第七章《万有引力与宇宙航行》学习活动设计一：行星是怎样运动的？（word版教案）
文档属性
| 名称 | 第七章《万有引力与宇宙航行》学习活动设计一：行星是怎样运动的？（word版教案） |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 964.0KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2022-06-10 13:10:06 | ||
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文档简介
第七章《万有引力与宇宙航行》学习活动设计一：行星是怎样运动的？
【课前准备】绘制椭圆实验器材：木板、白纸、细长绳、图钉。
【任务情景】
不同行星都在各自的轨道上绕太阳运行，行星运行的轨道有怎样的特点？满足什么运行规律？
【学习任务一】人类对行星运动规律的认识
提问1：人类对行星运动规律的认识是一个漫长的过程，历史上有着不同的观点，你了解吗？请同学们来说一说，也可参阅教材第一自然段。
学生回答：地心说认为地球静止不动，太阳、月球以及其他天体都围绕地球运动。日心说认为太阳静止不动，地球和其他天体都围绕着太阳运动。
教师：两种学说争论的焦点是“谁是宇宙的中心”。
提问2：地心说与日心说都认为天体绕着“宇宙的中心”做什么运动呢？细心的观察发现了行星运动的什么现象？
教师：请同学们阅读教材《科学漫步》前两部分，详细了解，并思考问题。
学生回答1：地心说和日心说都认为天体在做匀速圆周运动。
学生回答2：细心的观察发现了“行星的逆行”现象，行星并非总向一个方向移动。
追问：哪种学说能更好地解释“行星的逆行”现象？
学生回答：日心说。
教师：两种学说都认为天体的运动是最完美、最和谐的匀速圆周运动，日心说相对于地心说更能简洁地解释天体运动。但行星运动果真如此吗？请同学们阅读教材《科学漫步》后两部分，并思考如下问题。
提问3：开普勒对火星轨道的研究结果与第谷的观测数据至少8′的偏差如何解释？总结出了什么规律？
学生活动：学生阅读《科学漫步》，并思考问题。
学生回答1：开普勒认为8′的偏差是因为行星的运动并非是匀速圆周运动。
学生回答2：开普勒经过多年尝试性计算，总结出了行星运动的三个定律。
教师总结：在漫长的认识历程中，科学家运用了观察法、假说法，通过构建物理理想化模型，尝试对天文现象予以解释，同学们应该学习科学家不畏艰辛、几十年如一日刻苦钻研的科学精神和严谨科学态度，不断深入探索未知世界。
【学习任务二】开普勒行星运动定律
教师：开普勒认为行星的运动并非匀速圆周运动，轨道不是圆，那行星的轨道是什么样的？请同学们阅读教材开普勒第一定律。
学生活动：学生阅读教材，了解开普勒第一定律。
学生回答：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。
教师：那么，什么是椭圆呢？请同学们按照教材做一做，自己绘制一个椭圆。
学生活动：用一条细绳和两只图钉来画椭圆。
教师活动：介绍椭圆焦点、长轴、半长轴、短轴、半短轴概念。
请学生展示所画椭圆，标识焦点、半长轴、太阳和地球。
学生活动：学生标识后，展示所画椭圆。
教师活动：给出行星实际轨道图，与学生所画椭圆进行对比。
教师：行星绕太阳运行的轨道是椭圆，不是圆周。那么，行星的速度大小变化吗？这需要结合开普勒第二定律研究。请同学们阅读教材开普勒第二定律，并将开普勒第二定律的内容用图示的形式标在刚才画出的椭圆上。
学生活动：在所画椭圆上标识出开普勒第二定律的相关内容。
提问：请同学们根据开普勒第二定律判断行星运动的速度大小在各点相同吗？若不相同，在哪个位置速度大，哪个位置速度小？
学生活动：学生思考、讨论交流。
学生回答：速度不相同，近日点速度大。分析过程如下：
近日点a和远日点b附近取极短相等时间，可认为内速率不变。利用扇形面积公式，有。因为，所以，即近日点速度大，远日点速度小。
教师：某一个行星与太阳的距离远近是变化的，不同行星与太阳的距离也有很大不同，行星绕太阳运行的周期与距离太阳的远近是否存在某种关系？
教师：教师PPT展示如下数据，请同学们分析数据，找到半长轴与周期间关系。
学生活动：观察数据，分析数据，并互相交流讨论。
学生回答：半长轴立方和周期平方最为接近。
教师活动：通过Excel表格计算出，鼓励学生自己总结出开普勒第三定律。
学生回答：开普勒第三定律——所有行星轨道的半长轴的三次方跟它的公转周期的二次方的比都相等。
教师：开普勒第三定律告诉我们，离太阳越远的行星，运动的周期越长。表达式可写成，其中k是一个对所有行星都相同的常量，说明k取决于太阳，与行星无关。开普勒把行星运动的复杂数据归纳成三条简洁定律，这是极为杰出的成就。请同学们在自己所画的椭圆图上标出半长轴与周期的关系式。
学生活动：在所画椭圆上标记开普勒第三定律的表达式。
教师活动：投影展示学生成果。
【学习任务三】行星的轨道是椭圆，我们如何研究呢？
教师：投影展示不同学生所画椭圆，引导学生发现椭圆的“胖”和“瘦”，而非“大”和“小”。
设疑：怎样可以让自己所画椭圆更“胖”一些呢？
学生活动：学生小组讨论，并尝试画更“胖”一些的椭圆，同时交流经验。
学生回答： 在绘制椭圆的过程中，保持绳长不变，当两焦点不断靠近时，椭圆就越来越“胖”了。
提问1：若两焦点趋近重合时，形状如何变化？焦点重合时，半长轴转变为什么？
学生回答：椭圆形状逐渐趋近为圆，当焦点重合时，半长轴变为圆的半径。
教师：实际上，行星的椭圆轨道与圆十分接近，因此在中学阶段可按圆轨道处理。
提问2：请思考与讨论，这种情况下行星做什么运动？开普勒第三定律的表达式又怎样理解呢？
学生回答：行星绕太阳做匀速圆周运动，所有行星轨道半径r 的三次方跟它的公转周期T的二次方的比值都相等，即。
其实，本节课前面所给的行星轨道半长轴数据，有些也只是行星与太阳间的平均距离，就是因为行星的轨道与圆十分接近。虽然有些不是半长轴，但这并不足以影响我们对问题的研究。
【学习小结】
1.了解行星运动规律的发现历程。
2.理解并掌握开普勒行星运动定律。
3.知道中学阶段行星运动规律的近似处理。
【学习评价自测】
1.火星和木星沿各自的椭圆轨道绕太阳运行，根据开普勒行星运动定律可知（ ）
A．太阳位于木星运行轨道的中心
B．火星和木星绕太阳运行速度的大小始终相等
C．火星与木星公转周期之比的平方等于它们轨道半长轴之比的立方
D．相同时间内，火星与太阳连线扫过的面积等于木星与太阳连线扫过的面积
解析：C。
2.地球公转轨道的半径在天文学上常用来作为长度单位，叫作天文单位，用来量度太阳系内天体与太阳的距离。（这只是个粗略的说法。在天文学中，“天文单位”有严格的定义，用符号AU表示。）已知火星公转的轨道半径是1.5AU，根据开普勒第三定律，火星公转的周期是多少个地球日？
解析：根据开普勒第三定律，地球公转周期T1=365天、r2:r1=1.5，可得火星公转周期T2=670天（实际火星公转周期686.98天）。
【课前准备】绘制椭圆实验器材：木板、白纸、细长绳、图钉。
【任务情景】
不同行星都在各自的轨道上绕太阳运行，行星运行的轨道有怎样的特点？满足什么运行规律？
【学习任务一】人类对行星运动规律的认识
提问1：人类对行星运动规律的认识是一个漫长的过程，历史上有着不同的观点，你了解吗？请同学们来说一说，也可参阅教材第一自然段。
学生回答：地心说认为地球静止不动，太阳、月球以及其他天体都围绕地球运动。日心说认为太阳静止不动，地球和其他天体都围绕着太阳运动。
教师：两种学说争论的焦点是“谁是宇宙的中心”。
提问2：地心说与日心说都认为天体绕着“宇宙的中心”做什么运动呢？细心的观察发现了行星运动的什么现象？
教师：请同学们阅读教材《科学漫步》前两部分，详细了解，并思考问题。
学生回答1：地心说和日心说都认为天体在做匀速圆周运动。
学生回答2：细心的观察发现了“行星的逆行”现象，行星并非总向一个方向移动。
追问：哪种学说能更好地解释“行星的逆行”现象？
学生回答：日心说。
教师：两种学说都认为天体的运动是最完美、最和谐的匀速圆周运动，日心说相对于地心说更能简洁地解释天体运动。但行星运动果真如此吗？请同学们阅读教材《科学漫步》后两部分，并思考如下问题。
提问3：开普勒对火星轨道的研究结果与第谷的观测数据至少8′的偏差如何解释？总结出了什么规律？
学生活动：学生阅读《科学漫步》，并思考问题。
学生回答1：开普勒认为8′的偏差是因为行星的运动并非是匀速圆周运动。
学生回答2：开普勒经过多年尝试性计算，总结出了行星运动的三个定律。
教师总结：在漫长的认识历程中，科学家运用了观察法、假说法，通过构建物理理想化模型，尝试对天文现象予以解释，同学们应该学习科学家不畏艰辛、几十年如一日刻苦钻研的科学精神和严谨科学态度，不断深入探索未知世界。
【学习任务二】开普勒行星运动定律
教师：开普勒认为行星的运动并非匀速圆周运动，轨道不是圆，那行星的轨道是什么样的？请同学们阅读教材开普勒第一定律。
学生活动：学生阅读教材，了解开普勒第一定律。
学生回答：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。
教师：那么，什么是椭圆呢？请同学们按照教材做一做，自己绘制一个椭圆。
学生活动：用一条细绳和两只图钉来画椭圆。
教师活动：介绍椭圆焦点、长轴、半长轴、短轴、半短轴概念。
请学生展示所画椭圆，标识焦点、半长轴、太阳和地球。
学生活动：学生标识后，展示所画椭圆。
教师活动：给出行星实际轨道图，与学生所画椭圆进行对比。
教师：行星绕太阳运行的轨道是椭圆，不是圆周。那么，行星的速度大小变化吗？这需要结合开普勒第二定律研究。请同学们阅读教材开普勒第二定律，并将开普勒第二定律的内容用图示的形式标在刚才画出的椭圆上。
学生活动：在所画椭圆上标识出开普勒第二定律的相关内容。
提问：请同学们根据开普勒第二定律判断行星运动的速度大小在各点相同吗？若不相同，在哪个位置速度大，哪个位置速度小？
学生活动：学生思考、讨论交流。
学生回答：速度不相同，近日点速度大。分析过程如下：
近日点a和远日点b附近取极短相等时间，可认为内速率不变。利用扇形面积公式，有。因为，所以，即近日点速度大，远日点速度小。
教师：某一个行星与太阳的距离远近是变化的，不同行星与太阳的距离也有很大不同，行星绕太阳运行的周期与距离太阳的远近是否存在某种关系？
教师：教师PPT展示如下数据，请同学们分析数据，找到半长轴与周期间关系。
学生活动：观察数据，分析数据，并互相交流讨论。
学生回答：半长轴立方和周期平方最为接近。
教师活动：通过Excel表格计算出，鼓励学生自己总结出开普勒第三定律。
学生回答：开普勒第三定律——所有行星轨道的半长轴的三次方跟它的公转周期的二次方的比都相等。
教师：开普勒第三定律告诉我们，离太阳越远的行星，运动的周期越长。表达式可写成，其中k是一个对所有行星都相同的常量，说明k取决于太阳，与行星无关。开普勒把行星运动的复杂数据归纳成三条简洁定律，这是极为杰出的成就。请同学们在自己所画的椭圆图上标出半长轴与周期的关系式。
学生活动：在所画椭圆上标记开普勒第三定律的表达式。
教师活动：投影展示学生成果。
【学习任务三】行星的轨道是椭圆，我们如何研究呢？
教师：投影展示不同学生所画椭圆，引导学生发现椭圆的“胖”和“瘦”，而非“大”和“小”。
设疑：怎样可以让自己所画椭圆更“胖”一些呢？
学生活动：学生小组讨论，并尝试画更“胖”一些的椭圆，同时交流经验。
学生回答： 在绘制椭圆的过程中，保持绳长不变，当两焦点不断靠近时，椭圆就越来越“胖”了。
提问1：若两焦点趋近重合时，形状如何变化？焦点重合时，半长轴转变为什么？
学生回答：椭圆形状逐渐趋近为圆，当焦点重合时，半长轴变为圆的半径。
教师：实际上，行星的椭圆轨道与圆十分接近，因此在中学阶段可按圆轨道处理。
提问2：请思考与讨论，这种情况下行星做什么运动？开普勒第三定律的表达式又怎样理解呢？
学生回答：行星绕太阳做匀速圆周运动，所有行星轨道半径r 的三次方跟它的公转周期T的二次方的比值都相等，即。
其实，本节课前面所给的行星轨道半长轴数据，有些也只是行星与太阳间的平均距离，就是因为行星的轨道与圆十分接近。虽然有些不是半长轴，但这并不足以影响我们对问题的研究。
【学习小结】
1.了解行星运动规律的发现历程。
2.理解并掌握开普勒行星运动定律。
3.知道中学阶段行星运动规律的近似处理。
【学习评价自测】
1.火星和木星沿各自的椭圆轨道绕太阳运行，根据开普勒行星运动定律可知（ ）
A．太阳位于木星运行轨道的中心
B．火星和木星绕太阳运行速度的大小始终相等
C．火星与木星公转周期之比的平方等于它们轨道半长轴之比的立方
D．相同时间内，火星与太阳连线扫过的面积等于木星与太阳连线扫过的面积
解析：C。
2.地球公转轨道的半径在天文学上常用来作为长度单位，叫作天文单位，用来量度太阳系内天体与太阳的距离。（这只是个粗略的说法。在天文学中，“天文单位”有严格的定义，用符号AU表示。）已知火星公转的轨道半径是1.5AU，根据开普勒第三定律，火星公转的周期是多少个地球日？
解析：根据开普勒第三定律，地球公转周期T1=365天、r2:r1=1.5，可得火星公转周期T2=670天（实际火星公转周期686.98天）。