新人教版高中物理必修二第六章第一节《行星的运动》教案

第六章 第一节 行星的运动
一、素质教育目标
（一）知识教学点
1．了解“地心说”和“日心说”两种不同的观念
2．知道开普勒对行星运动的描述．
（二）能力训练点
培养学生在客观事实的基础上通过分析、推理，提出科学假设，再经过实验检验的正确认识事物本质的思维方法．
（三）德育渗透点
通过开普勒行星运动定律的建立过程，渗透科学发现的方法论教育、建立科学的宇宙观．
（四）美育渗透点
通过学习，使学生了解到科学家为追求真理而不懈努力，顽强的执著精神，从他们身上所流露出来的人格美．
二、学法引导
学生自学、结合教师的讲解、介绍．
三、重点·难点·疑点及解决办法
1．重点
“日心说”的建立过程和行星运动的规律．
2．难点
学生对天体的运动缺乏感性认识．
3．疑点
开普勒是如何确定行星运动规律的．
四、师生互动活动设计
1．教师用生动语言来介绍天体物体的发展历史，引起学生产生思想上的共鸣．
2．学生通过阅读教材和观看相关资料来提高认识．
五、教学步骤
（一）整体感知
在浩瀚的宇宙中有着无数大小不一、形态各异的天体，如太阳、地球、月亮、星星等等．这些天体是如何运动的呢？人类最初是通过直接的感性认识以及受宗教的影响，建立了“地心说”，但后来，第谷等科学家通过长期观测，记录了大量的观测数据，对地心说进行挑战，哥白尼在此基础上提出了“日心说”，“日心说”认为太阳是宇宙的中心，其他天体（包括地球）都绕太阳作匀速圆周运动．“日心说”虽在“地心说”的基础上前进了一大步，但“日心说”解释行星运动时与实际观测的结果仍有一定的误差，最终开普勒通过计算，确立了行星运动的正确图景：所有的行星围绕太阳运动的轨道都是椭圆，太阳处在所有椭圆的一个焦点上，所有行星的轨道的半长轴的三次方跟公转周期的二次方的比值都相等．开普勒对行星运动的描述，为牛顿发现万有引力定律奠定了重要基础．
（二）重点、难点的学习与目标完成过程
1、 引入
我们生活在地球上，地球是浩瀚宇宙中无数星球中的一个，这些星球是如何运动的呢？从今天开始我们要把我们研究的目光投向太空，来研究太空中行星的运动规律。让我们对太空有一个感性的认识。出示2001年度“最酷最炫”的太空图片。
2、 新课教学
（1）．“地心说”和“日心说”的发展过程
人类在自己的发展过程中首先就遇到了时间的测量，如季节的更替，旱季或雨季什么时候开始，如何辩别方向等等。为了解决这些问题，人类通过对天体——太阳、月亮、行星和恒星的观察，找到了解决问题的办法，人类就这样开始对天体的位置和运动的研究。
古希腊的天文学家和哲学家发现太阳从东边升起，从西边落下。他们就认为地球是静止不动的，是宇宙的中心，一切天体——太阳、月亮、行星和星球都围绕着地球在太空做简单的完美的圆周运动，这就是“地心说”。地心说的代表人物是古希腊的科学家和哲学家亚里士多德和托勒密。（出示地心说的图片）
地心说比较符合当时人们的经验和宗教神学关于地球是宇宙中心的说法，成为神学的信条，被人们信奉了一千多年，但它所描述的天体运动，不仅复杂而且以此为依据所得的历法与实际差异很大。
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，由大量的观测数据表明，用托勒密的“地心说”模型很难得出完满的解答，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在围绕自己的轴线旋转一周呢？他假想地球并不是宇宙的中心，它与其他行星都是围绕着太阳在作匀速圆周运动的。这个模型称为“日心说”。日心说的代表人物是哥白尼，他在《天体运行论》一书中，对日心说进行了具体的论述和数学论证。认为太阳是静止不动的，地球和其他行星围绕太阳运动。把地球从天体运动的中心位置移到了一个普通的行星的位置。行星运动的描述显得更简单、更科学，而且用“日心说”计算出来的结果能够较好地和观测数据相符合。
但是哥白尼思想很晚才为人们所接受，他的著作发表后，几乎在一个世纪中完全被人们所忽视，主要原因是：（1）在他们的著作中，“日心说”只是一个“假设”，若用这个“假设”，行星运动的计算比“地心说”容易得多。（2）当时的欧洲正处于基督教改革与反改革的骚乱中，一个人的科学见解可能会成为判断其是否忠诚的试金石。（3）在哥白尼的著作中有一些很不精确的数据，根据这些数据得出的计算结果不能很好地与行星位置的观测结果相符合，（4）最后，甚至于连哥白尼本人也认为必须把托勒密的“本轮”的思想引进他的模型中。
乔尔丹诺．布鲁诺（Giordano Bruno，1548 - 1600）是意大利文艺复兴时期伟大的思想家、自然科学家、哲学家和文学家。他勇敢的捍卫和发展了哥白尼的太阳中心说，并把它传遍欧洲，被世人誉为是反教会、反经院哲学的无畏战士，是捍卫真理的殉道者。
日心说使科学从神学中解放出来，战胜了地心说，逐渐被人们接受。
但哥白尼固守天体作匀速圆周运动的传统思想，追求数的和谐与美，他的天体运动模型缺乏深入的物理思考，实际上是一个数学模型。
第谷是贵族，终身未娶，一心研究天文，用了20多年的时间对780颗左右恒星的运动进行了观察，并进行了记录，得到了很宝贵的观测数据。丹麦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，他花了4年多时间一遍一遍地进行数学计算。开始他想用哥白尼的太阳系模型说明火星的运行轨道，但与第谷的观测结果有8分的误差，而当时科学家们认为第谷的观测误差不超过2分，开普勒从而大胆地摒弃了天体作匀速圆周运动的观点，把行星运动的轨迹修改为椭圆，这样计算结果就能够很好的和观测结果相符合。他的发现可以归结为行星运动三大定律，这些经验定律精确地与观测数据相符，因而被人们接受。
　　（2）．开普勒行星运动定律
　　开普勒关于行星运动的描述可以表述为三定律，我们主要是介绍第一和第三定律．
　　开普勒第一定律：所有的行星围绕太阳运动的轨道都是椭圆，太阳处在所有椭圆的一个焦点上．出示图片
由于行星的运动轨迹不是正圆，因而它与太阳的距离一直在改变，有时它向太阳靠拢，而有时则向远离太阳的方向漫游．在整个运动过程中，它的速度大小和方向是不断改变的．
开普勒第二定律：太阳和行星的连线在相等的时间内扫过的面积相等。出示图片
　　开普勒第三定律：所有行星的轨道的半长轴的三次方跟公转周期的二次方的比值都相等．出示图片
虽然每个行星的椭圆轨道各有一个，但它们运动的轨道的半长轴的三次方跟公转周期平方的比值却都是相同的，我们用R代表椭圆轨道的半长轴，T代表公转周期，经验公式表述为：
　　＝k
比值k是一个与行星本身无关的物理量，k的值由恒星的质量决定。即围绕同一颗恒星运动的行星，k的值是相同的。由这个定律我们知道，离太阳最近的行星——水星的运动周期最小（为88天），我们生活的地球的运转周期约为365天．
注意：
⑴行星的椭圆轨道都很接近圆，所以在中学阶段分析和处理天体运动时，常把椭圆轨道作为圆轨道来处理，这是突出主要因素，忽略次要因素的理想化方法，是研究物理最常用的方法。
⑵开普勒定律不仅适用于行星，也适用于卫星，但这时应与行星的质量有关。
〖例题分析〗
1、 海王星的公转周期约为5.19×109s，地球的公转周期为3.16×107s，则海王星与太阳的平均距离约为地球与太阳的平均距离的多少倍？
解：由开普勒第三定律可得：
，
∴
2、 一人造卫星绕地球做匀速圆周运动，其轨道半径为月球绕地球轨道半径的，则此卫星运行的周期大约是：
A．1－4天之间 B．4－8天之间
C．8－16天之间 D．16－20天之间
解：由开普勒第三定律可得：
，
而天，
则天
　　（四）总结、扩展
本节课我们学习了行星的运动，了解了人类对行星运动的探索和认识的过程，知道了所有行星都是沿椭圆轨道绕太阳运动的，并且符合公式
　　＝k
　　应该说明的是
　　（1）行星绕太阳运动都符合：
　　＝k
　　如对于地球和木星比较，就有：
　　
　　但月球人造卫星以及其他行星的卫星并不是主要绕太阳运动的，它们和行星的运动比较，就有：
　　
　　（2）对于同一个行星的不同卫星，它们也符合运动规律：
　　＝
　　如月球和各人造卫星同步，就符合这一规律，但是与K不同的量，这一点我们在学完这一章后将能够证明．
　　八、布置作业
　　1．阅读课本阅读材料“行星、恒星、星系和宇宙”．
　　2．太阳系中有九大行星，请你将它们绕太阳运动的周期由小到大依次排序．
　　九、板书设计
第1节 行星的运动
1、行星的两种学说：
a、地心说：地球是宇宙的中心，并且静止不动，一切得星围绕地球做圆周运动。
b、 日心说：太阳是宇宙中心并且静止不动，一切行星都围绕太阳做圆周运动。
2、两种学说的斗争：
3、开普勒定律：
a、开普勒第一定律（椭圆轨道定律）：所有的行星分别在大小不同的椭圆轨道上围绕太阳运动，太阳是在这些椭贺的一个焦点上。
普勒第二定律（周期定律）：所和行星的椭圆轨道的半长轴的三次方与公转周期的二次方的比值都相等。
　　b、公式：＝k
　　十一、随堂练习
　　1．如果我们用天文望远镜观察一年中不同时期火星的位置，并且将这些位置连线，请你想像将会是怎样的一条线呢？火星的周期为687天．
　　2．下列说法正确的是 （ ）
　　A．关于天体运动的日心说、地心说都是错误的
　　B．地球是一颗绕太阳运动的行星
　　C．地球是宇宙的中心、太阳、月亮及其他行星却绕地球转动
　　D．太阳是静止不动的，地球和其他行星都在绕太阳转动
　　3．两个行星的质量分别是、，它们绕太阳运行的轨道长半轴分别是和，则它们的公转周期之比∶＝________．
　　4．宇宙飞船围绕太阳在近似圆形的轨道上运动，若轨道半径是地球轨道半径的9倍，则宇宙飞船绕太阳运行的周期是 （ ）
　　A．3年 B．9年 C．27年 D．81年
　　答案：1．地球和火星是绕太阳同方向作圆周运动的，且它们的轨道在同一平面内．由于地球距太阳近，周期小，听以当地球“追赶”火星时，地球上的人将观测到火星向着观测者运动；当地球“超越”火星后，地球上的人将观测到火星运离观测者运动．所以地球上的人观测到火星的轨迹是一条来回的折线．
　　2．AB 3． 4．C