行星的运动教学设计1

侯军全日制普通高级中学教科书（必修）教案第六章《万有引力定律》PAGE《行星的运动》第4页（共4页）第六章万有引力定律成百上千年以来，一些根本问题长期困扰者人们：我们从哪里来？我们生存和居住的地方是一幅什么样的图景？我们的小环境和广袤的大环境是通过一个什么样的秩序维系着？…等等等等。这些问题，科学家们探索了上千年，甚至更多。而且，它也不仅仅是一个物理学的问题。但在本章，教材试图用简短的篇幅，介绍这些可敬的先哲们的探索历程，展示他们学说的基本观点，使我们初步明了关于宇宙的模样和秩序。显然，如果不是预先有了科普的熏陶、相关知识的准备，要达到这个目的是很难的。好在我们已经处在一个信息高度发达的时代，一个立体的、高度整合的知识网络体系令我们可以较快地去粗取精、去伪存真。因而，要在短短一周多的时间内，去接受这些伟大的观点还是可能的。本章可分为三个单元：第一单元第一节，学习开普勒关于行星运动描述的有关知识。第二单元第二节和第三节，学习万有引力定律的知识。第三单元第四节至第六节，学习万有引力定律在天体运动中的有关知识。从思想方法来说，本章仍然沿袭动力学分析，可以说是牛顿运动定律的继续应用。但是，因为本章研究的对象处在一个我们相对陌生的空间——宇宙空间，其运动的情景和我们日常的经验难以发生直接联系，不免使我们解决问题时缩手缩脚，放不开，甚至解完了之后也有一种不着边际的感觉，希望大家今后能克服这种心理障碍。此外，正如刚才前面所说，本章所展示的一些基本观点绝不是一本物理教材在短时间内可以讲清楚的，大家可以广泛涉猎一些其它资料，尤其是地理教材，配合学习、理解，这样才会相得益彰，使知识尽快观念化。§6-1行星的运动【教学目的】1、知道人类的力学研究是从研究天体运动开始的，了解科学家们探索天体运动规律的艰辛里程2、知道地心说和日心说两种不同的观点3、知道开普勒对行星运动的描述【教学重点】开普勒第三定律【教学难点】天体运动模式在学生头脑中的建立【课时安排】1课时【教学过程】○、引入我们都知道了白天和黑夜的形成是地球自转的结果，而春夏秋冬季节的循环是地球绕太阳公转的结果。但地球公转的轨道究竟是怎样的？太阳系中其它行星运行的轨道又是怎样的？运行的快慢是相同的吗？等等这些问题，我们过去也许已经有了一些模糊的认识或猜想。但学习了本节，我们将会看到一幅比较清晰的图景。为了表达我们对先哲们探索这部分知识所付出艰辛劳动的尊敬，让我们先回顾一下物理学史——一、地心说和日心说1、行星运动的两种学说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。他们认为地球是不动的，是宇宙的中心，一切天体——太阳、月球、行星和星球都是围绕地球在天空做简单的、完美的圆周运动。因此，他们提出了地心说。地心说：地球是世界的中心，并且静止不动，一切行星围绕地球做圆周运动。倡导地心说的代表人物是古希腊的科学家和哲学家亚里斯多德。完善地心说理论的则是古希腊天文学家托勒密。在古希腊地心说占据了宇宙运动思想的主要地位。但是，其中依然存在着不和谐的音符。毕达哥拉斯学派首先明确的提出了地球绕“中心火”运动的思想。赫拉克利特也曾根据水星和金星从不远离太阳的事实，设想它们是沿圆轨道绕日运转的。还有其他许多人分别提出过无数种关于世界的观点。

最大胆的假设来自萨摩斯岛的阿里斯塔克(AristarchusofSamos)。他在自己的著作《太阳和月亮的大小和距离》一书中提出了明确的日心地动说观点。他认为，太阳和恒星都是不动的，地球以太阳为中心做圆周运动，同时又绕自己的轴做周日旋转。

阿里斯塔克认为恒星之所以看起来没有相对位置变化的现象是因为恒星与地球的距离比地球运行的轨道大得多的缘故。阿里斯塔克计算出月地距离与日地距离为1：19。他又根据日全食时月亮大体上正好遮住太阳，估计出太阳的直径是月亮直径的十九倍。他在月食时计算了地球影子的宽度，得出地球的直径约为月球直径的三倍。因而他认为，太阳的直径比地球的直径大六至七倍。由于观测条件的限制，这些结果当然是不准确的。阿里斯塔克还指出，用他的“日心说”可以解决行星的逆行现象，这是外行星走到与地球同一侧时在天球上的投影效应。阿里斯塔克的学说要求人们对宇宙的观念来一次激烈的改变。他的学说远远超过了当时的天文学和力学知识的水平，因此无法被当时的人们所接受。尽管阿基米德也赞同阿里斯塔克的观点，但这个学说还是被指责为亵渎神灵，长期受到教会的压制。到十六世纪，波兰科学家哥白尼在《天体运行论》一书中，对日心说提出了更具体的论述和数学论证。此书的出版是科学史上的一次革命。日心说：太阳是世界的中心并且静止不动，一切行星都围绕太阳做圆周运动。日心说的代表人物：波兰科学家哥白尼。尽管哥白尼的观点已经被人们所接受，但仍然受到教会的压制，因此，哥白尼的著作长期不能得到出版，后来由他的朋友们才在德国纽伦堡偷偷排印出《天体运行论》。1543年5月24日，已经双目失明的哥白尼抚摸着刚刚出版的书说：“我终于推动了地球。”——然而该书事实上并未正式发行。7月26日，哥白尼逝世。2、两种学说的斗争地心说比较符合人们的日常经验，其观点与教会观点是一致的：认为地球是世界的中心。因此，在一个相当长的时期内，地心说占据着统治地位。但是随着对行星研究的加深，人们感到地心对天体运动的解释过于复杂（提出的初衷也许是简单的，但由于和观测事实发生种种冲突，必须提出一些复杂的修正理论）和人为化，而日心说对行星运动的解释更为合理简单，所以最终日心说战胜了地心说。但是，冲破传统和宗教的束缚，是需要勇气、甚至做出牺牲的，所以在哥白尼之后的一百多年之后，在布鲁诺、第谷和开普勒等人的努力下，日心说才获得了它应有的地位。（天文学家布鲁诺在著作《论无限宇宙和世界》中坚决拥护哥白尼的日心说，被教会逮捕，入狱八年，最后被烧死在罗马鲜花广场。）二、开普勒行星运动定律虽然哥白尼等人否定了地心说，但仍然认为其他行星围绕太阳做圆周运动。但这个观点是错误的。开普勒将第谷对780颗左右的恒星观察结果进行了仔细的研究（第谷是十六世纪丹麦伟大的天文学家，是他1572年发现了银河系第一颗超新星——后来被命名为“第谷星”，也是他首先将彗星确定为天体。第谷进行天文观测时，天文望远镜还没有出现，但他身心高度集中，每天晚上坚持观测，认真做好记录。他的观测结果通常误差不超过2′，比哥白尼的准确20倍，几乎达到了肉眼观测极限。第谷对王公贵族的召见和拜访抱抵促态度，导致权贵们不怎么支持他。在去世前2年，第谷收开普勒为徒，将毕生的观测资料赠给了开普勒。），发现，如果用圆轨道解释天体的运动，那么其运动规律将和第谷的观测结果至少有8′的差异，开普勒不相信这种差异，大胆的否定了天体的圆周运动模式，先后提出19种设想，进行了4年多刻苦的计算，终于提出了关于行星运动的三大定律。我们主要是介绍第一定律和第三定律。1、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。由于行星的运动轨迹不是正圆，因而它与太阳的距离一直都在改变，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。其大小改变的规律也有开普勒第二定律决定。2、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。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，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。而太阳系中距太阳最远的行星——冥王星的公转周期却却长达90612天，即248年！后来，人们还发现，开普勒（行星运动）三定律不仅对太阳系适用，而且对同一行星的各个卫星也是适用的。 附加例题：近似认为地球和土星的公转轨道为圆周，已知土星到太阳的距离是地球到太阳距离的9.5倍，试求土星的公转周期。★解题要点：按部就班解…（答案：29.3年。）☆学生活动：将解题结果对照高一地理教