資源簡介

教學設計
課程基本信息
學科 物理 年級 高一 學期 春季
課題 行星的運動
教學目標
1.物理觀念：①樹立運動觀念，知道地心說和日心說的根本區別是參考系不同；②理解開普勒行星運動三大定律，并能解決實際問題。 2.科學思維：通過了解“地心說”與“日心說”兩大學生的發展的歷史與碰撞過程，體會人類認識事物本質的復雜性與曲折性。 3.科學探究：通過對托勒密、哥白尼、開普勒等科學家對行星運動的觀點與研究過程，體會“觀察”、“猜想與假設”、“實驗驗證”、“結論與推廣”這一科學探究的基本思路。 4.科學態度與責任：理解人們對行星運動的認識過程是漫長復雜的，體會真理的來之不易。
教學內容
教學重點： 1.托勒密、哥白尼、開普勒等科學家對行星運動的觀點與研究過程。 2.地心說和日心說的碰撞史。
3.開普勒行星運動三大定律的發現過程以及內容。
教學難點： 1.體會“觀察”、“猜想與假設”、“實驗驗證”、“結論與推廣”的科學探究基本思路。 2.體會人類認識事物本質的復雜性與曲折性。
3.理解開普勒行星運動三大定律，并能解決實際問題。
教學過程
一、開場 自古以來，人類對宇宙充滿好奇。從最初的抬頭仰望星空，到如今發射航天器去近距離探索，人類從未停止過探索宇宙的腳步。今天我們將開啟新一章內容“萬有引力定律”的學習。在深入了解這個對人類影響深遠的發現之前，我們一起來回顧歷史，聊一聊古人探尋宇宙奧秘的過程，體會科學探究的美妙與艱辛。下面就開始本章的第一節“行星的運動”。 二、新課引入 先來通過一段短片，欣賞一下我們生活的地方——太陽系（播放視頻）如今對大家而言，在太陽系中八大行星繞太陽旋轉早已成為常識。但在那個科技并不發達的古代，一切知識的獲取更多的只能靠觀測和猜測。而星空正好就在眼前，又如此的迷人，自然成為無數人先賢孜孜不倦的研究的對象。 想一想：繁星點點，它們的運動是有序的嗎？ 三、新課教學 （一）地心說與日心說 對于宇宙的構造，古代許多的學者早就提出了自己的看法。在公元前四世紀左右，古希臘的學者就提出了地心說，也叫天動說。后經古希臘思想家亞里士多德完善，在二世紀時由埃及天文學家托勒密發展出較為成熟的地心說理論。地心說認為地球是宇宙的中心，是靜止不動的，太陽月亮以及其他行星都繞這地球運動。地心說的提出是大量學者經觀察得出來的結論，從中可以發現早期科學研究主要以總結生活經驗，觀察生活現象為主。 而在公元前三世紀，幾乎與地心說同一時代，另外一些學者基于自己對宇宙的猜想，提出了日心說，也叫地動說。日心說認為太陽是靜止不動的，地球和其他行星都繞太陽運動。但由于缺乏觀測以及生活經驗的支持，日心說在與地心說的競爭中處于劣勢，在當時并不為人所接受。在16世紀以前，地心說一直是正統，且與實力強大的宗教神學保持一致，成為教會統治的工具。 時間來到了中世紀，1543年波蘭天文學家哥白尼的巨著《天體運行論》出版，在書中他提出了更加完整科學的日心說體系。這本書引發科學發展史和人類思想史上的一場重大革命，標志著現代天文學的誕生。從這里開始，對自然科學的研究思路也開始越來越清晰，對世界的描述不再局限于對表象的觀察和主觀的經驗的闡述，而是開始思想現象后面的本質，提出具有建設性的猜想與假設，并試圖用數據或實驗進行驗證。但這些劃時代的觀念，哥白尼本人都看不到了，在他去世后，一些信仰日心說的學者擔起了這份重任，這其中最著名的人物就是意大利的科學家布魯諾和伽利略。但由于日心說觸犯了教會的威嚴，兩人均受不同程度到教會的迫害。其中布魯諾更是因為對教會進行激進的批判，被認定為異教徒而于1600年被燒死在羅馬的鮮花廣場。伽利略則在闡述新的天文發現時堅定支持日心說，被判處終身監禁。 但地心說的沒落已經不可避免。而隨著觀測技術的改進，天體觀測數據越來越豐富和精確。其中貢獻最大的，是有著肉眼觀星第一人之稱的丹麥物理學家第谷。他對行星的進行了長達20多年的觀察，留下了及其精確的星圖，在當時達到了人類肉眼分辨率的極限。第谷本人并不是日心說的支持者，但他的這些數據卻證明了地心說的不合理性。托勒密提出的地心說其軌道并非單一的圓軌道，而是各行星都繞著一個較小的圓周上運動，叫作“本輪”；而每個圓的圓心則在以地球為中心的圓周上運動，叫作“均輪”。為了與能夠與第谷觀測數據相吻合，地心說需要不斷在軌道中加入本輪與均輪，到最后竟然達到了60多個。顯然這種軌道已經失去了使用價值，不符合大道至簡的道理。相比而言，日心說的軌道更加簡潔，其科學性被大多數人所認可，成為新的主流。 想一想：“地心說”是完全錯誤的嗎？ 從現代的觀點來看，地心說與日心說無非是參考系的不同，地心說以地球為參考系，日心說以太陽為參考系。但正是這次參考系變換，為人類打開了全新的思維方式，現代科學由此誕生。 想一想：“日心說”有缺陷嗎？ 春天立春2.4春分3.20共92天夏天立夏5.5夏至6.21共94天秋天立秋8.7秋分9.22共89天冬天立冬11.7冬至12.21共90天
古人都把天體的運動看得很神圣，認為天體的運動必然是最完美、最和諧的勻速圖周運動。這點連偉大的哥白尼都都深信不宜。然而仔細一想，這恰恰是最不合理的。因為如果天體的運動是勻速圓周運動，那么四季的時間應該相同。 通過對表中數據的觀察，發現秋冬兩季比春夏兩季時間短。這就說明了，行星繞太陽的運動不是勻速圓周運動。 大名鼎鼎的德國天文學家開普勒注意到了日心說的這種不合理性。由于他是第谷的學生兼助手，因此他有幸繼承了第谷生前的所有觀測數據，作為支撐他研究的基礎。開普勒用20年的時間研究了這些觀測記錄，用其敏銳的洞察力和高超的數學技巧，將哥白尼的日心說體系進行了完善，并總結出的行星運動的三條規律，分別于1609年和1619年發表。至此，歷經兩千年的行星運動的研究，經歷觀察、猜想與假設、實驗驗證，最終總結為三條定律，為牛頓發現萬有引力定律并起了鋪平了道路。 （二）行星運動定律 開普勒第一定律（軌道定律）：所有行星繞太陽運動的軌道都是橢圓，太陽處在橢圓的一個焦點上。 開普勒第一定律告訴我們：行星繞太陽運行的軌道嚴格來說不是圓而是橢圓；太陽不在橢圓的中心，而是在其中的個焦點上；行星與太陽間的距離是不斷變化的。何為橢圓呢？ 做一做：畫一個橢圓。 可以用一條細繩和兩只圖釘來畫橢圓。如圖7.1-1,把白紙鋪在木板上，然后按上圖釘：把細繩的兩端系在圖釘上，用一支鉛筆緊貼著細繩滑動，使繩始終保持張緊狀態。鉛筆在紙上畫出的軌跡就是橢圓，圖釘在紙上留下的痕跡叫作橢圓的焦點。 在這里O點叫做橢圓的中心，中心到邊緣的距離有長有短，這里最長叫半長軸a，這邊最短叫半短軸b。保持繩長不變，當兩焦點不斷靠近時，橢圓變大。焦點重合時，半長軸轉變為正圓的半徑。 開普勒第二定律（面積定律）：對任意一個行星來說，它與太陽的連線在相等的時間內掃過的面積相等。 想一想：行星在遠日點的速率與在近日點的速率誰大，為什么？ 當行星離太陽較近的時候, 運行的速度較大，而離太陽較遠的時候速度較小。我們可以這樣分析這兩段所用的時間相同，而這里所走過的弧長更長，所速度大。 開普勒第三定律（周期定律）：所有行星軌道的半長軸的三次方跟它的公轉周期的二次方的比都相等。 若用a代表橢圓軌道的半長軸，T代表公轉周期 比值k是一個對所有行星都相同的常量，k是一個只與中心天體質量有關的物理量。 事實上，行星的軌道與圓十分接近，在中學階段要求不是很嚴格的條件下，我們可以按照圓軌道處理。 按圓軌道處理天體運動時，開普勒關于天體運動的三條定律，具體表述為： 1.行星繞太陽運動的軌道十分接近圓，太陽處在圓心。 2.對某一行星來說，它繞太陽做圓周運動的角速度（線速度）不變，即行星做勻速圓周運動。 3.所以行星軌道半徑r的三次方跟它的公轉周期T的二次方的比值都相等。 總體來說，就是變橢圓運動為勻速圓周運動來處理，對應的半長軸即為圓的半徑。 開普勒三定律的內容就講到這里，但我們同學們對宇宙的探索才邁出了第一步，在后面的學習中，我們將繼續深入學習萬有引力定律。正因為掌握了這一宇宙奧秘，再加上中國航天人吃苦耐勞勇于創新的精神，我們祖國的航天事業才能在短時間內取得如此驚人的成就。在太空建立起“天宮”號空間站，將玉兔號送上月球，讓祝融號登陸火星，我們國家探索太空的腳步相信將不斷向前邁進。俱往矣，數風流人物還看今朝，總有一天，探索的接力棒將會交到我們年青一代的同學們手中。 課堂小結 1.通過對托勒密、哥白尼、開普勒等科學家對行星運動的觀點與研究過程，體會“觀察”、“猜想與假設”、“實驗驗證”、“結論與推廣”這一科學探究的基本思路。 2.通過了解“地心說”與“日心說”兩大學生的發展的歷史與碰撞過程，體會人類認識事物本質的復雜性與曲折性。 3.了解開普勒三大定律的內容，并學會用其結論解決實際問題。 五、作業練習 1.基礎作業 (1)閱讀教材第46-48頁“科學漫步”的內容。 (2)作業練習中的相關作業。 2.擴展作業 (1)搜集各位天文學家的生平與主要成就，體會科學探究的艱辛。 (2)查詢并了解近些年中國航天取得的偉大成就，寫下你的感受。

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