人教版《第七章 万有引力与宇宙航行》编写说明

摘 要：新人教版第七章的编写说明，以使教师了解教材结构及落实核心素养.

关键词：新教材;编写说明;核心素养落实

文章编号：1008-4134（2019）21-0002 中图分类号：G633.7 文献标识码：A

作者简介：梁旭（1962-），男，浙江上虞人，本科，中学特级教师，浙江省高中物理教研员，研究方向：中学物理教学目标、方法和策略.

1 全章概述

本章是必修课程的第七章，既描述了人类对天体运动规律的探究过程，又展现了经典力学的巨大价值，还介绍了人类走向太空的努力.牛顿运用其运动定律研究天体运动并结合开普勒定律建立了伟大的万有引力定律，对万有引力定律的探索和求证过程展现了科学家们富有创造而又严谨的科学思维和科学态度.

本章共5节课文，分为三个主题，分别是规律的探究、规律的运用和规律的发展.第一个主题介绍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.教材在介绍托勒密的地心说、哥白尼的日心说、第谷的观测和开普勒行星运动定律、万有引力定律的同时，形象、生动地展现了科学家们实事求是、坚持真理、勇于创新的科学精神.第二个主题展示了应用万有引力定律所取得的巨大成就.如“称量地球的质量”“未知天体的发现”和“宇宙航行”问题.新教材增加了哈雷慧星及潮汐、重力探矿等，使学生对万有引力定律的重要意义和作用有更全面的了解.在载人航天与太空探索领域，中国近期发展很快，新教材丰富了中国在这一领域的进步与发展.第三个主题指出万有引力定律与任何其它理论一样，有其局限性.“相对论时空观与牛顿力学的局限性”这节的目的是让学生知道牛顿力学只适用于低速、宏观的情况，体会人类对自然界的探索是不断深入的.本次教材的修订还力求体现物理学科的核心素养.

1.1 物理观念

新教材在“行星的运动”这部分内容叙述时，既有从运动视角的探究——开普勒三个定律，又有从力的视角的探究——对行星运动原因的探究，还明确指出“下面我们根据牛顿运动定律及开普勒行星运动定律来讨论太阳与行星间的引力”强化了运动与相互作用观念.

1.2 科学思维

“模型建构”是科学思维的重要内容.如何建立模型是学生普遍感到困难的问题，新教材力求在问题解决过程中，展示模型建立的思维过程.

例如，关于“称量”地球的质量，新教材指出：“称量”地球质量时，我们应选择哪个物体作为研究对象？运用哪些物理规律？需要忽略的次要因素是什么？对这些问题的思考和讨论其实就是建模过程.還有在计算天体质量时，新教材明确提出：能用“称量”地球质量的方法“称量”太阳吗？怎样才能得到太阳的质量？将思考的方向直接指向物理模型的建立.又例如，关于宇宙速度的求解，新教材将其表述为：“我们可以从运动和受力分析入手，用万有引力定律和牛顿第二定律进行求解.”启发学生先进行运动和受力分析.在学生分析之后，指出“物体在地球附近绕地球运动时，太阳的作用可以忽略”，对忽略次要因素作了示范.

1.3 科学探究

开普勒为什么会将行星做匀速圆周运动的观念修改成为做椭圆运动？教材在“科学漫步”中介绍：在开普勒对火星轨道的研究中，70余次尝试所得的结果都与第谷的观测数据有至少8′的角度偏差.是第谷测量错了吗？开普勒对第谷数据的精确性深信不疑.他想，这不容忽视的 8′也许是因行星的运动并非匀速圆周运动而导致，体现了“证据、解释”这一科学探究素养.

又例如，在“发现未知天体”中，新教材在叙述根据万有引力定律计算出来的轨道与实际观测的结果总有一些偏差后写道“是以前的天文观测数据不准确？是万有引力定律的准确性有问题？是天王星轨道外面还有一颗未发现的行星？……”体现了“问题”这一科学探究素养.

1.4 科学态度与责任

新教材在“人造地球卫星”中新增：1970 年 4 月 24 日，我国第一颗人造地球卫星“东方红 1 号” 发射成功，开创了中国航天史的新纪元.为我国航天事业 作出特殊贡献的科学家钱学森被誉为“中国航天之父”;在“载人航天与太空探索”中新增：除了载人航天工程，我国还在许多方面进行着太空探索.2013 年 6 月，神舟十号分别完成与天宫一号空间站的手动和自动交会对接;2016 年 10 月 19 日，神舟十一号完成与天宫二号空间站的自动交会对接.2017 年4 月 20 日，我国又发射了货运飞船天舟一号，入轨后与天宫二号空间站进行自动交会对接、自主快速交会对接等 3 次交会对接及多项实验.在科学漫步“宇宙的起源与演化”中提出：宇宙有没有边界？有没有起始和终结？地外文明在哪里？……爱因斯坦曾经说过：“一个人最完美和最强烈的情感来自面对不解之谜.”你想加入探究宇宙之谜的行列吗？这些内容有助于增强学生的爱国情感，落实“科学态度与责任”这一素养.

课时安排建议

第1节 行星的运动 1课时

第2节 万有引力定律 1课时

第3节 万有引力理论的成就 1课时

第 4节 宇宙航行 1课时

第 5节 相对论时空观与牛顿力学的局限性1课时

2 具体说明

2.1 第1节“行星的运动”是万有引力定律学习的基础

本节内容先从运动学的角度描述天体的运动，先介绍托勒密的地心宇宙学说，再介绍哥白尼的太阳中心学说，然后提出开普勒的行星运动定律.这一顺序比较符合学生认知发展的规律.本节内容包含十分丰富的科学史料，有助于学生感受科学家求真、求简的科学思想方法.

2.2 第2节“万有引力定律”是本章的重要内容，是极好的科学探究素材

本教材将原教材中的“太阳与行星间的引力”与“万有引力定律”这两节合为一节，从问题的提出、科学家们的思考、依据牛顿运动定律和开普勒行星运动定律进行的推导、进一步的假设与推理、结论的得出、检验论证等，成为一个比较完整的探究过程.原教材在“太阳与行星间的引力”这节内容的叙述时，先是叙述了万有引力大小（公式）的推导过程，后补充说明“太阳与行星间的引力的方向沿着两者的连线”.新教材在“行星与太阳间的引力”这部分内容叙述时，先是构建了行星绕太阳做匀速圆周运动模型，根据学生已有的基础，先确定力的方向，然后再推导万有引力大小的表达式，使叙述顺序更加符合学生的认知发展.

新教材中“在引力的存在与性质上，行星和太阳的地位完全相当，因此，行星与太阳的引力也应与太阳的质量 m太 成正比”这段话说明在万有引力的推导过程中也需要合理的假设，正是存在假设的成份，这一表达式的正确性需要不断得到检验.牛顿在1665年到1666年进行的“月—地检验”是一种检验，卡文迪许对引力常量的测定更是对万有引力定律的检验.

2.3 第3节是“万有引力理论的成就”

本节主要是应用规律解决实际问题，问题的成功解决从另一个角度说明万有引力定律经受了更多的检验.也说明万有引力定律的巨大价值，认识科学定律对人类探索未知世界的作用.牛顿发现的万有引力定律，是在其后百多年间，由于不断被科学实验所证实，才逐渐得到普遍承认.

新教材将原来的小标题“科学真是迷人”改为“称量地球的质量”，既合文意，又与其它小标题协调一致.而其要解决的问题是怎样“称量”地球的质量？这对于学生来说既是一个具有挑战性的问题，也是一个学生运用所学的知识和方法可以解决的实际问题，新教材着力通过问题引导让学生完成模型建构和问题解决.

计算天体的质量的思路与前面计算地球质量的思路不同，它是综合万有引力定律与牛顿第二定律解决问题.新教材通过问题：能用“称量”地球质量的方法“稱量”太阳吗？怎样才能得到太阳的质量？引导学生自主探究.

预见并发现未知行星，是万有引力理论威力和价值的最生动例证.虽然学生无法进行定量计算，新教材通过问题：是天文观测数据不准确？是万有引力定律的准确性有问题？ 是天王星轨道外面还有一颗未发现的行星？ ……引导学生思考和进行定性分析.

2.4 第4节“宇宙航行”是航天方面的重要知识

本节体现了万有引力定律的重大成就——万有引力理论使人类实现了“飞天”梦想.新教材增加了人类对太空探索和中国在载人航天和宇宙探索方面的成就与进展介绍.

教材把第一宇宙速度放在比第二宇宙速度和第三宇宙速度更加重要的位置，因为它是培养学生科学思维的一个载体.多大的发射速度才能成为人造地球卫星？这个牛顿的思考，新教材通过“我们可以从运动和受力分析入手，用万有引力定律和牛顿第二定律进行求解”引导学生建立模型，进行推理得出结论.

本教材新增“人造地球卫星”这一小标题，既考虑到我们已经处于人造地球卫星数量、类型和技术迅猛发展、人造地球卫星与人的生活联系日益紧密的时代，又考虑到人造地球卫星的进一步讨论既是第一宇宙速度的延伸，也是物理知识的综合运用.

2.5 第5节“相对论时空观与牛顿力学的局限性”

本节重点是“相对论时空观”和“牛顿力学的成就与局限性”.

高速世界的物理规律是学生陌生并很难想象的.新教材先通过问题“设想人类可以利用飞船以 0.2c 的速度进行星际航行.若飞船向正前方的某一星球发射一束激光，该星球上的观察者测量到的激光的速度是多少？”让学生认识到依据速度合成规则推导得到的结论与“世界上最快的速度是光速”产生了矛盾，为接受相对论打开了一条“缝”.

没有生活经验的支撑，要使学生接受相对论的基本观点唯一的路径是运用推理的力量.新教材创设的情景“假设一列火车沿平直轨道飞快地匀速行驶.车厢中央的光源发出了一个闪光，闪光照到了车厢的前壁和后壁”和“闪光是否同时到达前后两壁”的问题，意在引导学生运用分析、推理的力量来得到结论.

新教材在“牛顿力学的成就与局限性”这一小标题下叙述了下列几方面的内容：万有引力定律的建立与应用确立了人们对牛顿力学的尊敬.从地面上物体的运动到天体的运动，牛顿力学在如此广阔的领域里与实际相符合，显示了牛顿运动定律的正确性和牛顿力学的魅力.物体在以接近光速运动时的规律和微观世界中的电子、质子、中子等的运动规律虽然在很多情况下不能用牛顿力学来说明，然而基于实验检验的牛顿力学并没有被新的科学成就所否定，而是作为某些条件下的特殊情形，被包括在新的科学成就之中.

新教材在科学漫步“宇宙的起源和演化”中设置了一个看似理所当然的结论：宇宙中星系之间存在引力，随着时间的推移，它们应会互相靠拢.它与实际观测相符吗？由此引出宇宙的起源与演化的问题，并在科学漫步“恒星的演化”中介绍恒星的演化和黑洞的简单知识.

（收稿日期：2019-08-15）