资源简介

年级 高二 备课组 主备教师
课题 § 7.1 行星的运动
教学目标与素养 物理观念 (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．
科学思维探究 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．
科学态度与责任 (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．
教材分析 本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。所以我们必须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。要充分应用好64页课后阅读材料。
学情分析 本节前学生已经知道了解地球围绕太阳运动，月球围绕地球运动的相关常识。但对托勒密的地心说和开普勒的三大定律知道甚微，通过教师的引领、师生互动、美丽传说的故事讲解，能够激发学生的学习潜能，对本节课产生兴趣。引导学生了解人们对宇宙认识的托勒密的地心说和和哥白尼的日 心说观点，学生能够 了解历史上人们对星体运动的认识过程，对开普勒行星运动三大定律掌握。
教学重点 (1) 了解“地心说”“日心说”的建立及其发展过程与科学家们的杰出工作。 (2) 理解行星运动的规律：“开普勒行星运动三大定律”。
教学难点 利用开普勒三定律来解题
教法与学法 演绎推导法、分析归纳法、交流讨论法
教学过程 二次备课
●情景切入:在浩瀚的宇宙中有着无数大小不一、形状各异的天体．如太阳、月亮、夜空中闪烁的星星……它看起来好像是一个包围我们的球体，我们正在一个内部的地球表面往外看一样，吸引了人们的注意，人类智麓的头脑开始探索天体运动的奥秘．天体的运动是靠神的支配，还是受物理规律的约束？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:§ 7.1 行星的运动关于天体的运动，历史上有过不同的看法. 请阅读教材第一段，回答一下问题：问1．古人对天体运动存在哪些看法 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．我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，很少关心宇宙结构方面的讨论．而古希腊人和中世纪的欧洲人则不同．所以，人类对宇宙结构和天体运行的系统认识，起源于托勒密的“地心说”，经哥白尼发展到了“日心说”，开普勒的“行星运动定律”第一次为天体的运动立了法。而完全解决天体运动问题的则是“站在巨人肩膀上”的牛顿。问2．什么是“地心说” 什么是“日心说”？简述哥白尼的“日心说”的主要观点和历史评价。一、行星运动的两种学说:1. 托勒密的“地心说”—— 地心宇宙(1) 地心说的代表人物是：亚里士多德和托勒密。(2) “地心说”的观点：认为地球是宇宙的中心，并且静止不动，所有行星围绕地球在大小不同的球面上作圆周运动。托勒密的九重天宇宙模型如下：古罗马科学家托勒密经过推演论证将亚力士多德的地心说系统化了，他认为地球之外有11个等距天层，由里到外的排列次序是:首先是月球天，接下去是水星天、金星天、太阳天、火星天、木星天、土星天、除了他们之外，在宇宙最远的区域，是恒星天，恒星天外是原动天，就是神灵居住的地方。托勒密之所以能提出“地心说”的系统理论，由于当时人类的认识基础（经验主义，科学技术）和社会基础（宗教神学：上帝创造人类，所以人类和人类所居住的地球在宇宙的中心），地心说成为宗教神学的理论支柱，在长达1400多年的时间里，在航海、生产和生活实践中被采用，成为天文立法的依据。(2) 托勒密的理论在天文学研究上，有一定的积极意义：① 成功之处：能预报相当长时间内行星的位置、日食、月食的发生，解释了许多天文现象. ② 开创了坐标定位星体的方法，推进了天文学的研究。 托勒密的宇宙模型是以地球为参考系对天体运动的直接观测结果的客观描述。他结合了几个世纪的天文学和数学知识，来展示天空中的天体移动是完美的，把太阳、月亮和行星们都锁在地球的圆形轨道中，为我们能看到的所有物体找到归宿。 托勒密的模型已经好到可以用来解释太空中最不同寻常的移动了，如果只进行圆周运动，并且这些物体被嵌入这些球体中，那么一切都会非常完美而有序的在一个整齐的格调下移动，但这其实并不是宇宙真正的运作方式。如果你夜复一夜的观察火星，度量它与周围恒星的相对移动，偶尔他确实会有一些特别的表现，例如他会减速，停止、向后移动，绕个圈儿，然后再次开始向前移动，现代天文学家把这种情况叫做逆行运动，为涵盖这些奇怪的移动，托勒密给他的模型增加了一个叫本轮的元素。本轮:本轮的意思就是一个圆环上的另一个圆环。假设火星在完美的圆弧轨道上绕着地球转，而火星自己也在这个大圆轨道上绕着更小的圆在转，这确实有助于纠正我们在天空中看到一些运动那些不符合只绕着地球做单一圆周运动的现象，本轮意味着托勒密可以解释逆行运动。因此为了描述天体的运动，其模型中竟用了80多个轮子，重重叠叠，令人头晕目眩。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。除此之外，他还推出了另外两个工作模式，首先他提出，虽然一切天体都围绕地球转，但他不是宇宙的数学中心，其次，他给宇宙加了一个想象的离地球很近的点，从那里你可以看到一切都进行完美的圆周运动，这个点被称为偏心等距点。托勒密的“地心说”为什么能够占领较长的统治时间呢 “地心说”占较长时间统治地位的原因是：它比较符合人们的日常经验,例如:太阳的东升西落，同时它也符合当时在政治上占统治地位的宗教精神，并长期为教会所利用，宣称恒星天上面是最高天，也就是天神的住所。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。【例】：若地球不运动，昼夜交替是太阳绕地球运动形成的，那么每天的情况就应是相同，事实上，每天白天的长短不同，冷暖不同，而“日心说”则能说明这种情况；白昼是地球自转形成的，而四季是地球绕太阳公转形成的。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。2. 哥白尼的“日心说”—— 拦住了太阳，推动了地球(1) 日心说内容：太阳是不动的，且位于宇宙的中心，包括地球在内的所有行星都围绕太阳做匀速圆周运动。(2) 成功之处 ① 运用日心体系模型算出了每颗行星绕太阳运行的周期，且在历史上第一次算出了每颗行星到太阳的距离，从而也第一次给出了宇宙大小的尺度。② 更完美地解释了天体的运行，对天体的描述大为简化，同时打破了过去认为其他天体和地球截然有别的界限，是一项真正的科学革命。因为它使人们的世界观发生了重大变革。③ 哥白尼和托勒密都采用建立物理模型的方法研究天体的运动.(模型法是研究物理问题的重要方法之一) “日心说” 和宗教的主张是相反的。为宣传和捍卫这个学说，意大利学者布鲁诺指出太阳并不是宇宙的中心，只是太阳系的中心，宇宙没有中心。布鲁诺被宗教裁判活活烧死。伽利略自制望远镜观察天象，制造了世界上第一台望远镜，发现木星的卫星和月球表面有山和谷等重要事实，1632年出版《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》，为哥白尼的日心说辩护，也因此在1632年2月被宗教法庭判决为终身监禁。后人把历史上这桩勇敢的壮举形容为：“哥白尼拦住了太阳，推动了地球。”哥白尼“日心说”在历史上也有着深远的影响.引起了天文学上的一次革命，有力的推动了欧洲文艺复兴时期思想解放的浪潮，迎来了近代科学的春天，从此“自然科学便开始从神学中解放出来。(3) 局限性① 把太阳当成宇宙的中心，实际上太阳仅是太阳系的中心，而不是宇宙的中心.② 沿用了行星在圆形轨道上做匀速圆周运动的陈旧观念.实际上行星轨道是椭圆的，行星的运动也不是匀速的. “日心说”之所以能够战胜“地心说”是因为好多“地心说”不能解释的现象“日心说”则能说明，就是说“日心说”比“地心说”更科学、更接近事实。 “日心说”也并不是绝对正确的，因为太阳只是太阳系的一个中心天体，而太阳系只是宇宙中众多星系之一，所以太阳并不是宇宙的中心，也不是静止不动的。“日心说”只是比“地心说”更准确一些罢了。哥白尼的宇宙体系动摇了基督教宇宙体系的根基，但它并没有在天文测算的精确度上有多大的提高。在哥白尼之后，第谷连续20年对750颗左右的恒星进行观测，记录了行星、月亮、彗星的位置，大大提高了测量的精确程度。在第谷之前，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′。第谷本人虽然没有描绘出行星运动的规律,但他积累的资料为他的助手开普勒的研究提供了坚实的基础.3. 第谷·布拉赫：天才的观测家第谷全心投入到行星位置的测量中，把人们测量天体位置的误差大约10′减小到2′。开普勒用很长的时间对第谷遗留下来的观测资料进行分析。由于火星的数据最多，他将火星选为行星绕日运动的突破口。起先他仍按传统观念，认为行星作匀速圆周运动。但是经过反复推算发现，对火星来说，无论按哥白尼的方法，还是按托勒密或第谷的方法，都不能算出同第谷的观测相合的结果。理论计算跟测量所得的误差最大只有8 。开普勒没有放过这8 的误差，他坚信观测的结果。于是他想到，火星可能不是作匀速圆周运动的。他改用各种不同的几何曲线来表示火星的运动轨迹，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，之后行星复杂的的运动便失去了神秘性，为数十年后牛顿发现万有引力定律铺平了道路。二、开普勒运动定律1．开普勒第一定律：所有的行星分别在大小不同的椭圆轨道上围绕太阳运动，太阳处在这些椭圆的一个焦点上。 说明：① 不同行星绕太阳运行的椭圆轨道是不同的. ② 多数行星的轨道都十分接近圆.【思考】学生自学椭圆的数学特征有哪些？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．接着他又发现，虽然火星运行的速度是不均匀的(最快时是在近日点,最慢时在远日点)，但是,从任何一点开始，在单位时间内，向径扫过的面积却是不变的。这样,就得出了关于行星运动的第二条定律:“行星的向径，在相等时间内扫过相等的面积。”这两条定律，刊布于1609年出版的《新天文学》一书内。书中又指出，这两条定律也适用于其他行星和月球的运动。2．开普勒第二定律：对于每一颗行星而言，太阳和行星的连线在相等的时间内扫过的面积相等。如图所示，行星沿椭圆轨道运行，太阳位于椭圆的一个焦点上.如果时间间隔相等，即t2－t1＝t4－t3，那么s2＝s1.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，即行星从近日点到远日点的过程是减速过程，从远日点到近日点的过程是加速过程.开普勒不满足已经取得的成就，他从第二定律看出，行星运动速度与行星距太阳远近有关，所以行星运动周期也应与行星到太阳的距离有关。他继续对着第谷留下的那一堆数字去动脑子，去探索各行星轨道之间的几何关系。开普勒想出了一个妙法，他将人们最熟悉的地球到太阳间的距离R定为1，地球绕太阳的公转周期T是1年，以此为标准再换算其他行星的周期和距离，便得到这么一堆数字：行星TR行星TR水星0.2410.387火星1.8811.524金星0.6150.723木星11.8625.203地球1.0001.000土星29.4579.539它们之间到底有什么联系？开普勒认为世间一切物体都有一定的和谐的数量关系。经过长期繁复的计算和无数次失败，开普勒得到了这样几行数字，终于发现了关于行星运动的第三条定律.行星TRT2R3水星0.2410.3870.0580.058金星0.6150.7230.3780.378地球1.0001.0001.0001.000火星1.8813.543.543.54木星11.862140.7140.7140.7土星29.457867.7867.7867.73．开普勒第三定律：所有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。即＝k说明：(1) 开普勒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＝k．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) 开普勒三定律是对行星绕太阳运动的总结，实践表明开普勒三定律也适用于其他天体的运动，如月球绕地球的运动，卫星(或人造卫星)绕行星的运动． (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．三、开普勒运动定律得应用：由于大多数行星绕太阳运动的轨道与圆十分接近，因此，在中学阶段的研究中，可以利用圆周运动的相关规律来近似处理，这样，开普勒三定律可以进行如下表述:　(开普勒第三定律的应用)1980年10月14日，中国科学院紫金山天文台发现了一颗绕太阳运行的小行星，2001年12月21日，经国际小行星中心和国际小行星命名委员会批准，将这颗小行星命名为“钱学森星”，以表彰这位“两弹一星”的功臣对我国科技事业做出的卓越贡献.若将地球和“钱学森星”绕太阳的运动看作匀速圆周运动，它们的运行轨道如图所示.已知“钱学森星”绕太阳运行一周的时间约为3.4年，设地球绕太阳运行的轨道半径为R，则“钱学森星”绕太阳运行的轨道半径约为(　　)A. R B. R C. R D. R解析　根据开普勒第三定律，有＝，解得：R钱＝R＝R .所有行星的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。在某种程度上说，科学就是一种近似，一种舍弃了次要因素，紧紧抓住主要因素的近似；
课堂小结 通过本节课的学习，我们了解和知道了：1．“地心说”和“日心说”两种不同的观点及发展过程。2．行星运动的轨迹及物理量之间的定量关系举R3/T2=K(K是与行星无关的量)。3．大行星绕太阳的运动可近似看做匀速圆周运动。
板书设计 §7.1行星的运动一、 日心说，地心说三、 对于开普勒定律的理解1、从空间分布认识开普勒第一定律2、从速度大小变化认识开普勒第二定律3、开普勒第三定律
课后作业 书面作业：完成课本上的相关练习题。拓展作业：查阅资料，了解开普勒是如何通过艰苦的观测和计算得出三大定律的，写一篇小短文介绍开普勒的科学精神。
课后反思 人文精神：人类对行星运动规律的认识过程充满着曲折和艰辛，有的科学家为追求真理甚至献出了宝贵的生命！人们的宇宙观代表着与这个时期社会大背景相适应的主流观念和意识，从地心说的直接经验开始，到日心说的转变，人类的视角超越了地球，开普勒放弃了人们坚信的真理—“匀速圆周运动”，坚信第谷的精确观察数据历经16年之久终获行星的运动规律，这不仅需要严谨的科学态度与科学精神，也需要科学的智慧和勇气，还需要合作精神，更需要坚持不懈的努力与奋斗。同时，我们应该用客观的、发展的眼光看待人类对自然的认识是逐渐进步的，从正确到错误再到正确才是人类对科学的不懈追求，随着科学的发展和人类的进步，我们对自然和宇宙将会有更准确、更全面的认识！
二．开普勒行星
运动定律
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。
第二定律：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相等的面积。
第三定律：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。

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