【核心素养】7.1 行星的运动-教学设计（表格式）

教学设计
课程基本信息
学科 物理 年级 高一 学期 春季
课题 行星的运动
教学目标
1.物理观念：①树立运动观念，知道地心说和日心说的根本区别是参考系不同；②理解开普勒行星运动三大定律，并能解决实际问题。 2.科学思维：通过了解“地心说”与“日心说”两大学生的发展的历史与碰撞过程，体会人类认识事物本质的复杂性与曲折性。 3.科学探究：通过对托勒密、哥白尼、开普勒等科学家对行星运动的观点与研究过程，体会“观察”、“猜想与假设”、“实验验证”、“结论与推广”这一科学探究的基本思路。 4.科学态度与责任：理解人们对行星运动的认识过程是漫长复杂的，体会真理的来之不易。
教学内容
教学重点： 1.托勒密、哥白尼、开普勒等科学家对行星运动的观点与研究过程。 2.地心说和日心说的碰撞史。
3.开普勒行星运动三大定律的发现过程以及内容。
教学难点： 1.体会“观察”、“猜想与假设”、“实验验证”、“结论与推广”的科学探究基本思路。 2.体会人类认识事物本质的复杂性与曲折性。
3.理解开普勒行星运动三大定律，并能解决实际问题。
教学过程
一、开场 自古以来，人类对宇宙充满好奇。从最初的抬头仰望星空，到如今发射航天器去近距离探索，人类从未停止过探索宇宙的脚步。今天我们将开启新一章内容“万有引力定律”的学习。在深入了解这个对人类影响深远的发现之前，我们一起来回顾历史，聊一聊古人探寻宇宙奥秘的过程，体会科学探究的美妙与艰辛。下面就开始本章的第一节“行星的运动”。 二、新课引入 先来通过一段短片，欣赏一下我们生活的地方——太阳系（播放视频）如今对大家而言，在太阳系中八大行星绕太阳旋转早已成为常识。但在那个科技并不发达的古代，一切知识的获取更多的只能靠观测和猜测。而星空正好就在眼前，又如此的迷人，自然成为无数人先贤孜孜不倦的研究的对象。 想一想：繁星点点，它们的运动是有序的吗？ 三、新课教学 （一）地心说与日心说 对于宇宙的构造，古代许多的学者早就提出了自己的看法。在公元前四世纪左右，古希腊的学者就提出了地心说，也叫天动说。后经古希腊思想家亚里士多德完善，在二世纪时由埃及天文学家托勒密发展出较为成熟的地心说理论。地心说认为地球是宇宙的中心，是静止不动的，太阳月亮以及其他行星都绕这地球运动。地心说的提出是大量学者经观察得出来的结论，从中可以发现早期科学研究主要以总结生活经验，观察生活现象为主。 而在公元前三世纪，几乎与地心说同一时代，另外一些学者基于自己对宇宙的猜想，提出了日心说，也叫地动说。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。但由于缺乏观测以及生活经验的支持，日心说在与地心说的竞争中处于劣势，在当时并不为人所接受。在16世纪以前，地心说一直是正统，且与实力强大的宗教神学保持一致，成为教会统治的工具。 时间来到了中世纪，1543年波兰天文学家哥白尼的巨著《天体运行论》出版，在书中他提出了更加完整科学的日心说体系。这本书引发科学发展史和人类思想史上的一场重大革命，标志着现代天文学的诞生。从这里开始，对自然科学的研究思路也开始越来越清晰，对世界的描述不再局限于对表象的观察和主观的经验的阐述，而是开始思想现象后面的本质，提出具有建设性的猜想与假设，并试图用数据或实验进行验证。但这些划时代的观念，哥白尼本人都看不到了，在他去世后，一些信仰日心说的学者担起了这份重任，这其中最著名的人物就是意大利的科学家布鲁诺和伽利略。但由于日心说触犯了教会的威严，两人均受不同程度到教会的迫害。其中布鲁诺更是因为对教会进行激进的批判，被认定为异教徒而于1600年被烧死在罗马的鲜花广场。伽利略则在阐述新的天文发现时坚定支持日心说，被判处终身监禁。 但地心说的没落已经不可避免。而随着观测技术的改进，天体观测数据越来越丰富和精确。其中贡献最大的，是有着肉眼观星第一人之称的丹麦物理学家第谷。他对行星的进行了长达20多年的观察，留下了及其精确的星图，在当时达到了人类肉眼分辨率的极限。第谷本人并不是日心说的支持者，但他的这些数据却证明了地心说的不合理性。托勒密提出的地心说其轨道并非单一的圆轨道，而是各行星都绕着一个较小的圆周上运动，叫作“本轮”；而每个圆的圆心则在以地球为中心的圆周上运动，叫作“均轮”。为了与能够与第谷观测数据相吻合，地心说需要不断在轨道中加入本轮与均轮，到最后竟然达到了60多个。显然这种轨道已经失去了使用价值，不符合大道至简的道理。相比而言，日心说的轨道更加简洁，其科学性被大多数人所认可，成为新的主流。 想一想：“地心说”是完全错误的吗？ 从现代的观点来看，地心说与日心说无非是参考系的不同，地心说以地球为参考系，日心说以太阳为参考系。但正是这次参考系变换，为人类打开了全新的思维方式，现代科学由此诞生。 想一想：“日心说”有缺陷吗？ 春天立春2.4春分3.20共92天夏天立夏5.5夏至6.21共94天秋天立秋8.7秋分9.22共89天冬天立冬11.7冬至12.21共90天
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、最和谐的匀速圖周运动。这点连伟大的哥白尼都都深信不宜。然而仔细一想，这恰恰是最不合理的。因为如果天体的运动是匀速圆周运动，那么四季的时间应该相同。 通过对表中数据的观察，发现秋冬两季比春夏两季时间短。这就说明了，行星绕太阳的运动不是匀速圆周运动。 大名鼎鼎的德国天文学家开普勒注意到了日心说的这种不合理性。由于他是第谷的学生兼助手，因此他有幸继承了第谷生前的所有观测数据，作为支撑他研究的基础。开普勒用20年的时间研究了这些观测记录，用其敏锐的洞察力和高超的数学技巧，将哥白尼的日心说体系进行了完善，并总结出的行星运动的三条规律，分别于1609年和1619年发表。至此，历经两千年的行星运动的研究，经历观察、猜想与假设、实验验证，最终总结为三条定律，为牛顿发现万有引力定律并起了铺平了道路。 （二）行星运动定律 开普勒第一定律（轨道定律）：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。 开普勒第一定律告诉我们：行星绕太阳运行的轨道严格来说不是圆而是椭圆；太阳不在椭圆的中心，而是在其中的个焦点上；行星与太阳间的距离是不断变化的。何为椭圆呢？ 做一做：画一个椭圆。 可以用一条细绳和两只图钉来画椭圆。如图7.1-1,把白纸铺在木板上，然后按上图钉：把细绳的两端系在图钉上，用一支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作椭圆的焦点。 在这里O点叫做椭圆的中心，中心到边缘的距离有长有短，这里最长叫半长轴a，这边最短叫半短轴b。保持绳长不变，当两焦点不断靠近时，椭圆变大。焦点重合时，半长轴转变为正圆的半径。 开普勒第二定律（面积定律）：对任意一个行星来说，它与太阳的连线在相等的时间内扫过的面积相等。 想一想：行星在远日点的速率与在近日点的速率谁大，为什么？ 当行星离太阳较近的时候, 运行的速度较大，而离太阳较远的时候速度较小。我们可以这样分析这两段所用的时间相同，而这里所走过的弧长更长，所速度大。 开普勒第三定律（周期定律）：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。 若用a代表椭圆轨道的半长轴，T代表公转周期 比值k是一个对所有行星都相同的常量，k是一个只与中心天体质量有关的物理量。 事实上，行星的轨道与圆十分接近，在中学阶段要求不是很严格的条件下，我们可以按照圆轨道处理。 按圆轨道处理天体运动时，开普勒关于天体运动的三条定律，具体表述为： 1.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（线速度）不变，即行星做匀速圆周运动。 3.所以行星轨道半径r的三次方跟它的公转周期T的二次方的比值都相等。 总体来说，就是变椭圆运动为匀速圆周运动来处理，对应的半长轴即为圆的半径。 开普勒三定律的内容就讲到这里，但我们同学们对宇宙的探索才迈出了第一步，在后面的学习中，我们将继续深入学习万有引力定律。正因为掌握了这一宇宙奥秘，再加上中国航天人吃苦耐劳勇于创新的精神，我们祖国的航天事业才能在短时间内取得如此惊人的成就。在太空建立起“天宫”号空间站，将玉兔号送上月球，让祝融号登陆火星，我们国家探索太空的脚步相信将不断向前迈进。俱往矣，数风流人物还看今朝，总有一天，探索的接力棒将会交到我们年青一代的同学们手中。 课堂小结 1.通过对托勒密、哥白尼、开普勒等科学家对行星运动的观点与研究过程，体会“观察”、“猜想与假设”、“实验验证”、“结论与推广”这一科学探究的基本思路。 2.通过了解“地心说”与“日心说”两大学生的发展的历史与碰撞过程，体会人类认识事物本质的复杂性与曲折性。 3.了解开普勒三大定律的内容，并学会用其结论解决实际问题。 五、作业练习 1.基础作业 (1)阅读教材第46-48页“科学漫步”的内容。 (2)作业练习中的相关作业。 2.扩展作业 (1)搜集各位天文学家的生平与主要成就，体会科学探究的艰辛。 (2)查询并了解近些年中国航天取得的伟大成就，写下你的感受。