真,让“核心素养”在课堂上落地生根,（一）、牛顿的设想 问题1、由平抛运动知识可知 物体平抛时水平初速度越大飞行的水平距离越远 地球是个球体 如果抛出速度很大 则飞行的距离很长此时我们把地面看成曲面 若抛出物体的水平初速度足够大 物体将会如何运动？,建议演示 牛顿关于人造卫星的设想 flash课件,第五节 宇宙

21、航行 问题引领式,让“核心素养”在课堂上落地生根,问题2、（算一算）以多大的速度将物体抛出，它才会成为绕地球表面的卫星？例、已知地球质量M=5.98*1024 kg，地球R=6400km,G=6.67*10-11N.m2/kg2,地表g=9.8m/s2(离地面高度忽略不计）推导方式一：万有引力提供向心力 推导方式二：重力提供向心力（重力近似等于万有引力）,（二）、宇宙速度,让“核心素养”在课堂上落地生根,第五节 宇宙航行 问题引领式,问题3、如果卫星的发射速度大于7.9km/s会出现什么情况呢？鼓励学生大胆猜想,第五节 宇宙航行 问题引领式,问题4、卫星到达预定轨道后，遵循怎样的运动规律呢？地

22、球质量M，万有引力常量G均为定值，设卫星轨道半径为r。试分析卫星运行速度v、角速度、周期T、向心加速度a与轨道半径r的关系。,（三）、卫星的运行规律,让“核心素养”在课堂上落地生根,第五节 宇宙航行 问题引领式,（四）、梦想成真人类航天历程 播放视频素材，了解人类探索太空的艰辛过程，感受科技发展对人类社会进步的巨大推动作用。通过对我国航天事业发展史的了解，培养学生的爱国情感与科学精神。,让“核心素养”在课堂上落地生根,第五节 宇宙航行 问题引领式,3、极地轨道、赤道轨道、一般轨道卫星,本节课必须分清几个重要的概念：,1、发射速度与环绕速度,2、地球赤道上物体、近地卫星、同步卫星、月球,5、“稳

23、态”与“变轨”,4、地球同步轨道与地球静止轨道,6、重力（引力）加速度与向心加速度,地球同步轨道与地球静止轨道不是一回事，它们之间有共同点也有较大区别地球同步轨道与地球静止轨道都是运行周期（23小时56分04秒）相同的人造地球卫星轨道 这两种轨道的区别有三：（1）轨道倾角 地球静止轨道是轨道倾角（轨道平面和赤道平面的夹角）为零的圆形地球同步轨道即地球静止轨道一定在赤道平面上；而地球同步轨道平面可与赤道平面成一不为零的夹角,（2）看到的现象 在地球同步轨道上运行的卫星每天在相同时间经过相同地方的天空，对地面上观察者来说，每天相同时刻卫星会出现在相同的方向上在一段连续的时间内，卫星相对于观察者可以

24、是运动的而处于地球静止轨道上运行的卫星每天任何时刻都处于相同地方的上空，地面观察者看到卫星始终位于某一位置，保持静止不动,（3）点轨迹 人造地球卫星在地面的投影点（或卫星和地心连线与地面的交点）称为星下点卫星运动和地球自转使星下点在地球表面移动，形成星下点轨迹地球同步卫星的星下点轨迹是一条8字形的封闭曲线，而地球静止卫星的星下点轨迹是一个点,重力（引力）加速度与向心加速度有区别,当物体绕地球做圆周运动时引力加速度和向心加速度相等；当物体绕地球做椭圆运动时，只有在近地点和远地点，引力加速度和向心加速度相等，其余各点皆为引力加速度大于向心加速度.,让“核心素养”在课堂上落地生根,让“核心素养”在课

25、堂上落地生根,例3 发射地球同步卫星时，先将卫星发射至近地圆轨道1，然后经点火，使其沿椭圆轨道2运行，最后再次点火，将卫星送入同步圆轨道3轨道l、2相切于Q点轨道2、3相切于P点，如图所示，则当卫星分别在1、2、3轨道上正常运行时，以下说法正确的是（）A卫星在轨道3上的速率大于在轨道1上的速率 B卫星在轨道3上的角速度小于在轨道l上的角速度 C卫星在轨道1上经过Q点时的加速度大于它在轨道2上经过Q点时的加速度 D卫星在轨道2上经过P点时的加速度等于它在轨道3上经过P点时的加速度,让“核心素养”在课堂上落地生根,第六节 经典力学的局限性,本节是全章的终结性教材，属于介绍性质的教材；目的使学生正确认识物理学理论的发展与适用范围；引领学生思考科学的价值观;教材的立意是使学生了解近代物理知识。,让“核心素养”在课堂上落地生根,本节从三个领域的发展过程进行。,让“核心素养”在课堂上落地生根,第六节 经典力学的局限性 情境教学法,一、经典力学的发展过程及伟大成就,二、遇到的两朵乌云 逐个质疑并进行科学探究,三、总结归纳：,欢迎批评指正，谢谢！,