【大单元 教学方案】微专题1 从运动的角度认识行星运动

微专题1从运动的角度认识行星运动高中物理必修2第七单元万有引力与宇宙航行学习目标1、了解人类对行星运动规律的认识历程，知道开普勒行星运动定律及其科学价值。学习目标2、知道行星绕太阳运动的原因，知道引力提供了行星绕太阳做匀速圆周运动的向心力。3、认识到科学研究一般从最基本的观念开始，凭借对现象的观测、模型的建构以及模型与事实之间的相互作用，不断修正原有的观念和模型，使其逐步接近真实，获得物理规律。4、认识到相信自然的简单和谐是科学家研究的动力之一，尊重客观事实、坚持事实求是科学研究的基本态度和社会责任。情境导入情境导入我国于2020年7月23日发射的第一颗火星探测器“天问一号”于2021年2月份成功被火星捕获，成为火星的一颗卫星。“天问一号”在环绕火星运动的过程中遵循怎样的运动规律呢？为了解决这个问题，让我们一起先来回顾一下人类认识行星运动的历程，来开始本章的学习。学习任务学习任务【任务一】了解地心说与日心说的争论【任务二】正确理解开普勒行星运动定律学习活动学习活动【任务一】了解地心说与日心说的争论【活动设计】1.1问题与任务：阅读科学漫步栏目“人类对行星运动规律的认识”，列举出地心说和日心说的主要代表人物，并阐述这两种学说的基本观点。分析：地心说代表人物：托勒密等；主要观点是：地球位于天体的中心，月球、水星、金星、太阳等都围绕地球旋转。日心说代表人物：哥白尼等；主要观点是：太阳是静止不动的，地球和其他行星围绕太阳运动。1.2问题与任务：从运动学的角度来看，地心说与日心说有哪些相似的地方，区别是什么？分析：从运动学的角度来看，两种学说都认为行星的运动是完美的，都在做圆周运动；所不同的是两种学说所选取的参考系不同，地心说以地球为参考系，日心说则以太阳为参考系。1.3问题与任务：为什么地心说占住很长时间的主导地位？为什么日心说最终战胜了地心说？分析：虽然地心说在解释火星的逆行现象时需要用到复杂的本轮、匀轮，但由于它符合宗教的教义，因此得到教廷的支持。尽管哥白尼提出的日心说可以用更简洁的理论来解释逆行现象，却遭到禁止。但是正是由于科学家们坚持自然应该是简单和谐的理念和事实求是的基本科研态度，终于，开普勒用了20年的时间研究了丹麦天文学家第谷的行星观察资料，发现了行星运动定律，最终否定了地心说。【设计意图】通过让学生阅读科学漫步中的相关的内容，使学生对人类认识行星运动的过程有大致的了解，并能根据所读内容提炼出一些重要的信息，进一步加深对这个历程的认识。同时，在了解了关于行星运动的两种学说后，由于我们之前学习过如何描述物体的运动，这里希望学生能结合所学的知识去认识这两种学说的相同点和不同点，并为后面开普勒打破固有思维发现行星运动定律做个铺垫。最后通过两个问题，让学生认识到科学探究的艰难以及科学家们相信自然是简单和谐的理念，并树立起尊重客观事实、坚持事实求是科学研究的基本态度和社会责任。【任务二】正确理解开普勒行星运动定律【活动设计】2.1问题与任务：开普勒能够得到行星运动定律的原因有哪些？并如何构建起行星运动的三个基本规律？分析：通过分析开普勒总结出行星运动定律的原因，使学生了解到开普勒能摒弃行星运动应该是完美图形-圆的固有观念，不仅与他坚信第谷观测数据的精确有关，也与他把观察数据放在首位有关。这体现了实证思想，也就是科学态度和科学精神。再通过说明发现行星运动定律的过程，使学生认识到科学研究一般从最基本的观念开始，凭借对对现象的观测、模型的建构、以及通过科学推理来不断修正原有的观念和模型，使其不断接近真实，从而获得物理规律。2.2问题与任务：开普勒第一、第二、第三定律描述的关键问题是什么？分析：开普勒第一定律：所有行星绕太阳运动的轨道都是椭圆，太阳位于椭圆的一个焦点上；开普勒第一定律明确了行星运动轨道的特征：不是一个完美的圆，而是一个椭圆。开普勒第二定律：从太阳到行星的连线在相等的时间内扫过相等的面积；开普勒第二定律表明了行星运动过程中速度大小的变化规律：即行星离太阳越远，速度越小。开普勒第三定律：行星轨道半长轴的三次方与公转周期的二次方的比是一个常量；开普勒第三定律明确了行星运动周期的定量关系，其表达式为a3T2.3问题与任务：正确理解与应用开普勒第二定律分析：定律成立的前提是同一颗行星，对于不同的行星，定律并不成立。可以利用该定律分析行星运动中速度的定性关系，即“近大远小”；也可以利用该定律得出行星运动过程中最远点和最近点的速度的定量关系，推导过程如下：利用微元思想，在最远点和最近点各处一段极短的相等时间∆t，这样在这段时间内行星的运动可看成匀速圆周运动；再结合扇形面积的表达式和开普勒第二定律，速度与到2.4问题与任务：正确理解和应用开普勒第三定律分析：2.4A、定律理解：1、a等于行星椭圆轨道上最远两点之间距离的一半，T为公转周期2、k为定值，其数值由太阳（中心天体）质量决定3、定律也适用于卫星绕行星运动的情况，此时行星为中心天体，k值将由行星质量决定4、常用表达式：a13T125、定律蕴含行星运动的动力学关系，是牛顿得出万有引力定律的基础2.4B、定律的应用：主要用于解决行星或卫星绕中心天体运动时与公转周期等相关的问题。2.5简化行星运动的模型分析：给出行星运动的相关信息表，让学生体会到所有行星的运动轨道虽然都是椭圆，但都十分接近圆，因此在高中阶段，可以将其简化为圆来处理，这样我们就能利用所学的力与运动的关系来探究是什么原因使行星做这样的运动了。简化后的行星运动规律如下：行星绕太阳运动的轨道十分接近圆，太阳处在圆心；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；所有行星轨道半径r的三次方跟它的公转周期T的二次方的比值都相等，即r3T2【设计意图】通过分析开普勒总结出行星运动定律的原因，使学生了解到开普勒能摒弃行星运动应该是完美图形-圆的固有观念，不仅与他坚信第谷观测数据的精确有关，也与他把观察数据放在首位有关。这体现了实证思想，也就是科学态度和科学精神。再通过说明发现行星运动定律的过程，使学生认识到科学研究一般从最基本的观念开始，凭借对对现象的观测、模型的建构、以及通过科学推理来不断修正原有的观念和模型，使其不断接近真实，从而获得物理规律。接着给出开普勒行星运动的三大定律，使其明白每个定律对应解决什么问题，再重点对开普勒第二和第三定律进行详细分析和讲解，使学生加深对定律的理解以及如何正确应用定律解决问题。最后通过给出行星运动的相关信息表，让学生体会到所有行星的运动轨道虽然都是椭圆，但都十分接近圆，因此在高中阶段，可以将其简化为圆来处理，这样我们就能利用所学的力与运动的关系来探究是什么原因使行星做这样的运动了。活动拓展活动拓展行星“逆行”的视觉现象行星逆行是指以恒星为参照物，观察到的一种行星的逆向运动。一般层面上讲内外侧行星都在距离地球较远的时间区域顺行（视觉），距离近则为逆行。正如开普勒1609年在他著名的第二定律中所声明的，行星皆绕太阳运行，距离越远，运行越慢。不过，从同样环绕太阳运行的地球上看，情况就显得复杂一些。水星和金星看上去似乎在太阳两侧振荡。而“外行星”，即从火星算起所有比地球离太阳更远的行星，则一律自西向东在天空中巡行，距离太阳越远，运行得越慢。因此，只要在几个月内耐心观察火星，木星和土星这3颗用肉眼就能看到的外行星，我们就能发现它们以黄道星座为背景