行星的运动教案教案

第1节行星的运动【教学目标】物理观念：了解行星运动定律的发现过程，知道开普勒行星运动定律的内容和意义。科学思维：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。科学探究：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、模型的构建和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。科学态度与责任：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、坚持实事求是是科学研究的基本态度和社会责任。【重点】开普勒行星运动定律，科学探究的思路【难点】科学探究的思路总结【教学资源】学习任务单、作业单，教学设计PPT，细线、白纸【教学思路设计与教学流程】1.问题引入，激发思考师：同学们，在前面的学习中，我们研究了抛体运动和圆周运动的规律，我们发现，运用牛顿运动定律可以很好地解决曲线运动问题！现在，让我们把目光从地上转移到天上，我们来研究行星的运动，行星是怎么运动的，有什么规律？行星为什么这样运动，原因是什么？行星的运动能否运用牛顿运动定律来研究？……这些问题是本章要解决的问题。今天，我们先来研究行星的运动。【板书：第1节行星的运动】师：仰望苍穹，感叹宇宙之浩瀚，个人之渺小。不禁会想，行星是怎么运动的？当然，也许更有价值的问题是：怎么研究行星的运动？生：……2.了解历史，科学探究2.1了解“日心说”与“地心说”之争师：大家的回答很有道理。对于无法通过实验来探究的问题，最好的研究方法恐怕就是通过观察和理论探究了。关于行星的运动，古人的研究经历了哪几个阶段呢？生：“地心说”、“日心说”和“开普勒行星运动定律”三个阶段……师：回答得简洁、精炼！【板书：一、古人对于行星运动的研究1.地心说；2.日心说二、开普勒行星运动定律】师：下面我们来为古人代言，请五位同学为屏幕上所展示的五位伟大人物代言。发言要求：说明你为谁代言，国籍，观点和观点依据？下面给大家一分钟的准备时间。生1（托勒密）：我是希腊学者托勒密生2（哥白尼）：我是波兰天文学家哥白尼生3（伽利略）：生4（第谷）：生5（开普勒）：师：大家的代言非常精彩！把古人的观点表述得准确、严谨、简洁。下面，请思考三个问题：（1）从运动的角度看，“地心说”和“日心说”的区别在哪里？（2）“日心说”为什么能够战胜“地心说”？（3）开普勒是“日心说”的忠实粉丝，促使他发现行星运动定律的原因是什么？请同学们思考并分组讨论后回答。生6：从“地心说”到“日心说”，如果仅从运动的角度来看，确实是参考系的转变，但是从运动和力的关系的角度看，“日心说”把人们带到了牛顿力学面前；再者，从“地心说”到“日心说”，实际上是一次革命，是一次世界观的革命，宇宙中心的变化，也许说明了宇宙可能根本就没有中心。生7：“日心说”相比于“地心说”有以下优势：1.简洁；2.精确的观察；3.一批愿意为真理而献身的科学斗士，诸如哥白尼、布鲁诺、伽利略等……生8：开普勒相信哥白尼的学说，所以开始时他按行星绕太阳做匀速圆周运动的观点来思考问题。在他对火星轨道的研究中，70余次尝试所得的结果都与第谷的观测数据有至少8’的偏差。是第谷的测量错了吗？开普勒对第谷数据的精确性深信不疑。他想，这不容忽视的8’偏差也许正是因为行星的运动并非匀速圆周运动。此后，经过多年的尝试性运算，终于发现了行星的轨道不是圆而是椭圆！2.2科学的道路上总是布满荆棘，甚至威胁师：上面几位同学对前人研究结果的评价，很客观、很到位！今天，我们在这里评价前人的研究成果，云淡风轻、岁月静好，可事实上，科学发展的道路并不总是一帆风顺的！从“地心说”到“日心说”的转变，有多少人为此做出了巨大的牺牲，甚至是生命的代价（展示哥白尼、布鲁诺、伽利略的图片）！向这些为科学献身的科学家们致敬！3.学习规律，理解应用3.1探究椭圆的特征师：接下来就让我们一起走进开普勒的行星世界。开普勒的研究表明行星的轨道是椭圆，什么是椭圆？如何画椭圆呢？椭圆与圆有什么关系？请大家拿出自己准备的器材（纸板、白纸、细线和图钉等），根据课本45页“做一做”栏目的提示绘制椭圆。学生们动手在自己准备的器材上绘制椭圆，并分析椭圆与圆的关系。师：展示学生的作品。师：通过画图，椭圆具有哪些特征？请同学们找一找，同桌之间相互讨论一下。生9：椭圆具有：（1）两个焦点；（2）是轴对称图形，有两个对称轴，分别称为长轴和短轴；（3）两焦点之间的距离越近，椭圆形状就越接近于圆形。师：回答得很到位、很全面！这里要注意椭圆的焦点和对称轴，我们把长轴的一半叫半长轴、短轴的一半叫半短轴！知晓椭圆的特征后，我们再来认识一下开普勒行星运动定律。3.2理解开普勒行星运动定律请大家在熟悉定律的基础上思考：这三个定律所描述的关键问题各是什么？请分组讨论后再回答。生10：开普勒第一定律描述的是行星的轨道是椭圆，太阳位于焦点，说明行星与太阳间的距离在不断变化；开普勒第二定律描述的是行星的运行速率，行星离太阳越近，速率越大；开普勒第三定律描述的是行星的公转周期与轨道半长轴之间的关系，行星的半长轴越大，其公转周期越长。师：生10理解得很到位，将三个定律的关键点都说清楚了。下面我们再来一起看一下这三个定律，根据定律的描述要点，我们把开普勒第一、第二、第三定律分别叫作轨道定律、面积定律和周期定律。【板书：1.轨道定律；2.面积定律；3.周期定律】注意三个问题：不同行星的椭圆轨道相同吗？不同行星与太阳的连线在相等时间内扫过的面积相等吗？不同行星轨道半长轴的三次方与其公转周期的二次方的比值相等吗？学生逐一回答！我们来看两组数据：项目水金地火木土天王星海王星半长轴a/km57,91万108,208,930149,597,87022794万778,33万1,429,40万2,870,99万4,504,00万公转周期T87.7天224.7天1年1.9年11.8年29.5年84.0年164.8年天文学上，地球公转轨道半径在天文学上常用来作为长度单位，叫作天文单位（符号为AU），用来量度太阳系内天体与太阳的距离。项目水金地火木土天王星海王星半长轴a/AU0.380.7211.525.209.5419.21830.06公转周期/年T/年0.240.6211.911.829.584.0164.8从中可体会，为什么开普勒用了20年的时间研究第谷的行星观测记录，把几千个数据概括为三句简洁的话！天才不只是灵感，还有汗水！3.3探究k值的影响因素师：中的k值与行星有关吗？那与什么有关？为什么？生11：k值与行星无关，与太阳有关，因为不同行星都绕太阳转动，故作上述推测！师：回答正确！推测很有道理！关于这个问题的具体原因，我们在第三节课再具体解决！【学以致用】【习题1】（多选）火星和木星沿各自的椭圆轨道绕太阳运动，根据开普勒行星运动定律可知（）A．太阳位于木星运动轨道的中心B．火星和木星绕太阳运动的速度的大小始终相等 C．火星与木星公转周期之比的二次方等于它们轨道半长轴之比的三次方 D．相同时间内，火星与太阳连线扫过的面积不等于木星与太阳连线扫过的面积【答案】CD4.合理近似，明确范围4.1探究行星的轨道与圆的关系师：行星的轨道虽然是椭圆，但与圆十分接近，说出你的依据。生12：依据1：课本46页图7.1-3太阳系八颗行星轨道示意图，发现从四个不同的角度测量时，行星到太阳的距离几乎相等，并且比例尺越小，越接近于圆。依据2：开普勒在研究行星的轨道时，发现火星的轨道按圆形分析时与观测有不少于8’偏差，这个角度并不是很大，其他行星没有提及，说明其他行星按圆形轨道计算所得结果与观测结果偏差不大。师：生12的分析很细致，充分利用了教材资源，论证非常充分！看下面的表格，表格中列出了各行星轨道的偏心率。项目水星金星地球火星木星土星天王星海王星偏心率0.2060.00680.01670.09320.04830.05420.04720.00859需要说明的是偏心率越小，椭圆与圆形越接近。师：可以看到，除了水星和火星的偏心率较大外，其他行星轨道的偏心率都较小，其轨道十分接近于圆。因此在高中阶段我们把行星的轨道按圆形来处理，这样，开普勒定律应该怎样来表述呢？生13：1.行星绕太阳运动的轨道十分接近圆，太阳处在圆心。2.对某一行星来说，它绕太阳做圆周运动的线速度大小不变，即行星做匀速圆周运动。3.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.师：回答得很好！下面我们学以致用，看习题2.【习题2】太阳系八大行星绕太阳运行的轨迹可粗略地视为圆，下表是各星球的半径和轨道半径．行星名称水星金星地球火星木星土星天王星海王星星球半径/×106m2.446.056.373.3969.858.223.722.4轨道半径/×1011m0.5791.081.502.287.7814.328.745.0从表中所列数据可以估算出天王星的公转周期最接近（）A．40年 B．80年 C．160年 D．200年【答案】B4.2探究开普勒定律的适用范围师：开普勒定律研究的是行星绕太阳的运行规律，对于其他恒星系统是否成立呢？对于绕行星运转的卫星是否适用呢？请大家思考并讨论后作出回答。生14：开普勒定律适用于行星绕恒星的运动，这体现了规律的普遍性和概括性；开普勒定律也适用于卫星绕行星的运动，原因是在研究卫星的运动时，卫星和行星一起绕恒星运动，如果以行星为参考系，则卫星绕行星运行，其运动规律是相同的。师：回答的很好，规律具有高度的概括性！所以，开普勒定律的适用范围是：既适用于行星绕恒星的运动，也适用于卫星绕行星的运动；既适用于椭圆轨道，也适用于圆形轨道。【习题3】关于开普勒行星运动定律，下列说法正确的是（）A.开普勒定律是开普勒根据哥白尼对行星位置观测记录的大量数据，进行计算分析后获得的结论B.应用开普勒第三定律时，地球绕太阳公转时的轨道半长轴的三次方与其公转周期的二次方的比值记为k1，月球绕地球转动时的轨道半长轴的三次方与其公转周期的二次方的比值记为k2，则k1=k2.C.根据月球绕地球轨道的半长轴a、公转周期T以及人造卫星的轨道半径r，可以求出人造卫星的周期为D.开普勒定律，只适用于太阳系，对其他恒星系不适用；行星的卫星（包括人造卫星）绕行星的运动，是不遵循开普勒定律的【答案】C5.总结探究思路，梳理本节内容师：通过对行星运动规律的学习，现在再回过头来总结，假如让你来研究行星的运动，你会怎么研究？请大家考虑后回答。生15：师：回答得很好！最后一个问题：行星为什么绕太阳运动呢？生：因为受到太阳的引力作用。师：很好！为什么会想到从受力的角度来分析这个问题呢？生：因为力是改变运动状态的原因。师：力和运动关系的观点已经牢固的建立起来。那么，牛顿运动定律还适用于天体的运动吗？天体间的引力有什么规律吗？前人是怎么研究引力的？这些问题我们下一节课再讨论。师：站在前人的肩膀上，我们自然可以看得更远，也可以避免很多弯路！下面请同学们回顾一下本节课所讲的主要内容。生16：……6.作业布置师：生16讲得非常好！本节课的作业是阅读课本并完成《作业单》上的习题。【教学反思】本节课通过设置问题链，激发学生思考，学生在对一个一个问题的思考、讨论和解决的过程中，熟悉了行星运动规律的研究过程，了解了“地心说”和“日心说”，理解了开普勒行星运动定律的发现过程，加深了对行星运动定律的理解。同时，通过对行星运动定律的学习，也使学生对科学探究的一般思路有了更为清楚的认识。总之，通过问题引导、探究学习，使学生对“力和相互作用的观念”有了更广泛的认识，促进了科学探究素养的提升，也加强了科学态度和责任等素养的培养。附1：《第1节行星的运动》学习任务单【学习目标】了解行星运动定律的发现过程，知道开普勒行星运动定律的内容和意义【重点】开普勒行星运动定律，科学探究的思路【难点】科学探究的思路总结，开普勒定律的适用范围【学习任务1】阅读课本46~48页“科学漫步”栏目的内容，完成以下问题：一、对行星运动的研究历程1.对行星运动规律的认识主要经历了哪几个阶段？2.对行星运动的研究有重要影响的代表人物一览表代表人物国籍观点依据3.从运动学的角度看，地心说和日心说的区别是什么？4.为什么日心说最终战胜了地心说？【学习任务2】阅读课本45页~46页内容，思考如下问题：二、开普勒行星运动定律1.开普勒能够得到行星运动规律的原因是什么？2.开普勒的第一、第二、第三定律描述的关键问题是什么？3.教材通过画图说明说明“行星绕太阳的轨道十分接近圆”，到底有多接近呢？4.开普勒行星运动定律对地球卫星的运动是否适用呢？（一）开普勒第一定律1.内容：所有行星绕太阳运动的轨道都是，太阳处在椭圆的。2.认识椭圆：两人一组学画椭圆，观测焦点间距变小时，椭圆的形状变化。3.所有行星的轨道都在是同一个椭圆吗？（二）开普勒第二定律1.内容：对任意一个行星来说，它与太阳的连线在相等的时间内。2.不同行星与太阳的连线在相等时间扫过的面积都相等吗？3.由于行星与太阳之间的距离在不断变化，行星的速率恒定不变吗？（三）开普勒第三定律1.内容：所有行星轨道的半长轴的跟它的公转周期的的比都相等。2.不同的行星，这个比值都相等吗？3.月球绕地球运行轨道半长轴的三次方与其公转周期二次方的比值k1跟地球绕太阳运行轨道半长轴的三次方与其公转周期二次方的比值k2相等吗？（四）行星轨道的近似处理针对课本46页图7.1-3，两幅图的比例尺不同，使用刻度尺在几个不同方向上分别测量木星、地球到太阳的距离并加以比较。如果把行星的轨道按圆形轨道来处理，开普勒行星运动定律应该怎么表述？（五）适用范围1.从研究对象的角度来看，既适用于的运行，也适用于的运行；2.从轨道的特征来看，既适用于轨道，也适用于轨道。三、行星绕日运动的原因通过开普勒行星运动定律知道了行星绕太阳运动。行星为什会绕着太阳运动？历史上科学家是怎么认识的？这其中有着怎样的规律？【学以致用】【习题1】（多选）火星和木星沿各自的椭圆轨道绕太阳运动，根据开普勒行星运动定律可知（）A．太阳位于木星运动轨道的中心B．火星和木星绕太阳运动的速度的大小始终相等 C．火星与木星公转周期之比的二次方等于它们轨道半长轴之比的三次方 D．相同时间内，火星与太阳连线扫过的面积不等于木星与太阳连线扫过的面积【习题2】太阳系八大行星绕太阳运行的轨迹可粗略地视为圆，下表是各星球的半径和轨道半径．从表中所列数据可以估算出天王星的公转周期最接近（）行星名称水星金星地球火星木星土星天王星海王星星球半径/×106m2.446.056.373.3969.858.223.722.4轨道半径/×1011m0.5791.081.502.287.7814.328.745.0A．40年 B．80年 C．160年 D．200年【习题3】关于开普勒定律，下列说法正确的是（）A.开普勒定律是开普勒根据哥白尼对行星位置观测记录的大量数据，进行计算分析后获得的结论B.应用开普勒第三定律时，地球绕太阳公转时的轨道半长轴的三次方与其公转周期的二次方的比值记为k1，月球绕地球转动时的轨道半长轴的三次方与其公转周期的二次方的比值记为k2，则k1=k2.C.根据月球绕地球轨道的半长轴a、公转周期T以及人造卫星的轨道半径r，可求出人造卫星的周期为D.开普勒定律，只适用于太阳系，对其他恒星系不适用；行星的卫星（包括人造卫星）绕行星的运动，是不遵循开普勒定律的【习题参考答案】1.CD；2.B；3.C.附2：《第1节行星的运动》作业单【习题1】2021年4月28日，国际行星防御大会召开，我国代表介绍了正在论证的小行星探测任务。关于开普勒行星运动定律，下列说法中正确的是（）A．牛顿发现万有引力定律后，开普勒整理牛顿的观测数据后，发现了行星运动的规律B．此定律不仅适用于行星绕太阳运动，也适用于宇宙中其他卫星绕行星的运动 C．开普勒第三定律＝k，月亮围绕地球运动的k值与人造卫星围绕地球运动的k不同D．行星绕太阳运动时，线速度方向时刻在变，但大小始终不变【习题2】（多选）地球的公转轨道接近圆，但彗星的公转轨道则是一个非常扁的椭圆，如图所示。天文学家哈雷成功预言哈雷彗星的回归，哈雷彗星最近出现的时间是1986年。哈雷彗星在近日点与太阳中心的距离为r1，远日点与太阳中心的距离为r2，其轨道的半长轴约等于地球公转半径的18倍。下列说法正确的是（）A．哈雷彗星从近日点运行至远日点所需时间约为30年B．哈雷彗星在近日点和远日点的速度大小之比为r2：r1 C．哈雷彗星下次飞近地球的时间约在2062年D．相同时间内，哈雷彗星与太阳连线扫过的面积和地球与太阳连线扫过的面积相等【习题3】中国北斗卫星导航系统已经组网完成，具备区域导航、定位和授时能力，定位精度为分米、厘米级别，测速精度为0.2米/秒，授时精度为10纳秒。北斗导航在轨工作的33颗卫星轨道半径有两种，一种是轨道半径为42000公里的同步地球轨道（其周期与地球自转周期相同），另一种是轨道半径为28000公里的中圆地球轨道，则在中圆地球轨道上运行的卫星的周期约为（）A．5小时 B．13小时 C．16小时 D．44小时【习题4】银河系中有两颗行星绕某恒星做圆周运动。从天文望远镜中观察到它们的运转周期之比为8：1，则它们的向心加速度大小之比为（）A．1：4 B．8：1 C．1：16 D．16：1【高考练兵】1.（13•江苏）火星和木星沿各自的椭圆轨道绕太阳运行，根据开普勒行星运动定律可知（）A．太阳位于木星运行轨道的中心B．火星和木星绕太阳运行速度的大小始终相等C．火星与木星公转周期之比的平方等于它们轨道半长轴之比的立方D．相同时间内，火星与太阳连线扫过的面积等于木星与太阳连线扫过的面积2.（2018•新课标Ⅲ）为了探测引力波，“天琴计划”预计发射地球卫星P，其轨道半径约为地球半径的16倍；另一地球卫星Q的轨道