1. 天体运动课堂实录【1】

《行星的运动》教案

一、教学目标

（一）知识与技能

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）过程与方法

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）情感态度与价值观

1、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。

2、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、教学重点

1、“日心说”的建立过程和行星运动的规律。

2、学生对天体的运动缺乏感性认识。

三、教学难点

开普勒是如何确定行星运动规律的。

四、课时安排

1课时

五、教学准备

多媒体课件、粉笔、图片。

六、教学过程

新课导入：

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。

新课讲解：

一、“地心说”和“日心说”的发展过程

地心说：认为地球是宇宙的中心，是静止不动的，太阳、月亮及其他行星都绕地球运动。

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。丹麦天文学家开普勒信奉日心说，通过四年多的刻苦计算，最终发现了三个定律。

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。

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。

阿里斯塔克斯（Aristarchus, 约公元前 310年- 约公元前230年），是人类历史上有记载的首位提倡日心说的天文学者，是古希腊时期、也是人类历史上有记载的最伟大的天文学家，数学家。阿基米德曾利用阿里斯塔克斯的日心说模型计算出宇宙的直径约10万亿英里，而现在已知的银河系直径就约12万亿英里。

他生于古希腊萨摩斯岛。他将太阳而不是地球放置在整个已知宇宙的中心，他是人类歴史上有记载的最早期的日心说的提倡者之一。但是在当时的古希腊、他的宇宙观和杰出的智慧并未能被当时的人们所理解，并被亚里士多德和托勒密的才华之光芒所掩盖，直到16世纪（约1760年以后），哥白尼才很好地发展和完善了阿里斯塔克斯的宇宙观和理论。

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。

克里斯托弗·哥伦布（Christopher Columbus）是意大利的著名航海家，是地理大发现的先驱者（参阅《征服天堂》（Conquest of Paradise，Vangelis范吉利斯）。1451年8月或10月生于意大利热那亚，1506年5月20日卒于西班牙巴利亚多利德。

哥伦布从没承认他当时到达了一个以前欧洲人所不知的大陆，而不是出发前的目标—东印度群岛。他将这个大陆上的居民叫做“印第安人（indias，西班牙语的印度人）”。

他在1492年到1502年间在西班牙国王的资助下四次横渡大西洋，到达美洲大陆，他也因此成为了名垂青史的航海家。但有证据显示，更早发现美洲大陆的有维京人莱夫·埃里克松（Leif Ericson）。

哥伦布是个意大利人，自幼热爱航海冒险。实际上1491年，就已经没人相信地球是个平面了，后来有人说他是为了证实“地圆说”才开始的航行，这种说法是错误的。一方面，地圆说的理论尚不十分完备，许多人不相信，把哥伦布看成江湖骗子。另一方面因为当时西方国家对东方物质财富需求除传统的丝绸、瓷器、茶叶外，还有亚洲的高利润的香料贸易。

哥伦布为了实现自己的计划，到处游说了十几年。直到1492年，西班牙女王伊莎贝拉（Queen Isabella）慧眼识英雄，她说服了国王斐迪南二世(KIng Ferdinand)，使哥伦布的计划才得以实施。因为西班牙王室看到了有可能在与对手的有关亚洲的高利润的香料贸易的竞争中取得先手的遥远但美好前景

哥伦布曾经游说过英国、法国、意大利和葡萄牙，但都被拒绝，拒绝的原因除了上面所述，就是因为哥伦布提出一些过分的要求，例如他要求”航海司令“的头衔，10%的战利品回报，并且要求将他发现的每个国家的总督权过继给他的后代。开始的时候西班牙女王伊莎贝拉也同样拒绝了他，但她却指定了一个皇家委员会考虑哥伦布的计划，并同时决定将哥伦布纳入皇家供奉。直到6年后也就是下文所说的1492年才发了批文。

1492年8月3日，哥伦布受西班牙女王派遣，带着给印度君主和中国皇帝的国书，率领三艘百十来吨的帆船，从西班牙巴罗斯港扬帆出大西洋，直向正西航去。经七十昼夜的艰苦航行，1492年10月12日凌晨终于发现了陆地（属于中美洲加勒比海中的巴哈马群岛，他为它命名为圣萨尔瓦多）圣萨尔瓦多便是

救世主的意思，这个救世主拯救了刚刚兴起的欧洲，但是也许在改变历史的同时，也给其他大洲带去了灾难。

之后，他又登上了美洲的许多海岸。直到1506年逝世，他一直认为他到达的是印度。

后来，一个叫阿美利哥·维斯普西（Americ Vespvck）的意大利学者，经过更多的考察，才知道哥伦布到达的这些地方不是印度，而是一个原来不为多数欧洲人知道的大陆。但是，在命名上这块大陆却用了证实它是欧洲人所未知大陆这种情况的人的名字命了名：阿美利加洲（America美洲）。

哥伦布并不是最早发现美洲大陆的人，“新大陆”狭义上对哥伦布和西方人是“新大陆”，对美洲原住民印第安人来说并不是新大陆，他们早在4万年前就已经到达美洲大陆，大约是在从亚洲渡过白令海峡到达美洲的，或者是通过冰封的海峡陆桥过去的。

不管是那个哥伦布还是其他西方人登上的美洲大陆，都不是“首先发现”，在他们来之前这里不仅有几千万的居民。美洲土著居民本身就是远古时期从亚洲迁徙过去的。中国、大洋洲的先民航海到达美洲也是极有可能的，但这些都不能改变哥伦布发现新大陆的重要意义。哥伦布的发现对世界却产生了当时人所料想不到的巨大影响，也成为了人类历史发展的重要转折点。

新航路的开辟其实只是为了哥伦布想要的钱，他才不在乎什么历史的发展。哥伦布的发现成为美洲大陆开发和殖民的新开端，是历史上一个重大的转折点。

从某种意义上来说，哥伦布可以说是黑人奴隶贸易的先祖，作为一个航海者，他固然伟大；但他同时也是一个万恶的殖民者，他在殖民美洲时所做的事是无法想象的。毕竟从一开始，这个伟大的航海家进行航海的主要原因就是黄金，这间接导致了三角贸易。

15世纪时欧洲人口膨胀，西方人知道美洲大陆后，使欧洲人有了可以殖民的场所，也有了可以使欧洲经济发生改观的土地、矿石和原材料，但同时，这一发现却导致了美洲原住民印第安人文明的毁灭。14-15世纪欧洲资本主义开始快速发展后，欧洲资本主义对原材料的需求和掠夺的希望促使了新航路开辟，之后欧洲人开始对美洲等进行政治的控制，经济的剥削和掠夺，宗教和文化的渗透，大量殖民，使该大陆原住

民的土地丧失，成为宗主国的殖民地，文化和生活方式也逐渐发生消亡。

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。

二、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。

1. 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，太阳位于椭圆轨道的一个焦点上。

使用条件：椭圆或圆，若轨道为圆则太阳位于圆心。

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。

2. 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相等的面积。

（1）近日点速度最大，远日点速度最小。

因为：

S1=S2，

所以：近日点速度最大，远日点速度最小。

从力和速度夹角考虑：

由远日点到近日点夹角小于90°；有近日点到远日点夹角大于90°。

（2）使用条件：椭圆或圆，若为圆则速度大小相同。

3. 开普勒第三定律（周期定律）：行星轨道半长轴的三次方跟它的公转周期的二次方的比值是一个常量。

r3k

T2（1）使用条件：椭圆或圆，若为圆则r为半径。

（2）k只与太阳的质量有关，与行星的参数（v、T、r、m）无关。

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r3为：2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T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：

1、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。

2、开普勒定律不仅适用于行星，也适用于卫星，但这时k应与行星的质量有关。

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r3k

星都是沿椭圆轨道绕太阳运动的，并且符合公式

2T

[来源学+科全

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