1. 天体运动国家获奖教案

第六章

万有引力与航天

1

天体运动

三维目标

知识与技能

1.了解地心说和日心说的基本内容. 2.明确开普勒三大定律,能应用三定律分析问题. 3.知道人类对行星运动的认识过程. 过程与方法

1.了解观察在发现行星运动规律中的作用.认识物理实验在物理学发展过程中的重要作用. 2.了解科学研究方法对人类认识自然的重要作用. 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.通过人类对行星运动规律认识过程的曲折与艰辛,学习科学家们实事求是、尊重客观事实、敢于坚持真理、勇于创新和不怕牺牲的科学态度与科学精神.

教学重点

对开普勒三大定律的理解. 教学难点

1.开普勒三大定律的适用范围. 2.对开普勒第三定律中k的理解.

教学过程

导入新课

太阳每天东升西落；月亮由东向西运行，有时弯如镰，有时圆如盘，每月变化一次；天上的星星有的看起来不动，有的如闪电划过夜空，日月星辰的这些运动，人们从遥远的古代就注意了.但是,日月交替,斗转星移,天体的运动遵循什么规律?浩瀚星空,哪里才是宇宙的中心?从这一节开始,我们将学习这些规律. 推进新课

一、“地心说”和“日心说”的发展过程

问题探究

通过阅读课本内容，要求学生解决以下问题：

1.在古代，人们对天体的运动的认识有哪几种学说？

2.各个学说的内容是怎样的？代表人物是谁？

3.哪种学说更先进？用现在的观点，如何认识这两种学说？

4.是哪位科学家否定了古人的观点？他发现了什么规律？

学生思考、交流后总结出结论：

1.地心说：地球是静止不动的，地球是宇宙的中心. 代表人物:托勒密(古希腊).

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托勒密(Ptolemy,90—168)

地心说符合人们的直接经验,同时也符合势力强大的宗教神学关于地球是宇宙中心的认识,故地心说一度占据了统治地位. 2.日心说:太阳是静止不动的,地球和其他行星都绕太阳运动.

代表人物:哥白尼.

哥白尼(Nicolaus Copenicus,1473—1543) 3.日心说能更完美地解释天体的运动.

古代的两种学说都不完善,因为太阳、地球等天体都是运动的.鉴于当时对自然科学的认识能力,日心说比地心说更先进. 4.开普勒否定了古人认为天体做匀速圆周运动的观点,他发现了行星的运动规律. 二、开普勒运动定律

1.第谷的观测

第谷（1564—1601）是丹麦的天文学家、出色的观测家，历时二十年观测，记录了行星、月亮、彗星的位置.第谷本人虽然没有描绘出行星运动的规律,但他积累的资料为开普勒的研究提供了坚实的基础. 2.开普勒对行星运动的描述

开普勒(1571—1630)是德国的天文学家、数学天才.开普勒与第谷一起工作了十八个月后,第谷去世了,开普勒以全部的精力整理了第谷的观测资料,在哥白尼学说的基础上又迈进了一步,于1609年在他的著作《新天文学》中提出了著名的三大定律中的前两条,十年后,又提出了第三条定律. ［教师活动］

1.出示行星运动的挂图. 2.放有关行星运动的录像. 通过放录像,让同学能看到三维的立体画面,让同学们的感性认识又提高一步. ［课件展示］

开普勒行星运动的规律

开普勒第一定律: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.如右图所示:

说明：该定律又叫椭圆轨道定律,行星与太阳间的距离一直在变.

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开普勒第二定律:对于任意一个行星来说,它与太阳的连线在相等的时间内扫过相等的面积.如图所示.

说明：该定律又叫面积定律.

开普勒第三定律: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. 3a13a2a3说明：该定律又叫周期定律.数学表达式：2=k,或者22,其中a为椭圆轨道的半长轴，TT1T2T为公转周期.

实践拓展

实际上,多数行星绕太阳运动的轨道与圆十分接近,所以在中学阶段的研究中能够按圆处理,那么开普勒三大定律应该如何表述?

引导学生思考,讨论.

明确:第一定律:多数行星绕太阳运动的轨道十分接近圆,太阳处在圆心.

第二定律:对某一行星来说,它绕太阳做圆周运动的角速度(或线速度大小)不变,即行星做匀速圆周运动.

第三定律:所有行星轨道半径的三次方跟它公转周期的二次方的比值都相等.

设计意图:通过该实践拓展使学生了解处理物理问题的一般方法:抓住主要矛盾,忽略次要因素,提高学生逻辑思维能力及归纳总结能力. 疑难探究

疑难点一：

开普勒第三定律中的k如何理解?它由什么因素决定?

疑难点二：开普勒三定律是通过研究行星运动的规律得出的,那么卫星绕行星运动是否也遵守这些规律呢?如果遵守该如何表述?

疑难点三：我们通常将行星的轨道近似为圆,这样合理吗?

释疑1：比值k是一个与行星无关的常量,只跟行星所围绕的天体有关,即由中心天体决定,因此对于绕同一天体运行的行星此比值是相同的.开普勒第三定律也适用于卫星绕行星的运动,这时的比值是与行星无关的常量.

此结论可由下题得出:

下表所给出的是太阳系中八大行星绕太阳做椭圆运动的平均轨道半径的数值和周期的数R3值.从表中任意选择三个行星验证开普勒定律,并计算常量k=2的值. T

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行星

水星

金星

地球

火星

木星

土星

天王星

海王星

平均轨道半径(m) 5.79×1010

1.08×1011

1.49×1011

2.28×1011

7.78×1011

1.43×1012

2.87×1012

4.50×1012

周期(s) 7.60×106

1.94×107

3.16×107

5.94×107

3.74×108

9.30×108

2.66×109

5.20×109

由学生自己动手计算，可提高学生动手计算的能力，并加深k的决定因素的理解.通过计算得出k值近似相等,得出k由中心天体来决定. 释疑2：研究表明开普勒三定律同样适用于卫星绕行星的运动,即卫星绕行星运动的轨道是椭圆,行星位于椭圆的一个焦点上;行星与卫星的连线在相等的时间内扫过的面积相等;同一行星R3的卫星轨道半长轴的三次方跟运转周期平方的比值都相等.(只不过此时的2=k′中的恒量k′T与行星中的比值不同) 方法链接：处理问题时可以作合理的近似. 释疑3：经观测,多数大行星的轨道十分接近圆,所以中学阶段的研究中可以按圆处理. 板书设计

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行星的运动

内容地心说代表人物一、古代天体运动的学说

日心说内容代表人物椭圆轨道定律二、开普勒行星运动定律面积定律

3a周期定律k2T

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