2019-2020年高一物理《行星的運動》教學(xué)設(shè)計教案.doc

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2019-2020年高一物理《行星的運動》教學(xué)設(shè)計教案 【教學(xué)目的】 知識目標(biāo)：了解“地心說”和“日心說”兩種不同的觀點及發(fā)展過程；知道開普勒對行星運動的描述。 能力目標(biāo)：培養(yǎng)學(xué)生在客觀事物的基礎(chǔ)上通過分析、推理提出科學(xué)假設(shè)，再經(jīng)過實驗驗證的正確認(rèn)識事物本質(zhì)的思維方法。 德育目標(biāo)：通過開普勒行星運動定律的建立過程，滲透科學(xué)發(fā)現(xiàn)的方法論教育，建立科學(xué)的宇宙觀；激發(fā)學(xué)生熱愛科學(xué)、探索真理的求知熱情。 【教學(xué)重點】“日心說”的建立過程和行星運動的規(guī)律 【教學(xué)難點】學(xué)生對天體運動缺乏感性認(rèn)識；開普勒如何確定行星運動規(guī)律的 【教學(xué)儀器】 【教學(xué)方法】啟發(fā)式綜合教學(xué)法 【教學(xué)過程】 引入： 提問：在遠(yuǎn)古時代，為了耕種與收獲，人們需要提前知道季節(jié)的更替，旱季或雨季的來臨。當(dāng)時沒有現(xiàn)在這樣先進(jìn)的儀器，人們是憑什么來判斷的呢？在人們學(xué)會利用指南針來指引方向以前，航行時又是憑什么來判斷方向？ 為了解決這些問題，人類通過對天體——太陽、月亮、行星和恒星的觀察，找到了解決問題的辦法，人類就這樣開始了對天體的位置和運動的研究。 新課教學(xué) 展示教學(xué)目標(biāo) 一、行星的運動的兩種學(xué)說 在古老的宇宙觀中，人們把天看成是一個蓋子，地是一塊平板，平板就由柱子支撐著。 在公元前四到三世紀(jì)，對于天體的運動，希臘人有兩種不同的看法，請看影片。 [播放影片] 提問：天體的運動，古希臘人有哪兩種不同的認(rèn)識？ 1．地心說 地心說的內(nèi)容是：地球是宇宙的中心，并且靜止不動，一切行星圍繞地球做簡單的完美的圓周運動。 地心說最早是歐多克斯在公元前三世紀(jì)提出，他從幾何的角度解釋天體的運動，把天上復(fù)雜的周期現(xiàn)象，分解為若干個簡單的周期運動；他又給每一種簡單的周期運動指定一個圓周軌道，或者是一個球形的殼層，他認(rèn)為天體都在以地球為中心的圓周上做勻速圓周運動，并且用二十七個球?qū)觼斫忉屘祗w的運動，到了亞里士多德時，又將球?qū)釉黾拥轿迨鶄€。 地心說的代表人物是古希臘的天文學(xué)家托勒密，他在公元127-151年進(jìn)行觀測，進(jìn)一步發(fā)展了地心說。托勒密設(shè)想，各行星都繞著一個較小的圓周上運動，而每個圓的圓心則在以地球為中心的圓周上運動。他的假設(shè)較為完滿的解釋了當(dāng)時觀測到的行星運動情況，并取得了航海上的實用價值，從而被人們廣為信奉。 2．日心說 日心說的內(nèi)容：太陽是宇宙中心并且靜止不動，一切行星都圍繞太陽做圓周運動。 日心說最早由阿利斯塔克（公元前四世紀(jì)到三世紀(jì)）在公元前260年提出，他認(rèn)為地球每天在自己的軸上自轉(zhuǎn)，每年沿圓周軌道饒日一周，太陽是不動的，是宇宙中心，而地球等行星則以太陽為中心沿圓周運動。但阿利斯塔克的見解當(dāng)時沒有人表示理解或接受，因為這與人們?nèi)庋劭吹降谋碛^景象不同。 1535年，波蘭科學(xué)家哥白尼用“四個九年的時間”完成了長達(dá)六卷的科學(xué)巨著《天體運行論》，對日心說有更具體的論述和數(shù)學(xué)論證。此書的出版是科學(xué)史上的一次革命，被譽為是“自然科學(xué)的獨立宣言”。 3．兩種學(xué)說的斗爭 我們看到，從公元前三世紀(jì)地心說的提出到16世紀(jì)哥白尼對日心說做出數(shù)學(xué)論證，地心說統(tǒng)治了人們的思想長達(dá)一千五百多年。 托勒密的天體模型之所以能夠流行千年，是有它的優(yōu)點和歷史原因的。它的主要特點是： A．繞著某一中心的勻角速運動，符合當(dāng)時占主導(dǎo)思想的柏拉圖的假設(shè)，也適合于亞里士多德的物理學(xué)，易于被接受。 B．用幾種圓周軌道不同的組合預(yù)言了行星的運動位置，與實際相差很小，相比以前的體系有所改進(jìn)，還能解釋行星的亮度變化。 C．地球不動的說法，對當(dāng)時人們的生活是令人安慰的假設(shè)，也符合基督教信仰。 在當(dāng)時的歷史條件下，托勒密提出的行星體系學(xué)說，是具有進(jìn)步意義的。 A．首先，它肯定了大地是一個懸空著的沒有支柱的球體。 B．其次，從恒星天體上區(qū)分出行星和日月是離我們較近的一群天體，這是把太陽系從眾星中識別出來的關(guān)鍵性一步。 由于觀測技術(shù)的進(jìn)步，隨著對行星的研究的加深，人們感到地心說對天體運動的解釋過于復(fù)雜和人為化，而日心說對行星的運動的解釋更為合理簡單。 但日心說危及教會的思想統(tǒng)治。到哥白尼的年代，當(dāng)時的歐洲正處在黑暗的中世紀(jì)的末期，亞里士多德－托勒密的地球中心說早已被基督教會改造成為基督教義的支柱。羅馬教廷后來對公開支持日心說的科學(xué)家加以迫害，并于公元1616年把《天體運行論》列為禁書。然而經(jīng)過開普勒、伽利略、牛頓等人的工作，哥白尼的學(xué)說不斷獲得勝利和發(fā)展。 哥白尼的宇宙體系動搖了基督教宇宙體系的根基，但它并沒有在天文測算的精確度上有多大的提高。近代早期最重要的觀測工作是由丹麥的第谷（1546-1601）進(jìn)行的。第谷連續(xù)20年對750顆左右恒星進(jìn)行觀察并有準(zhǔn)確記錄。 二、開普勒定律 雖然哥白尼、伽利略等人否定了地心說，但仍然認(rèn)為其他行星圍繞太陽做簡單的完美的圓周運動。1601年，第谷臨終前將自己觀測并準(zhǔn)確記錄的資料、數(shù)據(jù)、圖表全部交給了開普勒，希望他能完成天文觀測和研究事業(yè)。 1．開普勒第一定律 開普勒用很長的時間對第谷遺留下來的觀測資料進(jìn)行分析。由于火星的數(shù)據(jù)最多，他將火星選為行星繞日運動的突破口。起先他仍按傳統(tǒng)觀念，認(rèn)為行星作勻速圓周運動。但是經(jīng)過反復(fù)推算發(fā)現(xiàn)，對火星來說，無論按哥白尼的方法，還是按托勒密或第谷的方法，都不能算出同第谷的觀測相合的結(jié)果。理論計算跟測量所得的誤差最大只有8。 提問：如果同學(xué)們在做實驗的時候，碰到這樣的情況會怎么處理呢？ 開普勒沒有放過這8的誤差，他堅信觀測的結(jié)果。于是他想到，火星可能不是作勻速圓周運動的。他改用各種不同的幾何曲線來表示火星的運動軌跡，終于發(fā)現(xiàn)了開普勒第一定律：所有的行星分別在大小不同的橢圓軌道上圍繞太陽運動，太陽是在這些橢圓的一個焦點上。這個發(fā)現(xiàn)把哥白尼學(xué)說向前推進(jìn)了一大步。用開普勒本人的話說：“就憑這8差異，引起了天文學(xué)的全部革新！” 2．開普勒第二定律 接著他又發(fā)現(xiàn)，雖然火星運行的速度是不均勻的(最快時是在近日點,最慢時在遠(yuǎn)日點)，但是,從任何一點開始，在單位時間內(nèi)，向徑掃過的面積卻是不變的。這樣,就得出了關(guān)于行星運動的第二條定律:“行星的向徑，在相等時間內(nèi)掃過相等的面積?！边@兩條定律，刊布于1609年出版的《新天文學(xué)》一書內(nèi)。 書中又指出，這兩條定律也適用于其他行星和月球的運動。 3．開普勒第三定律 開普勒不滿足已經(jīng)取得的成就，他從第二定律看出，行星運動速度與行星距太陽遠(yuǎn)近有關(guān)，聯(lián)想到行星運動周期也應(yīng)與行星到太陽的距離有關(guān)。 1612年左右，開普勒最心愛的小女兒夭折，他的夫人去世，他的靠山和恩人魯?shù)婪蚨辣黄韧宋徊痪靡厕o世。家破人亡，靠山倒臺，開普勒的境遇十分艱難，但他并未因此而放棄研究。他繼續(xù)對著第谷留下的那一堆數(shù)字去動腦子，去探索各行星軌道之間的幾何關(guān)系。 行星是在作著橢圓運動，但是它們繞太陽一周到底要多少時間，為什么有的快，有的慢呢？這茫茫宇宙是無法丈量的。開普勒想出了一個妙法，他將人們最熟悉的地球到太陽間的距離R定為1，地球繞太陽的公轉(zhuǎn)周期T是1年，以此為標(biāo)準(zhǔn)再換算其他行星的周期和距離，便得到這么一堆數(shù)字： 行星 T R 行星 T R 水星 0.241 0.387 火星 1.881 1.524 金星 0.615 0.723 木星 11.862 5.203 地球 1.000 1.000 土星 29.457 9.539 他們之間到底有什么聯(lián)系？開普勒看來看去，這些數(shù)字四散在桌子上，它們之間就像桌上的蠟燭與天花板上的塵土一般，看不出一點的聯(lián)系。但是開普勒堅信宇宙是一個和諧的整體。他認(rèn)為世間一切物體都有一定的和諧的數(shù)量關(guān)系。于是他將這一堆數(shù)字互加、互減、互乘、互除、自乘、自除，翻來倒去，想碰碰能否發(fā)現(xiàn)它們之間的規(guī)律。這樣變了一陣魔方，但終究還是亂麻一團(tuán)。 經(jīng)過長期繁復(fù)的計算和無數(shù)次失敗，終于有一天，開普勒得到了這樣幾行數(shù)字： 行星 T R T2 R2 水星 0.241 0.387 0.058 0.058 金星 0.615 0.723 0.378 0.378 地球 1.000 1.000 1.000 1.000 火星 1.881 3.54 3.54 3.54 木星 11.862 140.7 140.7 140.7 土星 29.457 867.7 867.7 867.7 我們可以看出最后兩列數(shù)字一模一樣！開普勒做了那么多加減乘除之后，終于碰著了天體上的一個電鈕，漆黑的宇宙在他的眼前忽然大放異彩！開普勒終于發(fā)現(xiàn)了關(guān)于行星運動的第三條定律：所有行星的橢圓軌道的半長軸的三次方與公轉(zhuǎn)周期的二次方的比值都相等。這一結(jié)果發(fā)表在1619年出版的《宇宙諧和論》中。這是一個天文史上極偉大的發(fā)現(xiàn)，它說明太陽與其他行星決不是一室烏合之眾，而是一個極嚴(yán)密的系統(tǒng)——太陽系。 這個關(guān)系從文字表述來看非常拗口，開普勒利用簡明的數(shù)學(xué)關(guān)系式把它表示出來。他是第一個以數(shù)學(xué)公式來表達(dá)物理定律并獲得成功的科學(xué)家。 例題：木星繞太陽轉(zhuǎn)動的周期為地球繞太陽的轉(zhuǎn)動的周期的12倍，則木星繞太陽運行的軌道半長軸約為地球繞太陽運行軌道半長軸的　　　倍。 4．開普勒定律的重大意義： A．開普勒定律以極簡明的結(jié)論代替了龐大復(fù)雜的系統(tǒng)，使得計算行星的軌道半徑和它們的位置工作大大簡化。 B．行星運動三定律的發(fā)現(xiàn)為經(jīng)典天文學(xué)奠定了基石，并導(dǎo)致了數(shù)十年后萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)。 5．開普勒關(guān)于天文學(xué)研究方法的特點： 請同學(xué)們討論：你認(rèn)為開普勒關(guān)于天文學(xué)的研究方法的特點有哪些？ A．尊重觀察到的事實 B．用幾何和代數(shù)的語言即以數(shù)學(xué)公式來表達(dá)物理定律并獲得成功（開普勒定律的表述是在科學(xué)史上物理定律應(yīng)用于物體運動的第一個例子，也是運動物體動力學(xué)和數(shù)學(xué)緊密聯(lián)系的第一個例子。自從開普勒的時代起，方程就作為物理定律的數(shù)學(xué)表示式自然地發(fā)展起來） C．把可觀察的實驗現(xiàn)象作為出發(fā)點，從事實本身去尋求運動原因（這是近代物理學(xué)的主要特征之一） 三、小結(jié)和鞏固練習(xí) 小結(jié)： 請同學(xué)們歸納，今本這一節(jié)課學(xué)習(xí)了哪些內(nèi)容？ 本節(jié)學(xué)習(xí)了托勒密的地心說、哥白尼的日心說、開普勒第一定律與開普勒第二定律、開普勒定律的重大意義。 為了便于記憶開這三條重要的定律，有一首打油詩： 第一定律畫橢圓 第二定律限面積 周期半徑歸第三 天上從此再不亂 練習(xí)一：古代把天體的運動看得都很神圣，認(rèn)為天體的運動必然是完美、和諧的 運動，后來 仔細(xì)研究了第谷的觀察材料，經(jīng)過4年多的刻苦計算，最后終于發(fā)現(xiàn)：所有的行星繞太陽運動的軌道都是 ，太陽處在 位置上，所有行星軌道的 跟 的比值都相等. 練習(xí)二：行星繞恒星的運動軌道如果是圓形，那么它運行周期T的平方與軌道半徑r的三次方的比為常數(shù)，設(shè)T2/r3=k，則常數(shù)k的大小 A. 只與恒星的質(zhì)量有關(guān) B. 與恒星的質(zhì)量及行星的質(zhì)量有關(guān) C. 只與行星的質(zhì)量有關(guān) D. 與恒星的質(zhì)量及行星的速度有關(guān) 練習(xí)三：在太陽系中，有九大行星繞太陽運行，按照距太陽的距離排列，由近及遠(yuǎn)依次是：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星，如果把這些行星的運動近似為勻速圓周運動，那么它們繞太陽運行一周所用時間最長的是 ，運行角速度最大的是 。 練習(xí)四：九大行星繞太陽運動的軌跡可粗略地認(rèn)為是圓，已知海王星的公轉(zhuǎn)軌道半徑是地球的公轉(zhuǎn)軌道半徑的30倍，則海王星繞太陽轉(zhuǎn)動的周期約為　　　。 練習(xí)五：如果把月亮和同步衛(wèi)星的繞地運動近似為勻速圓周運動，已知月亮的軌道半徑約為R1，地球的半徑約為R0，月亮的公轉(zhuǎn)周期約為30天，同步衛(wèi)星的公轉(zhuǎn)周期為一天。同步衛(wèi)星的距地面有多高？