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2019-2020年高一物理《行星的運(yùn)動(dòng)》教學(xué)設(shè)計(jì)教案 【教學(xué)目的】 知識(shí)目標(biāo)：了解“地心說(shuō)”和“日心說(shuō)”兩種不同的觀(guān)點(diǎn)及發(fā)展過(guò)程；知道開(kāi)普勒對(duì)行星運(yùn)動(dòng)的描述。 能力目標(biāo)：培養(yǎng)學(xué)生在客觀(guān)事物的基礎(chǔ)上通過(guò)分析、推理提出科學(xué)假設(shè)，再經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的正確認(rèn)識(shí)事物本質(zhì)的思維方法。 德育目標(biāo)：通過(guò)開(kāi)普勒行星運(yùn)動(dòng)定律的建立過(guò)程，滲透科學(xué)發(fā)現(xiàn)的方法論教育，建立科學(xué)的宇宙觀(guān)；激發(fā)學(xué)生熱愛(ài)科學(xué)、探索真理的求知熱情。 【教學(xué)重點(diǎn)】“日心說(shuō)”的建立過(guò)程和行星運(yùn)動(dòng)的規(guī)律 【教學(xué)難點(diǎn)】學(xué)生對(duì)天體運(yùn)動(dòng)缺乏感性認(rèn)識(shí)；開(kāi)普勒如何確定行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律的 【教學(xué)儀器】 【教學(xué)方法】啟發(fā)式綜合教學(xué)法 【教學(xué)過(guò)程】 引入： 提問(wèn)：在遠(yuǎn)古時(shí)代，為了耕種與收獲，人們需要提前知道季節(jié)的更替，旱季或雨季的來(lái)臨。當(dāng)時(shí)沒(méi)有現(xiàn)在這樣先進(jìn)的儀器，人們是憑什么來(lái)判斷的呢？在人們學(xué)會(huì)利用指南針來(lái)指引方向以前，航行時(shí)又是憑什么來(lái)判斷方向？ 為了解決這些問(wèn)題，人類(lèi)通過(guò)對(duì)天體——太陽(yáng)、月亮、行星和恒星的觀(guān)察，找到了解決問(wèn)題的辦法，人類(lèi)就這樣開(kāi)始了對(duì)天體的位置和運(yùn)動(dòng)的研究。 新課教學(xué) 展示教學(xué)目標(biāo) 一、行星的運(yùn)動(dòng)的兩種學(xué)說(shuō) 在古老的宇宙觀(guān)中，人們把天看成是一個(gè)蓋子，地是一塊平板，平板就由柱子支撐著。 在公元前四到三世紀(jì)，對(duì)于天體的運(yùn)動(dòng)，希臘人有兩種不同的看法，請(qǐng)看影片。 [播放影片] 提問(wèn)：天體的運(yùn)動(dòng)，古希臘人有哪兩種不同的認(rèn)識(shí)？ 1．地心說(shuō) 地心說(shuō)的內(nèi)容是：地球是宇宙的中心，并且靜止不動(dòng)，一切行星圍繞地球做簡(jiǎn)單的完美的圓周運(yùn)動(dòng)。 地心說(shuō)最早是歐多克斯在公元前三世紀(jì)提出，他從幾何的角度解釋天體的運(yùn)動(dòng)，把天上復(fù)雜的周期現(xiàn)象，分解為若干個(gè)簡(jiǎn)單的周期運(yùn)動(dòng)；他又給每一種簡(jiǎn)單的周期運(yùn)動(dòng)指定一個(gè)圓周軌道，或者是一個(gè)球形的殼層，他認(rèn)為天體都在以地球?yàn)橹行牡膱A周上做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，并且用二十七個(gè)球?qū)觼?lái)解釋天體的運(yùn)動(dòng)，到了亞里士多德時(shí)，又將球?qū)釉黾拥轿迨鶄€(gè)。 地心說(shuō)的代表人物是古希臘的天文學(xué)家托勒密，他在公元127-151年進(jìn)行觀(guān)測(cè)，進(jìn)一步發(fā)展了地心說(shuō)。托勒密設(shè)想，各行星都繞著一個(gè)較小的圓周上運(yùn)動(dòng)，而每個(gè)圓的圓心則在以地球?yàn)橹行牡膱A周上運(yùn)動(dòng)。他的假設(shè)較為完滿(mǎn)的解釋了當(dāng)時(shí)觀(guān)測(cè)到的行星運(yùn)動(dòng)情況，并取得了航海上的實(shí)用價(jià)值，從而被人們廣為信奉。 2．日心說(shuō) 日心說(shuō)的內(nèi)容：太陽(yáng)是宇宙中心并且靜止不動(dòng)，一切行星都圍繞太陽(yáng)做圓周運(yùn)動(dòng)。 日心說(shuō)最早由阿利斯塔克（公元前四世紀(jì)到三世紀(jì)）在公元前260年提出，他認(rèn)為地球每天在自己的軸上自轉(zhuǎn)，每年沿圓周軌道饒日一周，太陽(yáng)是不動(dòng)的，是宇宙中心，而地球等行星則以太陽(yáng)為中心沿圓周運(yùn)動(dòng)。但阿利斯塔克的見(jiàn)解當(dāng)時(shí)沒(méi)有人表示理解或接受，因?yàn)檫@與人們?nèi)庋劭吹降谋碛^(guān)景象不同。 1535年，波蘭科學(xué)家哥白尼用“四個(gè)九年的時(shí)間”完成了長(zhǎng)達(dá)六卷的科學(xué)巨著《天體運(yùn)行論》，對(duì)日心說(shuō)有更具體的論述和數(shù)學(xué)論證。此書(shū)的出版是科學(xué)史上的一次革命，被譽(yù)為是“自然科學(xué)的獨(dú)立宣言”。 3．兩種學(xué)說(shuō)的斗爭(zhēng) 我們看到，從公元前三世紀(jì)地心說(shuō)的提出到16世紀(jì)哥白尼對(duì)日心說(shuō)做出數(shù)學(xué)論證，地心說(shuō)統(tǒng)治了人們的思想長(zhǎng)達(dá)一千五百多年。 托勒密的天體模型之所以能夠流行千年，是有它的優(yōu)點(diǎn)和歷史原因的。它的主要特點(diǎn)是： A．繞著某一中心的勻角速運(yùn)動(dòng)，符合當(dāng)時(shí)占主導(dǎo)思想的柏拉圖的假設(shè)，也適合于亞里士多德的物理學(xué)，易于被接受。 B．用幾種圓周軌道不同的組合預(yù)言了行星的運(yùn)動(dòng)位置，與實(shí)際相差很小，相比以前的體系有所改進(jìn)，還能解釋行星的亮度變化。 C．地球不動(dòng)的說(shuō)法，對(duì)當(dāng)時(shí)人們的生活是令人安慰的假設(shè)，也符合基督教信仰。 在當(dāng)時(shí)的歷史條件下，托勒密提出的行星體系學(xué)說(shuō)，是具有進(jìn)步意義的。 A．首先，它肯定了大地是一個(gè)懸空著的沒(méi)有支柱的球體。 B．其次，從恒星天體上區(qū)分出行星和日月是離我們較近的一群天體，這是把太陽(yáng)系從眾星中識(shí)別出來(lái)的關(guān)鍵性一步。 由于觀(guān)測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，隨著對(duì)行星的研究的加深，人們感到地心說(shuō)對(duì)天體運(yùn)動(dòng)的解釋過(guò)于復(fù)雜和人為化，而日心說(shuō)對(duì)行星的運(yùn)動(dòng)的解釋更為合理簡(jiǎn)單。 但日心說(shuō)危及教會(huì)的思想統(tǒng)治。到哥白尼的年代，當(dāng)時(shí)的歐洲正處在黑暗的中世紀(jì)的末期，亞里士多德－托勒密的地球中心說(shuō)早已被基督教會(huì)改造成為基督教義的支柱。羅馬教廷后來(lái)對(duì)公開(kāi)支持日心說(shuō)的科學(xué)家加以迫害，并于公元1616年把《天體運(yùn)行論》列為禁書(shū)。然而經(jīng)過(guò)開(kāi)普勒、伽利略、牛頓等人的工作，哥白尼的學(xué)說(shuō)不斷獲得勝利和發(fā)展。 哥白尼的宇宙體系動(dòng)搖了基督教宇宙體系的根基，但它并沒(méi)有在天文測(cè)算的精確度上有多大的提高。近代早期最重要的觀(guān)測(cè)工作是由丹麥的第谷（1546-1601）進(jìn)行的。第谷連續(xù)20年對(duì)750顆左右恒星進(jìn)行觀(guān)察并有準(zhǔn)確記錄。 二、開(kāi)普勒定律 雖然哥白尼、伽利略等人否定了地心說(shuō)，但仍然認(rèn)為其他行星圍繞太陽(yáng)做簡(jiǎn)單的完美的圓周運(yùn)動(dòng)。1601年，第谷臨終前將自己觀(guān)測(cè)并準(zhǔn)確記錄的資料、數(shù)據(jù)、圖表全部交給了開(kāi)普勒，希望他能完成天文觀(guān)測(cè)和研究事業(yè)。 1．開(kāi)普勒第一定律 開(kāi)普勒用很長(zhǎng)的時(shí)間對(duì)第谷遺留下來(lái)的觀(guān)測(cè)資料進(jìn)行分析。由于火星的數(shù)據(jù)最多，他將火星選為行星繞日運(yùn)動(dòng)的突破口。起先他仍按傳統(tǒng)觀(guān)念，認(rèn)為行星作勻速圓周運(yùn)動(dòng)。但是經(jīng)過(guò)反復(fù)推算發(fā)現(xiàn)，對(duì)火星來(lái)說(shuō)，無(wú)論按哥白尼的方法，還是按托勒密或第谷的方法，都不能算出同第谷的觀(guān)測(cè)相合的結(jié)果。理論計(jì)算跟測(cè)量所得的誤差最大只有8。 提問(wèn)：如果同學(xué)們?cè)谧鰧?shí)驗(yàn)的時(shí)候，碰到這樣的情況會(huì)怎么處理呢？ 開(kāi)普勒沒(méi)有放過(guò)這8的誤差，他堅(jiān)信觀(guān)測(cè)的結(jié)果。于是他想到，火星可能不是作勻速圓周運(yùn)動(dòng)的。他改用各種不同的幾何曲線(xiàn)來(lái)表示火星的運(yùn)動(dòng)軌跡，終于發(fā)現(xiàn)了開(kāi)普勒第一定律：所有的行星分別在大小不同的橢圓軌道上圍繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)，太陽(yáng)是在這些橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上。這個(gè)發(fā)現(xiàn)把哥白尼學(xué)說(shuō)向前推進(jìn)了一大步。用開(kāi)普勒本人的話(huà)說(shuō)：“就憑這8差異，引起了天文學(xué)的全部革新！” 2．開(kāi)普勒第二定律 接著他又發(fā)現(xiàn)，雖然火星運(yùn)行的速度是不均勻的(最快時(shí)是在近日點(diǎn),最慢時(shí)在遠(yuǎn)日點(diǎn))，但是,從任何一點(diǎn)開(kāi)始，在單位時(shí)間內(nèi)，向徑掃過(guò)的面積卻是不變的。這樣,就得出了關(guān)于行星運(yùn)動(dòng)的第二條定律:“行星的向徑，在相等時(shí)間內(nèi)掃過(guò)相等的面積?！边@兩條定律，刊布于1609年出版的《新天文學(xué)》一書(shū)內(nèi)。 書(shū)中又指出，這兩條定律也適用于其他行星和月球的運(yùn)動(dòng)。 3．開(kāi)普勒第三定律 開(kāi)普勒不滿(mǎn)足已經(jīng)取得的成就，他從第二定律看出，行星運(yùn)動(dòng)速度與行星距太陽(yáng)遠(yuǎn)近有關(guān)，聯(lián)想到行星運(yùn)動(dòng)周期也應(yīng)與行星到太陽(yáng)的距離有關(guān)。 1612年左右，開(kāi)普勒最心愛(ài)的小女兒夭折，他的夫人去世，他的靠山和恩人魯?shù)婪蚨辣黄韧宋徊痪靡厕o世。家破人亡，靠山倒臺(tái)，開(kāi)普勒的境遇十分艱難，但他并未因此而放棄研究。他繼續(xù)對(duì)著第谷留下的那一堆數(shù)字去動(dòng)腦子，去探索各行星軌道之間的幾何關(guān)系。 行星是在作著橢圓運(yùn)動(dòng)，但是它們繞太陽(yáng)一周到底要多少時(shí)間，為什么有的快，有的慢呢？這茫茫宇宙是無(wú)法丈量的。開(kāi)普勒想出了一個(gè)妙法，他將人們最熟悉的地球到太陽(yáng)間的距離R定為1，地球繞太陽(yáng)的公轉(zhuǎn)周期T是1年，以此為標(biāo)準(zhǔn)再換算其他行星的周期和距離，便得到這么一堆數(shù)字： 行星 T R 行星 T R 水星 0.241 0.387 火星 1.881 1.524 金星 0.615 0.723 木星 11.862 5.203 地球 1.000 1.000 土星 29.457 9.539 他們之間到底有什么聯(lián)系？開(kāi)普勒看來(lái)看去，這些數(shù)字四散在桌子上，它們之間就像桌上的蠟燭與天花板上的塵土一般，看不出一點(diǎn)的聯(lián)系。但是開(kāi)普勒?qǐng)?jiān)信宇宙是一個(gè)和諧的整體。他認(rèn)為世間一切物體都有一定的和諧的數(shù)量關(guān)系。于是他將這一堆數(shù)字互加、互減、互乘、互除、自乘、自除，翻來(lái)倒去，想碰碰能否發(fā)現(xiàn)它們之間的規(guī)律。這樣變了一陣魔方，但終究還是亂麻一團(tuán)。 經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期繁復(fù)的計(jì)算和無(wú)數(shù)次失敗，終于有一天，開(kāi)普勒得到了這樣幾行數(shù)字： 行星 T R T2 R2 水星 0.241 0.387 0.058 0.058 金星 0.615 0.723 0.378 0.378 地球 1.000 1.000 1.000 1.000 火星 1.881 3.54 3.54 3.54 木星 11.862 140.7 140.7 140.7 土星 29.457 867.7 867.7 867.7 我們可以看出最后兩列數(shù)字一模一樣！開(kāi)普勒做了那么多加減乘除之后，終于碰著了天體上的一個(gè)電鈕，漆黑的宇宙在他的眼前忽然大放異彩！開(kāi)普勒終于發(fā)現(xiàn)了關(guān)于行星運(yùn)動(dòng)的第三條定律：所有行星的橢圓軌道的半長(zhǎng)軸的三次方與公轉(zhuǎn)周期的二次方的比值都相等。這一結(jié)果發(fā)表在1619年出版的《宇宙諧和論》中。這是一個(gè)天文史上極偉大的發(fā)現(xiàn)，它說(shuō)明太陽(yáng)與其他行星決不是一室烏合之眾，而是一個(gè)極嚴(yán)密的系統(tǒng)——太陽(yáng)系。 這個(gè)關(guān)系從文字表述來(lái)看非常拗口，開(kāi)普勒利用簡(jiǎn)明的數(shù)學(xué)關(guān)系式把它表示出來(lái)。他是第一個(gè)以數(shù)學(xué)公式來(lái)表達(dá)物理定律并獲得成功的科學(xué)家。 例題：木星繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)的周期為地球繞太陽(yáng)的轉(zhuǎn)動(dòng)的周期的12倍，則木星繞太陽(yáng)運(yùn)行的軌道半長(zhǎng)軸約為地球繞太陽(yáng)運(yùn)行軌道半長(zhǎng)軸的　　　倍。 4．開(kāi)普勒定律的重大意義： A．開(kāi)普勒定律以極簡(jiǎn)明的結(jié)論代替了龐大復(fù)雜的系統(tǒng)，使得計(jì)算行星的軌道半徑和它們的位置工作大大簡(jiǎn)化。 B．行星運(yùn)動(dòng)三定律的發(fā)現(xiàn)為經(jīng)典天文學(xué)奠定了基石，并導(dǎo)致了數(shù)十年后萬(wàn)有引力定律的發(fā)現(xiàn)。 5．開(kāi)普勒關(guān)于天文學(xué)研究方法的特點(diǎn)： 請(qǐng)同學(xué)們討論：你認(rèn)為開(kāi)普勒關(guān)于天文學(xué)的研究方法的特點(diǎn)有哪些？ A．尊重觀(guān)察到的事實(shí) B．用幾何和代數(shù)的語(yǔ)言即以數(shù)學(xué)公式來(lái)表達(dá)物理定律并獲得成功（開(kāi)普勒定律的表述是在科學(xué)史上物理定律應(yīng)用于物體運(yùn)動(dòng)的第一個(gè)例子，也是運(yùn)動(dòng)物體動(dòng)力學(xué)和數(shù)學(xué)緊密聯(lián)系的第一個(gè)例子。自從開(kāi)普勒的時(shí)代起，方程就作為物理定律的數(shù)學(xué)表示式自然地發(fā)展起來(lái)） C．把可觀(guān)察的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象作為出發(fā)點(diǎn)，從事實(shí)本身去尋求運(yùn)動(dòng)原因（這是近代物理學(xué)的主要特征之一） 三、小結(jié)和鞏固練習(xí) 小結(jié)： 請(qǐng)同學(xué)們歸納，今本這一節(jié)課學(xué)習(xí)了哪些內(nèi)容？ 本節(jié)學(xué)習(xí)了托勒密的地心說(shuō)、哥白尼的日心說(shuō)、開(kāi)普勒第一定律與開(kāi)普勒第二定律、開(kāi)普勒定律的重大意義。 為了便于記憶開(kāi)這三條重要的定律，有一首打油詩(shī)： 第一定律畫(huà)橢圓 第二定律限面積 周期半徑歸第三 天上從此再不亂 練習(xí)一：古代把天體的運(yùn)動(dòng)看得都很神圣，認(rèn)為天體的運(yùn)動(dòng)必然是完美、和諧的 運(yùn)動(dòng)，后來(lái) 仔細(xì)研究了第谷的觀(guān)察材料，經(jīng)過(guò)4年多的刻苦計(jì)算，最后終于發(fā)現(xiàn)：所有的行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的軌道都是 ，太陽(yáng)處在 位置上，所有行星軌道的 跟 的比值都相等. 練習(xí)二：行星繞恒星的運(yùn)動(dòng)軌道如果是圓形，那么它運(yùn)行周期T的平方與軌道半徑r的三次方的比為常數(shù)，設(shè)T2/r3=k，則常數(shù)k的大小 A. 只與恒星的質(zhì)量有關(guān) B. 與恒星的質(zhì)量及行星的質(zhì)量有關(guān) C. 只與行星的質(zhì)量有關(guān) D. 與恒星的質(zhì)量及行星的速度有關(guān) 練習(xí)三：在太陽(yáng)系中，有九大行星繞太陽(yáng)運(yùn)行，按照距太陽(yáng)的距離排列，由近及遠(yuǎn)依次是：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星，如果把這些行星的運(yùn)動(dòng)近似為勻速圓周運(yùn)動(dòng)，那么它們繞太陽(yáng)運(yùn)行一周所用時(shí)間最長(zhǎng)的是 ，運(yùn)行角速度最大的是 。 練習(xí)四：九大行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的軌跡可粗略地認(rèn)為是圓，已知海王星的公轉(zhuǎn)軌道半徑是地球的公轉(zhuǎn)軌道半徑的30倍，則海王星繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)的周期約為　　　。 練習(xí)五：如果把月亮和同步衛(wèi)星的繞地運(yùn)動(dòng)近似為勻速圓周運(yùn)動(dòng)，已知月亮的軌道半徑約為R1，地球的半徑約為R0，月亮的公轉(zhuǎn)周期約為30天，同步衛(wèi)星的公轉(zhuǎn)周期為一天。同步衛(wèi)星的距地面有多高？