[教学设计]人教版 必修二 第六章 第1节 行星的运动

权所有：安徽省舒城中学吕贤年1行星的运动教材分析这节内容对学生来说是抽象的、陌生的，甚至无法去感知。对天体的运动充满好奇又觉得非常神秘而不易理解。所以本节课去引导学生了解人们对星体运动认识的发展过程，从“日心说”和“地心说”的内容到其两者之间的争论，从第谷的精心观测到开普勒的数学运算，在学生整体感知的过程中引导学生体会这些大师们的思路、方法及他们的一丝不苟的科学精神，并激发他们热爱科学、探索真理的求知热情。本节内容包括“地心说”“日心说”的内容及争论的焦点、开普勒定律三大定律的内容等知识点。在小学和初中，学生对星体的运动已经有了一点感性的认识，但认识不深入不系统。在这个基础上，通过物理学史的讲解，使学生了解人类对行星运动规律的认识过程。然后，通过开普勒行星运动定律的讲解，使学生知道行星是如何运动的，为下节课探究行星为何这样运动打下基础。学情分析在学习本节课之前，学生通过小学初中的学习，以及通过观赏科幻电影，对探索宇宙的奥秘建立了一定的兴趣。这对本节课的学习有一定的帮助。但，学生对宇宙的认识有一部分来自科幻电影，这很有可能导致学生对宇宙的认识有些偏差。这对本节课的学习有一定的不利影响。设计思路本节课的学习内容，是学习万有引力定律及天体运动问题的基础和前提。开普勒的行星运动定律是本节课的中心内容，围绕这个中心内容，所展开的是人类对天体运动认识的艰难历程，这正是对学生进行物理史、科学史教育的契机。通过对历史的了解培养学生的历史唯物主义观点、辩证唯物注意观点，激发学生不迷信权威，不迷信教条的创新精神，树立献身科学的决心和信心是这节课的教学重点。因此，激趣及展现科学家独特的思维方式及推理方法是本设计的中心。三维目标知识与技能1知道地心说和日心说的基本内容；2知道所有行星绕太阳运动的轨道都是椭圆，太阳处在椭圆的一个焦点上；3知道所有行星的轨道的半长轴的三次方跟它的公转周期的二次方的比值都相等，且这个比值与行星的质量无关，但与太阳的质量有关；4理解人们对行星运动的认识过程是漫长复杂的，真理是来之不易的。过程与方法通过托勒密、哥白尼、第谷布拉赫、开普勒等几位科学家对行星运动的不同认识，了解人类认识事物本质的曲折性并加深对行星运动的理解。情感、态度与价值观1澄清对天体运动裨秘、模糊的认识，掌握人类认识自然规律的科学方法；2感悟科学是人类进步不竭的动力。教学重点理解和掌握开普勒行星运动定律，认识行星的运动。教学难点对开普勒行星运动定律的理解和应用，通过本节的学习可以澄清人们对天体运动神秘、模糊的认识。教学方法探究、讲授、讨论、练习教具准备多媒体课件教学过程新课导入多媒体演示：天体运动的图片浏览。在浩瀚的宇宙中有无数大小不一、形态各异的天体，如月亮、地球、太阳、夜空中的星星由这些天体组成的广袤无限的宇宙始终是我们渴望了解、不断探索的领域。关于天体的运动，历史上有过不同的看法。中国古代天文学观。我国古代先民看到北极星常年不动，以及北斗七星等拱极星的回转，便以为星空是圆的，就像是一只倒扣着的半球大锅，覆整在大地上，而北极则是这盖天的顶，又认为地是方的，就像一张围棋盘，此即“天圆地方”说。东汉时的天文学家张衡提出“浑天”说，认为天就像一个大鸡蛋，地球就是其中的蛋黄。中国古代通常将历法和天文联系在一起。历法注重天体运行的长时间段的重复周期，而不注重天体在三维空间中的运行情况，与古希腊人和中世纪的欧洲人不同，中国历法家很少关心宇宙结构方面的讨论。在汉朝的大部分时期，人们满足于这样的假设：有人居住的世界是一小块中心区域，靠近平面大地中央，这个平面大地是一个绕着倾斜的轴旋转的天球的直径面，天体在该天球的内面移动，但它们靠何种机制来进行这种运动则没有讨论。中国古代有丰富的天文记录。公元前第二个千年的后期，甲骨文中已记载了新星现象，从约公元苗200年开始，在官方文件中已有关于新星的连年记载，还有流星雨、彗星、日食、太阳黑子以及异乎寻常的云、板光之类的记载，或对蕾星的跟踪观测的记录。这些现象的观测者都使用了制作精良的大型浑天仪和其他刻度仪器，所观测的天体位置，其精确程度毫不逊色于欧洲在第谷之前的观测。在广袤无垠的宇宙中有着无数大小不一、形态各异的天体，如太阳、月亮、夜空中闪烁的星星吸引了人们的注意，智麓的头脑开始探索天体运动的奥秘，它们的运动是靠神的支配，还是物理规律的约束？经过不懈的努力，科学家们对它已有初步的了解，这一节让我们循着前人的足迹学习行星运动的情况。新课教学权所有：安徽省舒城中学一、“地心说”和“日心说”【思考讨论】古人对天体运动存在哪些看法？（“地心说”和“日心说”）什么是“地心说”？什么是“日心说”？1地心说认为地球是宇宙的中心，是静止不动的，大阳、月亮以及其他行星都绕地球运动。“地心说”的代表人物：托勒密（古希腊）。“地心说”符合人们的直接经验，同时也符合势力强大的宗教神学关于地球是宇宙中心的认识，故地心说一度占据了统治地位。2日心说认为太阳是静止不动的，地球和其他行星都绕太阳运动。“日心说”代表人物：哥白尼，“日心说”能更完美地解释天体的运动。“日心说”战胜了“地心说”，最终真理战胜了谬误，请同学们阅读第30页人类对行星运动规律的认识。无论地心说还是日心说，古人都把天体的运动看得很神圣，认为天体的运动必然是最完美、最和谐的匀速圆周运动。德国天文学家开普勒用了20年的时间研究了丹麦天文学家第谷（TychoBrahe，15461601）的行星观测记录，发现如果行星的运动是匀速圆周运动，计算所得的数据与观测数据不符。只有假设行星绕太阳运动的轨道不是圆，而是椭圆，才能解释这种差别。他还发现了行星运动的其他规律。开普勒分别于1609年和1619年发表了他发现的下列规律，后人称为开普勒行星运动定律。【交流与讨论】找出“地心说”遭遇的尴尬和“日心说的成功之处？地心说所描述的天体的运动不仅复杂而且问题很多，如果把地球从天体运动的中心位置移到一个普通的、绕太阳运动的位置，换一个角度来考虑天体的运动，许多问题都可以解决，行星运动的描述也变得筒单了。二、开普勒行星运动定律【做一做】用图钉和细绳画椭圆可以用一条细绳和两图钉来画椭圆，如图所示，把白纸镐在木板上，然后按上图钉，把细绳的两端系在图钉上，用一枝铅笔紧贴着细绳滑动，使绳始终保持张紧状态，铅笔在纸上画出的轨迹就是椭圆，图钉在纸上留下的痕迹叫做椭圆的焦点。想一想：椭圆上某点到两个焦点的距离之和与椭圆上另一点到两个焦点的距寓之和有什么关系？【交流与讨论】阅读教材第二段到最后，并阅读第30页人类对行星运动规律的认识，展示以下问题：古人认为天体做什么运动？古人把天体的运动看得十分神圣，他们认为天体的运动不同于地面物体的运动，天体做的是最完美、最和谐的匀逮圆周运动。开普勒认为行星做什么样的运动？他是怎样得出这一结论的？开普勒认为行星做椭圆运动，他发现假设行星做匀逮圆周运动，计算所得的数据与观测数据不符，只有认为行星做椭圆运动，才能解释这一差别。开普勒行星运动定律哪几个方面描述了行星绕太阳运动的规律？具体表述是什么？开普勒行星运动定律从行星运动轨道，行星运动的线速度变化，轨道与周期的关系三个方面揭示了行星运动的规律。1开普勒第一定律FF行星太阳行星运动的轨道不是正圆，行星与太阳的距离一直在变。有时远离太阳，有时靠近太阳。它的速度的大小、方向时刻在改变。所有行星绕太阳运动的轨道都是椭圆，太阳处在椭圆的一个焦点上。这一定律说明了行星运动轨迹的形状。所以第一定律又称轨道定律。有了轨道我们就知道行星在运动时可能出现的位置。不同的行星绕大阳运行时椭圆轨道不同。2开普勒第二定律对任意一个行星来说，它与太阳的连线在相等时间内扫过相等的面积。如图所示，行星沿着椭圆轨道运行，太阳位于椭圆的一个焦点上，如果时间间隔相等，即t2t1t4t3，那么面积A面积B。F行星太阳Ft1t2t3t4AB由于行星运动的轨道不是圆，行星与太阳的距离就在不断变化。这个定律告诉我们，当它与太阳比较近时，运行的速度比较快，而离太阳较远时速度较慢。由此可见，行星在远日点a的速率最小，在近日点b的速率最大。第二定律又称面积定律，结合轨道定律与面积定律，就能知道行星出现的位置和在该位置行星运动的快慢。3开普勒第三定律所有行星的椭圆轨道的半长轴的三次方跟公转周期的平方的比值都相等。用a代表椭圆轨道的半长轴，T代表公转周期，开普勒第三定律告诉我们FF行星太阳a比值k是一个对所有行星都相同的常量，只与太阳有关。第三定律又称周期定律。实际上，多数大行星的轨道与圆十分接近，所以在中学阶段的研究中能够按圆处理。这样就可以说：1多数大行星绕太阳运动的轨道十分接近圆，太阳处在圆心；2对某一行星来说，它绕太阳做圆周运动的角速度（或线速度大小）不变，即行星做匀速圆周运动；3所有行星轨道半径的三次方跟它的公转周期的二次方的比值都相等。开普勒关于行星运动的描述为万有引力定律的发现奠定了基础。给出太阳系八大行星及冥王星的平均轨道半径和周期的数值，供学生课后验证。【思考与讨论】这一定律发现了所有行星的轨道的半长轴与公转周期之间的定量关系，但是比值k是一个与行星无关的常量，那么你能猜想出它可能跟谁有关吗？提示：根据开普勒第三定律知：所有行星绕太阳运动的半长轴的三次方跟公转周期二次方的比值是一个常数k，可以猜想，这个“k”一定与运动系统的物体有关。因为常数k对于所有行星都相同，而各行星是不一样的，故跟行星无关，而在运动系中除了行星就是中心天体太阳，故这一常数“k一定与中心天体太阳有关。（通过后面的学习将知道k值与太阳质量的关系）。说明：（1）开普勘定律不仅适用于行星绕大阳运动，也适用于卫星绕着地球转，不过比例式中的k是不同的，与中心天体有关。（2）开普勒定律是总结行星运动的现察结果而总结归纳出来的规律。它们每一条都是经验定律，都是从行星运动所取得的资料中总结出来的规律。开普勒定律只涉及运动学、几何学方面的内容。（3）由于行星的椭圆轨道都跟圆近似，在近似计算中，可以认为，行星都以太阳为圆心做匀速圆周运动。在这种情况下，若用R代表轨道半径，T代表公转周期，开普勒第三定律可以用下面的公式表示：（4）开普勒关于行星运动的确切描述，不仅使人们在解决行星的运动学问题上有了依据，更澄清了人们对天体运动神秘、模糊的认识，同时也推动了对天体动力学问题的研究。【课堂探究】（1）播放行星绕椭圆轨道运动的课件，使学生对行星的运动有一个简单的感性认识。（2）出示行星轨道图，使学生对多数行星的轨道与圆十分接近有一个感性认识。【课堂训练】（1）下列说法正确的是（）A地球是宇宙的中心，太阳、月亮及其他行星都绕地球运动B太阳是宇宙的中心，所有天体都绕太阳运动C太阳是静止不动的，地球和其他行星都绕太阳运动D“地心说”和哥白尼提出的“日心说”现在看来都是不正确的参考答案：D 分析：“地心说”是错误的，所以A不正确太阳系在银河系中运动，银河系也在运动，所以，B、C不正确，D正确。（2）已知木垦绕太阳公转的周期是地球绕太阳公转周期的12倍则木星绕太阳公转轨道的半长轴为地球公转轨道半长轴的（）倍。参考答案：5.24小结通过本节课的学习，我们了解“地心说”和“日心说”两种不同的观点及发展的过程。知道了行星运动遵循的规律开普勒行星运动定律。开普勒第一定律给出了行星运动可能出现的位置，开普勒第二定律给出了行星在轨道上运动的快慢情况，如果观测到了某行星在某时刻的初位置，结合第二定律可预测下一时刻出现的位置。开普勒第三定律则揭示了各行星运动的内存联系，行星运动的轨迹及物理量之间的定量关系。布置作业教材第33页“问题与练习”。板书设计：1行星的运动一、“地心说”和“日心说”1地心说认为地球是宇宙的中心，是静止不动的，大阳、月亮以及其他行星都绕地球运动。2日心说认为太阳是静止不动的，地球和其他行星都绕太阳运动。二、开普勒行星运动定律1开普勒第一定律所有行星绕太阳运动的轨道都是椭圆，太阳处在椭圆的一个焦点上。2开普勒第二定律对任意一个行星来说，它与太阳的连线在相等时间内扫过相等的面积。3开普勒第三定律所有行星的椭圆轨道的半长轴的三次方跟公转周期的平方的比值都相等。说明：（1）开普勘定律不仅适用于行星绕大阳运动，也适用于卫星绕着地球转，不过比例式中的k是不同的，与中心天体有关。（2）开普勒定律是总结行星运动的现察结果而总结归纳出来的规律。它们每一条都是经验定律，都是从行星运动所取得的资料中总结出来的规律。开普勒定律只涉及运动学、几何学方面的内容。（3）由于行星的椭圆轨道都跟圆近似，在近似计算中，可以认为，行星都以太阳为圆心做匀速圆周运动。在这种情况下，若用R代表轨道半径，T代表公转周期，开普勒第三定律可以用下面的公式表示：（4）开普勒关于行星运动的确切描述，不仅使人们在解决行星的运动学问题上有了依据，更澄清了人们对天体运动神秘、模糊的认识，同时也推动了对天体动力学问题的研究。科学足迹人类对行星运动规律的认识托勒密：地心宇宙 当我们远古的祖先惊叹星空的玄妙时，他们就开始试图破译日月星辰等天文现象的奥秘那时，多数人都自然地认为，地球是静止不动的，太阳、月亮和星星从头上飞过，地球是宇宙的中心。我们的祖先发现，尽管所有星辰每日都要东升西落，但绝大多数星星的相互位置都几乎是固定的，几百年内不会发生肉眼可见的变化，它们是“恒星”。然而，水星、金星、火星、木星、土星这五颗亮星则在众星的背景前移动，有的在几个星期中就能发现它的位置变化，所以它们叫做“行星”。细心的观察表明，行星并非总向一个方向移动。大多数时间它由西向东相对于恒星移动，但有时却要停下来，然后向西移动一段时间，随后又向东移动，这个现象叫做行星的逆行（图7.1-4）。为了解释行星的逆行，希腊人提出一个理论。这个理论认为每个行星都沿着圆运动，这个圆叫做“本轮”，同时本轮的圆心又环绕着地球沿一个叫做均轮的大圆运动（图7.1-5）。这个理论在公元2世纪，由伟大的古代天文学家托勒密（Claudius Ptolemy，约90168）完善而成。它可以解释行星的逆行。值得指出的是，一个本轮与一个均轮还不能十分准确地解释行星的运动。为了与观察结果更好地符合，每个行星需要不止一个本轮，总数达80多个“轮上轮”，并且还要引入“偏心点”和“偏心等距点”等复杂概念。这就使它缺少简洁性，而简洁性正是科学家们所追求的。哥白尼：拦住了太阳，推动了地球 公元1543年，波兰的一位长者哥白尼（NicolausCopernicus,1473-1543）临终前在病榻上为其毕生致力的著作天体运行论印出的第一本书签上了自己的姓名。这部书预示了地心宇宙论的终结。此前一个世纪，文艺复兴带来的思想与艺术的繁荣在意大利萌发并已扩展到全欧洲。哥白尼坚信宇宙与自然是美的，而美的东西一定是简单与和谐的。托勒密的宇宙图景与他的信念不一致。另一方面，文艺复兴解脱了束缚人们头脑的枷锁，哥白尼采取了比前人更广阔的视角来洞察自然。就像那个时期艺术家们的眼光超越了宗教艺术、哥伦布的眼光超越了欧洲一样，哥白尼的眼光超越了地球。他把地球看成空间的一个物体，一个与其他天体相似的物体。这个观念是如此开放，以至在他面前，地球中心宇宙观显得那么狭隘和偏执。哥白尼提出，行星和地球绕太阳做匀速圆周运动，只有月亮环绕地球运行。由于地球的自转，我们看到了太阳、月亮和众星每天由东向西的运动。这个理论也解释了行星逆行等许多现象。于是，他动情地写道：“太阳在宇宙正中坐在其宝座上。在这壮丽的神殿里，有谁能将这个发光体放在一个更好的位置上以让它同时普照全宇宙？于是我们在这样的安排中找到了这个世界美妙的和谐”到了17世纪初，地心宇宙论棺木上的最后一颗钉子敲下了。伽利略发明了望远镜。1609年，他发现了围绕木星转动的“月球”，进一步表明地球不是所有天体运动的中心。至于是什么维持地球运动、空中的飞鸟和浮云为什么不落在后面等问题，直到伽利略和牛顿提出关于运动的新观念之后，才得到合理的解释。哥白尼使人类来到了牛顿物理学的门前。第谷布拉赫：天才观测家 哥白尼去世后三年，第谷布拉赫在丹麦出生了。他把全身心都投入到行星位置的测量中。在他以前，人们测量天体位置的误差大约是10，第谷把这个不确定性减小到2。他的观测结果为哥白尼的学说提供了关键性的支持。1600年，出生于德国的开普勒开始与第谷一起工作，他善于从理论上思考问题。为了完成他构建理论宇宙学的追求，开普勒需要第谷的观测数据。第谷为了把他的数据组织成有用的形式，需要开普勒的数学天才。18个月后，第谷去世了。开普勒以全部精力整理第谷的观测数据，企望求得行星运动轨道的最准确的描述。开普勒：真理超出期望 开普勒相信哥白尼的学说，所以开始时他按行星绕太阳做匀速圆周运动的观点来思考问题。在他对火星轨道的研究中，七十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也许正是因为行星的运动并非匀速圆周运动。至此，人们长期以来视为真理的观念天体在做“完美的”匀速圆周运动，第一次受到了怀疑。此后，他经过多年的尝试性计算，终于发现并先后于1609年和1619年发表了行星运动的三个定律。为此开普勒曾欣喜若狂地说：“十六年了我终于走向光明，认识到的真理远超出我的热切期望。”的确，把几千个数据归纳成如此简洁的几句话，这是极为杰出的成就。开普勒享受了科学探究的乐趣，享受了人生的满足，他的心境表现在自撰的墓志铭中。不过，开普勒并不知道，他所发现的三个定律还蕴涵着极其重大的“天机”，那就是万有引力的规律。开普勒观念的基础是日心说。从表面上看，日心说与地心说不过是参考系的改变。其实，这是一次真正的科学革命，因为它使人们的世界观发生了重大变革。宇宙中心的转变暗示了宇宙可能根本没有中心！这种观念的变革，在哥白尼那里还是隐含的，意大利学者布鲁诺（Giordano Bruno，15481600）将它公开说了出来，为此被宗教裁判所烧死在罗马的鲜花广场，为科学付出了生命的代价。“地心说”和“日心说”的发展过程在浩瀚的宇宙中，存在着无数大小不一、形态各异的星球，而这些天体是如何运动的呢？在古代，人类最初通过直接的感性认识，建立了“地心说”的观点，认为地球是静止不动的，而太阳和月亮绕地球转动。因为“地心说”比较符合人们的日常经验，太阳总是从东边升起，从西边落下，好像太阳绕地球转动。正好，“地心说”的观点也符合宗教神学关于地球是宇宙中心的说法，所以“地心说”统治了人们很长时间。但是随着人们对天体运动的不断研究，发现“地心说”所描述的天体的运动不仅复杂而且问题很多。如果把地球从天体运动的中心位置移到一个普通的、绕太阳运动的行星的位置，换一个角度来考虑天体的运动，许多问题都可以解决，行星运动的描述也变得简单了。随着世界航海事业的发展，人们希望借助星星的位置为船队导航，因而对行星的运动观测越来越精确。再加上第谷等科学家经过长期观测及记录的大量的观测数据，用托勒密的“地心说”模型很难得出完美的解答。当时，哥伦布和麦哲伦的探险航行已经使不少人相信地球并不是一个平台，而是一个球体，哥白尼就开始推测是不是地球每天围绕自己的轴线旋转一周呢？他假设地球并不是宇宙的中心，它与其他行星都是围绕着太阳做匀速圆周运动，这就是“日心说”的模型。用“日心说”能较好地和观测的数据相符合，但它的思想几乎在一个世纪中被忽略，很晚才被人们接受。原因有：(1)“日心说”只是一个假设。利用这个“假设”，行星运动的计算比“地心说”容易得多。但著作中有很不精确的数据。根据这些数据得出的结果不能很好地跟行星位置的观测结果相符合。(2)当时的欧洲的统治者还是教会，把哥白尼的学说称为“异端学说”，因为它不符合教会的利益。致使这个正确的观点被推迟一个世纪才被人们所接受。德国的物理学家开普勒继承和总结了他的导师第谷的全部观测资料及观测数据，也是以行星绕太阳做匀速圆周运动的模型来思考和计算的，但结果总是与第谷的观测数据有8的角度误差。当时公认的第谷的观测误差不超过2。开普勒想，很可能不是匀速圆周运动。在这个大胆思路下，开普勒又经过四年多的刻苦计算，先后否定了19种设想，最后终于计算出行星是绕太阳运动的，并且运动轨迹为椭圆，证明了哥白尼的“日心说”是正确的。并总结为行星运动三定律。同学们，前人的这种对问题的一丝不苟、孜孜以求的精神值得大家学习。我们对待学习更应该是脚踏实地，认认真真，不放过一点疑问，要有热爱科学、探索真理的热情及坚强的品质，来实现你的人生价值。版权所有：安徽省舒城中学吕贤年8 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