地球的自转[下学期]

地球的自转
一、目标导航
[知识与技能]
了解地球自转特征，知道地球自转方向
了解昼夜现象和昼夜交替现象的产生，知道晨昏线（圈）的含义和昼夜交替周期
能用地球仪模拟地球自转及其产生的昼夜交替现象。
[科学思考]
初步培养学生的立体空间想象能力，发展抽象思维。
[解决问题]
通过地球自转实验和课件播放使学生了解地球自转轴及自转方向和周期，明确日月星辰东升西落是地球自西向东旋转的缘故。通过地球自转实验使学生进一步了解昼夜现象和昼夜交替现象的产生，知道晨昏线(圈)的含义和昼夜交替周期。
[情感与态度]
爱国主义教育，培养科学严谨的作风。
二、要点扫描
[课标解读]
通过地球自转实验和课件播放使学生了解地球自转轴及自转方向和周期，明确日月星辰东升西落是地球自西向东旋转的缘故。通过地球自转实验使学生进一步了解昼夜现象和昼夜交替现象的产生，知道晨昏线(圈)的含义和昼夜交替周期。通过学生开展讨论与交流知道昼夜交替周期不长，使白昼增温不至于过分炎热，黑夜冷却不至于过分寒冷。学生通过小组合作能用地球仪模拟地球自转及其产生的昼夜交替现象。本课内容比较抽象，限于初一学生的思维水平，要认真贯彻加强直观性的原则。认真制作多媒体课件，变抽象为直观，变不可视为可视。在课件的使用中，让学生提出问题，以发现法巩固知识。
[内容分析]
本节课是初中科学第二册第4章不断运动的地球中第1节。学生在小学阶段已经了解了有关地球运动的常识，但其建立的空间运动概念还处于朦胧想象阶段。因此， 要充分运用日常生活中的实际例子和模拟实验，引导学生探究地球运动的基本特征和规律，构建具体而有序的空间想象。为使学生进一步理解地球的自传姿态、自西向东转的含义和太阳东升西落的成因，教材设计了一个简练而直观的模拟实验。通过两个小教具，结合地球仪的演示，可以解决教材内容中的三个关键问题：一是绕轴旋转问题；二是太阳的东升西落问题；三是自转方向问题。
本节的重点内容是地球自转基本特征和昼夜交替现象及其产生的原因。这些也是本节的难点内容。
[学情认识]
人们在地球上是无法感受到地球运动的，而且中学生还不具备建立两个参照系的空间思维能力，要使中学生建立清晰而抽象的地球运动的空间概念，就必须运用生活实际中所观察到的现象和具体模型来说明和演示。
以全面提高每一个学生的科学素养为核心，面向全体学生、立足学生发展，从学生实际出发，注重创设学习科学的情境，激发好奇心与求知欲，使学生在探究过程中体验学习科学的乐趣。重视科学课程本身蕴含的德育要素，进行爱国主义、集体主义和社会主义教育，以及科学思想、科学精神的教育，为学生形成正确的世界观、人生观与价值观奠定基础。通过学生自主的探究等活动来实现教育目标。教师能动地发挥作用，成为学生学习活动的组织者、引导者和规范者，使学生的科学素养在主动学习科学的过程中得到发展。
[学法点拨]
学生通过小组合作，能用地球仪模拟地球自转及其产生的昼夜交替现象本课内容比较抽象，限于初一学生的思维水平，要认真贯彻加强直观性的原则。认真制作多媒体课件，变抽象为直观，变不可视为可视。在课件的使用中，让学生提出问题，以发现法巩固知识。对于本节课的重难点内容要采用学生演示、课件播放、指导目标、教师讲述、练习体会等综合方法来调动全体学生的积极性，提高教学效率。
[经验介绍]
三、教学文档
[教学资源]
学生课前准备：地球仪、火柴杆、橡皮泥、太阳平行光线板、十字方向标或学具（组装一）
教学器材：地球仪、火柴杆、橡皮泥、太阳平行光线板、十字方向标、相关投影片、
教学课件：可自制地球自转及昼夜交替现象的教学课件
[教学路径]
【引入】：大家知道北京成功申办了2008年奥运会。届时，北京下午2点举行的蓝球比赛，美国纽约的市民需在半夜里起来才能观看这场比赛的现场报道。
这是为什么呢？
【新课学习】
演示：用投影仪当太阳，拿塑料地球仪，发光的电灯泡示阳光照射下地球的昼夜现象。
学生分析，教师引导后，归纳得出：
地球上有昼夜现象的原因是地球是不发光、不透明的球体。
师问：当纽约进入白天，北京是什么时候？
生答：黑夜
师问：为什么太阳照射的地方会发生变化呢？导入地球的自转。
地球在不停的绕地轴旋转
讨论：哪些现象可以证明地球在不停的转动？
学生讨论后回答（如日月星辰东升西落等现象）
课件展示：坐在平稳行驶的列车上，看见车窗外的景物在不断后移，而不觉得自己在向前移动。
教师：通过动画类比，回顾相对运动的知识，说明虽然看上去像太阳绕地球旋转，但实际上却是地球绕日运行的。指明日月星辰东升西落是地球自西向东旋转的缘故。
师问：你知道地球是怎么转的吗？你是如何证明的？
课件模拟演示：如课本P120实验，完成探究任务单一
（1）如果小火柴是你，思考以下问题：
①当地球旋转到A位置时，观测者处于 日出 时间，太阳位于观测者的 东 面。
②当地球旋转到B位置时，观测者处于 正午 时间，太阳位于观测者的 南 面。
③当地球旋转到C位置时，观测者处于 日落 时间，太阳位于观测者的 西 面
（2）你认为观测者观测到一天中太阳方位变化（ 升 落）的原因是什么？你知道地球的自转方向了吗？
（3）按自西向东转动地球仪，从北极上空看，地球呈 逆 （填“顺”或“逆”）时针方向旋转; 从南极上空看，地球呈 顺 （填“顺”或“逆”）时针方向旋转。
（以上3项让学生结合实际生活中看到的现象回答）
师：我们看看真实的地球是怎么自转的
播放地球自转动画
师：从模拟实际自转的动画中你还发现了地球的自转有什么特点？
学生观察后用语言描述出地球的运动：
（1）绕地轴
（2）自西向东旋转
（3）地轴倾斜，北极指向北极星
展示如课本P122图片，昼半球和夜半球
生：找到地球上白天和黑夜的分界线。
师：介绍晨线和昏线（地球表面由黑夜转为白天的界线即为晨线，反之为昏线）
生：完成任务单二
1、（从黑夜到白天）晨线是线段 （填字母），晨线东面为 ，晨线西面为 （填“白昼”或“黑夜”）。
2、（从白天到黑夜）昏线是线段 （填字母），昏线东面为 ，昏线西面为 （填“白昼”或“黑夜”）。
3、你知道地球上白天黑夜交替一次需要多少时间吗？
生思考讨论：
1、假如地球自转速度加快或减慢，我们的一“天”的长度将如何变化？
2、如果地球停止自转，哪些现象会消失？对我们的学习和生活将产生什么影响？
3、昼夜交替的周期对地球上生命的形成和发展有没有好处？为什么？（昼夜交替周期不长，使白昼增温不至于过分炎热，黑夜冷却不至于过分寒冷）
师：指导学生进行小结，说出地球自转的特点和地球自转产生的现象。
课后活动：
从网上查找证明地球自转的方法—傅科摆的有关资料，并尝试设计证明地球自转的其他方法。
【板书设计】 第一节 地球的自转
1、 地球上有昼夜现象的原因：地球是不发光、不透明的球体
二、地球自转的特点
1、 绕地轴自西向东旋转
2、从北极上空看，地球呈逆时针方向旋转
从南极上空看，地球呈顺时针方向旋转
三、地球自转产生的现象
1、太阳东升西落
2、昼夜交替（周期：24小时）
四、学业诊断
例：温州两次黎明来临的时候，地球刚好自转了几周？经历了几天时间？
错答：地球转了两周，经历了两天。
分析：题中两次黎明来临的说法，很容易给人造成是两天的印象，所以错答自转两周。其实从起点开始，回到该点才是一周。因此，自第一个黎明开始到第二个黎明来临的时候，经历的时间是一天。
五、精彩存盘
1、毛泽东同志的诗《送瘟神》中有一句“坐地日行八万里，巡天遥看一千河”，写得极有气魄。而这“坐地日行八万里”又是怎么来的呢？
2、哪些现象可以证明地球是在不停地绕地轴旋转？
　　a傅科摆的摆动作为地球自转的有力证据，现已为世界所公认。
　　b.有人曾在很深的矿井中进行试验，结果是：自井口中心下落的物体，总是在一定的深度同矿井东壁相碰撞，这就从另一侧面证实了地球的自转
3、昼夜交替的周期对地球上的生命的形成和发展有没有好处？为什么？
　　昼夜交替的周期不长，使得地面白昼增温不至于过分炎热，黑夜冷却不至于过分寒冷，从而保证了地球上生命的有机体的生存和发展。
六、相关链接
地球自转及其证明
　　地球自转就是地球本身的旋转。它的旋转轴叫地轴，地轴通过地球的中心，所以，地球的这种绕轴旋转被称为“自”转，以别于它绕太阳的公转。地球自转的方向，在北半球看起来呈逆时针方向（南半球反之），这样的方向被叫做向东。太阳从东方升起，正是由于地球向这个方向自转。
　　近代天文学奠基人哥白尼首先从理论上论证，“天旋”是由于“地转”。他用几何方法严格地证明：“天比地大，其大无比”，如果让庞大无比的天穹，在24小时内绕小小的地球旋转一周，那是令人无法思议的。伽利略说得更尖刻：“如果有人认为，为了使地球保持静止状态，整个宇宙应当转动，是不合理的；试想有个人爬上你府上大厦的穹顶，想要看一看全城和周围的景色，但是连转动一下自己的头都嫌麻烦，而要求整个城郊绕着他转；这两者比较起来，前者还要不近情理得多……地静说比起上述那个要求整个城郊围绕转动的例子，其荒谬程度有过之而无不及。”
　　地球的自转，有许多理论和实验上的证据。其中，最雄辩和直观的证据，当推法国物理学家博科（1819—1868）在巴黎进行的摆的实验（为纪念他的这个功绩，后人称这种摆为“傅科摆”）。如所周知，摆总是力图保持其摆动面的方向不变。有了这个不变的摆动面作标记，人们就有条件目睹足下大地的旋转而深信不疑。
　　傅科摆与普通单摆没有什么根本的不同，只是它采取一种特殊的悬挂装置，以保证它的摆动超然于地球的自转。同时，为了使摆动的持续时间达到足够长度，以便能清楚地看出地球自转的效果，傅科摆比普通单摆要大得多。傅科当时用一根67米长的钢丝绳为摆长，上端系在教堂大厅的穹顶上，下端吊一个27千克重的金属球，构成一个举世罕见的特大号的单摆。绳长，是为了增加摆的振幅和周期；锤重，是为了有效地克服空气阻力的影响。摆锤的下方嵌一枚尖针；地面上，在摆锤往返经过的地方，安放二个沙盘。这样，当摆锤往复摆动的时候，尖针便在沙盘上划出一道道痕迹来。
　　傅科的实验表明，摆锤在沙盘上留下的痕迹并不重合，但都在中心相交。他当时测定，在离中心4米远的沙盘上，摆锤连续二次所划出的痕迹，相隔3.6mm。很明显，相对于地面（沙盘）方向来说，摆动面在缓慢地、持续地沿顺时针方向偏转。
　　这个实验宜在高纬度地带进行。在北极，朝着某个恒星方问摆动的摆，会追随这颗恒星作周日运动，每小时偏转15°。这一事实表明，摆动面始终保持在恒星的方向，而它同经线方向之间的关系则发生了变化。它生动地证明：地球按逆时针方向（向东）旋转。
　　理论和实验证明，傅科摆偏转的方向，因南北半球而不同：北半球右偏，南半球左偏。偏转的速度，则与纬度的正弦成正比。
证明地球转动的摆
三百多年以前伽利略接受罗马教廷的审判，当他被迫承认地心说的时候，有人记载说，伽利略喃喃自语道：“可是地球仍然在动啊！”伽利略是否说过这句话已经不可考，按理说后人杜撰的成分比较大。很难想象有人听见了伽利略低声说出的“异端”言论，并且把它记录了下来，更何况当时伽利略已经神志不太清醒。圣经说大地是不动的；而现在，即使是小学三年级的学生也知道地球存在自转和公转。那么，一个问题是，如何观察到地球的运动——比如自转呢？
时间回溯到1851年的巴黎。在国葬院（法兰西共和国的先贤祠）的大厅里，让·傅科（Jean Foucault）正在进行一项有趣的实验。傅科在大厅的穹顶上悬挂了一条67米长的绳索，绳索的下面是一个重达28千克的摆锤。摆锤的下方是巨大的沙盘。每当摆锤经过沙盘上方的时候，摆锤上的指针就会在沙盘上面留下运动的轨迹。按照日常生活的经验，这个硕大无朋的摆应该在沙盘上面画出唯一一条轨迹。
　　实验开始了，人们惊奇的发现，傅科设置的摆每经过一个周期的震荡，在沙盘上画出的轨迹都会偏离原来的轨迹（准确地说，在这个直径6米的沙盘边缘，两个轨迹之间相差大约3毫米）。“地球真的是在转动啊”，有的人不禁发出了这样的感慨。
　　傅科的这个摆的是一个演示地球自转的实验。这种摆也因此被命名为“傅科摆”。傅科摆为什么能够演示出地球自转呢？。简单的说，因为惯性。
通常，我们说“地球具有自转”的时候，我们并没有明确出它到底相对于什么自转。这是一个非常重要的问题，如果没有参照物，谈论运动是不可想象的。还没有办法在空间中打上一根钉子作为绝对的参照物，因此，我们只能依靠较远的、看起来似乎是静止的天体作为参照物。事实上，那些天体也绝不是“空间中的钉子”，只不过因为它们实在太遥远了，我们不妨——事实上恐怕也是唯一的选择——把它们作为参照物。以遥远的恒星作为参照物，一个物体不受外力作用的时候，将一直保持它的运动状态。这也是牛顿第一定律的内容。
　　摆是一种很有趣的装置。给摆一个恰当的起始作用，它就会一直沿着某一方向，或者说某一平面运动。如果摆的摆角小于5度的话，摆锤甚至可以视为做一维运动的谐振子。
现在，考虑一种简单的情况，假如把傅科摆放置在北极点上，那么会发生什么情况呢？很显然，地球在自转——相对于遥远的恒星自转。同样，由于惯性，傅科摆的摆锤相对于遥远恒星的运动方向（平面）是不变的。（你可以想象，有三颗遥远的恒星确定了一个平面，而傅科摆恰好在这个平面内运动。由于惯性，当地球以及用来吊起摆锤的架子转动的时候，摆锤仍然在那个平面内运动）那么什么情况发生了呢？你站在傅科摆附近的地球表面上，显然会发现摆动的平面正在缓缓的转动，它转动的速度大约是钟表时针转动速度的一半，也就是说，每小时傅科摆都会顺时针转过15度。
如果把傅科摆放置赤道上呢？那样的话，我们将观察不到任何转动。把摆锤的运动看做一维谐振（单摆），由于它的运动方向与地轴平行，而地轴相对遥远的恒星是静止的，所以我们观测不到傅科摆相对地面的转动。
　　现在把傅科摆移回巴黎。摆锤的运动可以分解为沿地轴方向的和与之垂直方向上的两个分运动。后者会产生相对地面的旋转（正如北极的傅科摆）。这两个分运动合成的结果是，从地面上的人看来，傅科摆以某种角速度缓慢的旋转——介于傅科摆在北极和赤道的角速度之间。（也可以从科里奥利力的角度解释，得出的结论是一样的）如果在北极的观测到傅科摆旋转一周的时间是A（A=24h），那么在任意纬度γ上，傅科摆旋转一周所需的时间是A/sinγ。对于巴黎，这个数字是31.8小时。
　　1819年，让·傅科生于巴黎。傅科从小喜欢动手做试验，最初傅科学习的是医学，后来才转行学习物理学。1862年，傅科使用旋转镜法成果的测定了光速为289 000km/s，这是当时相当了不起的成绩，因此他被授予了骑士二级勋章。此外，傅科还在实验物理方面做出了一些贡献。例如改进了照相术、拍摄到了钠的吸收光谱（但是解释是由基尔霍夫做出的）。傅科摆实验的第二年，即1852年，他制造出了回转仪（陀螺仪）——也就是现代航空、军事领域使用的惯性制导装置的前身。此外，他还发现了在磁场中的运动圆盘因电磁感应而产生涡电流，这被命名为“傅科电流”。当然，不能忘记的是傅科摆实验，因为这个非常简单的演示了地球自转现象的实验，傅科获得了荣誉骑士五级勋章。
　　傅科使用了如此巨大的摆是有道理的。由于地球转动的比较缓慢（相对摆的周期而言），需要一个比较长的摆线才能显示出轨迹的差异。由因为空气阻力的影响，这个系统必须拥有足够的机械能（一旦摆开始运动，就不能给它增加能量）。所以傅科选择了一个28千克的铁球作为摆锤。此外，悬挂摆线的地方必须允许摆线在任意方向运动。傅科正是因为做到了这三点，才能成功地演示出地球的自转现象。
现在，巴黎国葬院中依然保留着150年前傅科摆实验所用的沙盘和标尺。不仅仅是在巴黎，在世界各地你都可以看到傅科摆的身影，例如，你可以在北京天文馆看到一个傅科摆的复制品。
　　当你有机会凝视这个缓慢转动着的傅科摆的时候，是否也会像伽利略——或者150年前观看傅科摆实验的观众那样——发出由衷的赞叹：“地球真的是在转动啊！”
D
C
B
A
太阳光
南极
地面一参考点
北极
自 西 向 东