資源簡介

微專題1從運動的角度認識行星運動
高中物理必修2 第七單元 萬有引力與宇宙航行
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學習目標
)1、了解人類對行星運動規律的認識歷程，知道開普勒行星運動定律及其科學價值。
2、知道行星繞太陽運動的原因，知道引力提供了行星繞太陽做勻速圓周運動的向心力。
3、認識到科學研究一般從最基本的觀念開始，憑借對現象的觀測、模型的建構以及模型與事實之間的相互作用，不斷修正原有的觀念和模型，使其逐步接近真實，獲得物理規律。
4、認識到相信自然的簡單和諧是科學家研究的動力之一，尊重客觀事實、堅持事實求是科學研究的基本態度和社會責任。
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情境導入
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我國于2020年7月23日發射的第一顆火星探測器“天問一號”于2021年2月份成功被火星捕獲，成為火星的一顆衛星。“天問一號”在環繞火星運動的過程中遵循怎樣的運動規律呢？為了解決這個問題，讓我們一起先來回顧一下人類認識行星運動的歷程，來開始本章的學習。
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學習任務
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【任務一】了解地心說與日心說的爭論
【任務二】正確理解開普勒行星運動定律
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學習活動
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【任務一】了解地心說與日心說的爭論
【活動設計】
1.1問題與任務：閱讀科學漫步欄目“人類對行星運動規律的認識”，列舉出地心說和日心說的主要代表人物，并闡述這兩種學說的基本觀點。
分析：地心說代表人物：托勒密等；主要觀點是：地球位于天體的中心，月球、水星、金星、太陽等都圍繞地球旋轉。
日心說代表人物：哥白尼等；主要觀點是：太陽是靜止不動的，地球和其他行星圍繞太陽運動。
1.2問題與任務：從運動學的角度來看，地心說與日心說有哪些相似的地方，區別是什么？
分析：從運動學的角度來看，兩種學說都認為行星的運動是完美的，都在做圓周運動；所不同的是兩種學說所選取的參考系不同，地心說以地球為參考系，日心說則以太陽為參考系。
1.3問題與任務：為什么地心說占住很長時間的主導地位？為什么日心說最終戰勝了地心說？
分析：雖然地心說在解釋火星的逆行現象時需要用到復雜的本輪、勻輪，但由于它符合宗教的教義，因此得到教廷的支持。盡管哥白尼提出的日心說可以用更簡潔的理論來解釋逆行現象，卻遭到禁止。但是正是由于科學家們堅持自然應該是簡單和諧的理念和事實求是的基本科研態度，終于，開普勒用了20年的時間研究了丹麥天文學家第谷的行星觀察資料，發現了行星運動定律，最終否定了地心說。
【設計意圖】
通過讓學生閱讀科學漫步中的相關的內容，使學生對人類認識行星運動的過程有大致的了解，并能根據所讀內容提煉出一些重要的信息，進一步加深對這個歷程的認識。同時，在了解了關于行星運動的兩種學說后，由于我們之前學習過如何描述物體的運動，這里希望學生能結合所學的知識去認識這兩種學說的相同點和不同點，并為后面開普勒打破固有思維發現行星運動定律做個鋪墊。最后通過兩個問題，讓學生認識到科學探究的艱難以及科學家們相信自然是簡單和諧的理念，并樹立起尊重客觀事實、堅持事實求是科學研究的基本態度和社會責任。
【任務二】正確理解開普勒行星運動定律
【活動設計】
2.1問題與任務：開普勒能夠得到行星運動定律的原因有哪些？并如何構建起行星運動的三個基本規律？
分析：通過分析開普勒總結出行星運動定律的原因，使學生了解到開普勒能摒棄行星運動應該是完美圖形-圓的固有觀念，不僅與他堅信第谷觀測數據的精確有關，也與他把觀察數據放在首位有關。這體現了實證思想，也就是科學態度和科學精神。再通過說明發現行星運動定律的過程，使學生認識到科學研究一般從最基本的觀念開始，憑借對對現象的觀測、模型的建構、以及通過科學推理來不斷修正原有的觀念和模型，使其不斷接近真實，從而獲得物理規律。
2.2問題與任務：開普勒第一、第二、第三定律描述的關鍵問題是什么？
分析：開普勒第一定律：所有行星繞太陽運動的軌道都是橢圓，太陽位于橢圓的一個焦點上；開普勒第一定律明確了行星運動軌道的特征：不是一個完美的圓，而是一個橢圓。
開普勒第二定律：從太陽到行星的連線在相等的時間內掃過相等的面積；開普勒第二定律表明了行星運動過程中速度大小的變化規律：即行星離太陽越遠，速度越小。
開普勒第三定律：行星軌道半長軸的三次方與公轉周期的二次方的比是一個常量；開普勒第三定律明確了行星運動周期的定量關系，其表達式為k。
2.3問題與任務：正確理解與應用開普勒第二定律
分析：定律成立的前提是同一顆行星，對于不同的行星，定律并不成立?？梢岳迷摱煞治鲂行沁\動中速度的定性關系，即“近大遠小”；也可以利用該定律得出行星運動過程中最遠點和最近點的速度的定量關系，推導過程如下：
利用微元思想，在最遠點和最近點各處一段極短的相等時間，這樣在這段時間內行星的運動可看成勻速圓周運動；再結合扇形面積的表達式和開普勒第二定律，速度與到太陽的距離成反比的結論。
2.4問題與任務：正確理解和應用開普勒第三定律
分析：
2.4A、定律理解：
1、a 等于行星橢圓軌道上最遠兩點之間距離的一半，T 為公轉周期
2、k 為定值，其數值由太陽（中心天體）質量決定
3、定律也適用于衛星繞行星運動的情況，此時行星為中心天體， k 值將由行星質量決定
4、常用表達式： = 或k
5、定律蘊含行星運動的動力學關系，是牛頓得出萬有引力定律的基礎
2.4B、定律的應用：
主要用于解決行星或衛星繞中心天體運動時與公轉周期等相關的問題。
2.5簡化行星運動的模型
分析：給出行星運動的相關信息表，讓學生體會到所有行星的運動軌道雖然都是橢圓，但都十分接近圓，因此在高中階段，可以將其簡化為圓來處理，這樣我們就能利用所學的力與運動的關系來探究是什么原因使行星做這樣的運動了。簡化后的行星運動規律如下：行星繞太陽運動的軌道十分接近圓，太陽處在圓心；對某一行星來說，它繞太陽做圓周運動的角速度（或線速度）大小不變，即行星做勻速圓周運動；所有行星軌道半徑r 的三次方跟它的公轉周期T 的二次方的比值都相等，即 = k。
【設計意圖】
通過分析開普勒總結出行星運動定律的原因，使學生了解到開普勒能摒棄行星運動應該是完美圖形-圓的固有觀念，不僅與他堅信第谷觀測數據的精確有關，也與他把觀察數據放在首位有關。這體現了實證思想，也就是科學態度和科學精神。再通過說明發現行星運動定律的過程，使學生認識到科學研究一般從最基本的觀念開始，憑借對對現象的觀測、模型的建構、以及通過科學推理來不斷修正原有的觀念和模型，使其不斷接近真實，從而獲得物理規律。
接著給出開普勒行星運動的三大定律，使其明白每個定律對應解決什么問題，再重點對開普勒第二和第三定律進行詳細分析和講解，使學生加深對定律的理解以及如何正確應用定律解決問題。最后通過給出行星運動的相關信息表，讓學生體會到所有行星的運動軌道雖然都是橢圓，但都十分接近圓，因此在高中階段，可以將其簡化為圓來處理，這樣我們就能利用所學的力與運動的關系來探究是什么原因使行星做這樣的運動了。
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活動拓展
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行星“逆行”的視覺現象
行星逆行是指以恒星為參照物，觀察到的一種行星的逆向運動。一般層面上講內外側行星都在距離地球較遠的時間區域順行（視覺），距離近則為逆行。
正如開普勒1609年在他著名的第二定律中所聲明的，行星皆繞太陽運行，距離越遠，運行越慢。不過，從同樣環繞太陽運行的地球上看，情況就顯得復雜一些。水星和金星看上去似乎在太陽兩側振蕩。而“外行星”，即從火星算起所有比地球離太陽更遠的行星，則一律自西向東在天空中巡行，距離太陽越遠，運行得越慢。
因此，只要在幾個月內耐心觀察火星，木星和土星這3顆用肉眼就能看到的外行星，我們就能發現它們以黃道星座為背景緩緩地移動。地球由于距離太陽更近，運行得也更快一些，而這自然不會毫無影響。每當地球“超車”時，外行星看上去就像在天空中開始后退!這就是外行星的“逆行”。這種令人驚奇的現象發生在沖日前后，即太陽、地球、外行星排成一條直線，且地球和外行星位于太陽同側時。小行星也會如此逆行，其中以火星與木星之間的那些最為明亮。
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課堂小結
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