高中物理教学案——行星的运动

行星的运动
一、素质教育目标
（一）知识教学点
1．了解“地心说”和“日心说”两种不同学说的建立和发展过程．
2．知道开普勒对行星运动的描述．
（二）能力训练点
培养学生在客观事实的基础上通过分析、推理，提出科学假设，再经过实验检验的正确认识事物本质的思维方法．
（三）德育渗透点
通过开普勒行星运动定律的建立过程，渗透科学发现的方法论教育、建立科学的宇宙观．（四）美育渗透点
通过学习，使学生了解到科学家为追求真理而不懈努力，顽强的执著精神，从他们身上所流露出来的人格美．
二、学法引导
学生自学、结合教师的讲解、介绍．
三、重点·难点·疑点及解决办法
1．重点
“日心说”的建立过程和行星运动的规律．
2．难点
学生对天体的运动缺乏感性认识．
3．疑点
开普勒是如何确定行星运动规律的．
4．解决办法
利用挂图，有条件的学校可放影像资料片形象地表现行星的运动情况．
四、课时安排
1课时
五、教具学具准备
行星运动的挂图或资料片
六、师生互动活动设计
1．教师用生动语言来介绍天体物体的发展历史，引起学生产生思想上的共鸣．
2．学生通过阅读教材和观看相关资料来提高认识．
七、教学步骤
（一）明确目标
（略）
（二）整体感知
在浩瀚的宇宙中有着无数大小不一、形态各异的天体，如太阳、地球、月亮、星星等等．这些天体是如何运动的呢？人类最初是通过直接的感性认识以及受宗教的影响，建立了“地心说”，但后来，第谷等科学家通过长期观测，记录了大量的观测数据，对地心说进行挑战，哥白尼在此基础上提出了“日心说”，“日心说”认为太阳是宇宙的中心，其他天体（包括地球）都绕太阳作匀速圆周运动．“日心说”虽在“地心说”的基础上前进了一大步，但“日心说”解释行星运动时与实际观测的结果仍有一定的误差，最终开普勒通过计算，确立了行星运动的正确图景：所有的行星围绕太阳运动的轨道都是椭圆，太阳处在所有椭圆的一个焦点上，所有行星的轨道的半长轴的三次方跟公转周期的二次方的比值都相等．开普勒对行星
运动的描述，为牛顿发现万有引力定律奠定了重要基础．
（三）重点、难点的学习与目标完成过程
1．“地心说”和“日心说”的发展过程
我们生活在地球上，地球是浩瀚宇宙中无数星球中的一个，这些星球是如何运动的呢？ 在古代，人们认为地球是静止不动的，太阳、月亮及其他行星都围绕地球运动，这就是“地心说”．“地心说”虽然符合人们的日常经验，也符合宗教神学关于地球是宇宙中心的说法．但随着世界航海事业的发展，人们希望借助星星的位置为船队导航，因而对行星的运动观测越来越精确，由大量的观测数据表明，用托勒密的“地心说”模型很难得出完满的解答，当时，哥伦布和麦哲伦的探险航行已经使不少人相信地球并不是一个平台，而是一个球体，哥白尼就开始推测是不是地球每天在围绕自己的轴线旋转一周呢？他假想地球并不是宇宙的中心，它与其他行星都是围绕着太阳在作匀速圆周运动的．这个模型称为“日心说”，用“日心说”能够较好地和观测数据相符合，但是哥白尼思想很晚才为人们所接受，他的著作发表后，几乎在一个世纪中完全被人们所忽视，主要原因是：（1）在他们的著作中，“日心说”只是一个“假设”，若用这个“假设”，行星运动的计算比“地心说”容易得多．（2）当时的欧洲正处于基督教改革与反改革的骚乱中，一个人的科学见解可能会成为判断其是否忠诚的试金石．（3）在哥白尼的著作中有一些很不精确的数据，根据这些数据得出的计算结果不能很好地与行星位置的观测结果相符合，（4）最后，甚至于连哥白尼本人也认为必须把托勒密的“本轮”的思想引进他的模型中．
丹麦物理学家开普勒继承和总结了他的导师第谷的全部观测资料，他花了几年时间一遍一遍地进行数学计算，通过计算，他感到哥白尼的“日心说”是正确的，并且把行星运动的轨迹修改为椭圆，他的发现可以归结为行星运动三大定律，这些经验定律精确地与观测数据相符，因而被人们接受．
2．开普勒行星运动定律
开普勒关于行星运动的描述可以表述为三定律，我们主要是介绍第一和第三定律． 开普勒第一定律：所有的行星围绕太阳运动的轨道都是椭圆，太阳处在所有椭圆的一个焦点上．
由于行星的运动轨迹不是正圆，因而它与太阳的距离一直在改变，有时它向太阳靠拢，而有时则向远离太阳的方向漫游．在整个运动过程中，它的速度大小和方向是不断改变的． 开普勒第三定律：所有行星的轨道的半长轴的三次方跟公转周期的二次方的比值都相等．
虽然每个行星的椭圆轨道各有一个，但它们运动的轨道的半长轴的三次方跟公转周期平方的比值却都是相同的，我们用R 代表椭圆轨道的半长轴，T 代表公转周期，经验公式表述为：
23
T
R ＝k 比值k 是一个与行星本身无关的物理量，由这个定律我们知道，离太阳最近的行星——水星的运动周期最小（为88天），我们生活的地球的运转周期约为365天．
（四）总结、扩展
本节课我们学习了行星的运动，了解了人类对行星运动的探索和认识的过程，知道了所有行星都是沿椭圆轨道绕太阳运动的，并且符合公式
2
3
T R ＝k
应该说明的是
（1）行星绕太阳运动都符合：
2
3
T R ＝k 如对于地球和木星比较，就有：
k T R T R ==2323木木地地
但月球人造卫星以及其他行星的卫星并不是主要绕太阳运动的，它们和行星的运动比较，就有：
k T R T R =≠2323行行卫卫
（2）对于同一个行星的不同卫星，它们也符合运动规律：
2
3
T r ＝'K 如月球和各人造卫星同步，就符合这一规律，但'K 是与K 不同的量，这一点我们在学完这一章后将能够证明．
八、布置作业
1．阅读课本111P 阅读材料“行星、恒星、星系和宇宙”
． 2．太阳系中有九大行星，请你将它们绕太阳运动的周期由小到大依次排序．
3．阅读有关同步通讯卫星的材料，估算出它和月亮距地心的距离比值．
九、板书设计
一、行星的运动
1．“地心说”与“日心说”的发展过程
2．开普勒行星运动定律
（1）内容
（2）公式：23
T
R ＝k 十、背景知识与课外阅读
自行车“身上”的力学知识
自行车在我国是很普及的代步和运载工具．在它的“身上”运用了许多力学知识．
1．测量中的应用
在测量跑道的长度时，可运用自行车．如普通车轮的直径为0.71m 或0.66m ．那么转过一圈长度为直径乘圆周率π，即约2.23m 或2.07m ，然后，让车沿着跑道滚动，记下滚过的圈数n ，则跑道长为n ×2.23m 或n ×2.07m ．
2．力和运动的应用
（1）减小与增大摩擦．
车的前轴、中轴及后轴均采用滚动以减小摩擦．为更进一步减小摩擦，人们常在这些部位加润滑剂．
多处刻有凹凸不平的花纹以增大摩擦．如车的外胎，车把手塑料套，蹬板套、闸把套等．变滚动摩擦为滑动摩擦以增大摩擦．如在刹车时，车轮不再滚动，而在地面上滑动，摩擦大大增加了，故车可迅速停驶．而在刹车的同时，手用力握紧车闸把，增大刹车皮对钢圈的压力以达到制止车轮滚动的目的．
（2）弹簧的减震作用．
车的坐垫下安有许多根弹簧，利用它的缓冲作用以减小震动．
3．压强知识的应用
（1）自行车车胎上刻有载重量．如车载过重，则车胎受到压强太大而被压破．
（2）坐垫呈马鞍型，它能够增大坐垫与人体的接触面积以减小臀部所受压强，使人骑车不易感到疲劳．
4．简单机械知识的应用
自行车制动系统中的车闸把与连杆是一个省力杠杆，可增大对刹车皮的拉力．自行车为了省力或省距离，还使用了轮轴：脚蹬板与链轮牙盘；后轮与飞轮及龙头与转轴等．
5．功、机械能的知识运用
（1）根据功的原理：省力必定费距离．因此人们在上坡时，常骑“S 形”路线就是这个道理．
（2）动能和重力势能的相互转化．
如骑车上坡前，人们往往要加紧蹬几下，就容易上去些，这里是动能转化为势能．而骑车下坡，不用蹬，车速也越来越快，此为势能转化为动能．
6．惯性定律的运用
快速行驶的自行车，如果突然把前轮刹住，后轮为什么会跳起来．这是因为前轮受到阻力而突然停止运动，但车上的人和后轮没有受到阻力，根据惯性定律，人和后轮要保持继续向前的运动状态，所以后轮会跳起来．
切记下坡或高速行驶时，不能单独用自行车的前闸刹车，否则会出现翻车事故！ 十一、随堂练习
1．如果我们用天文望远镜观察一年中不同时期火星的位置，并且将这些位置连线，请你想像将会是怎样的一条线呢？火星的周期为687天．
2．下列说法正确的是 （ ）
A ．关于天体运动的日心说、地心说都是错误的
B ．地球是一颗绕太阳运动的行星
C ．地球是宇宙的中心、太阳、月亮及其他行星却绕地球转动
D ．太阳是静止不动的，地球和其他行星都在绕太阳转动
3．两个行星的质量分别是1m 、2m ，它们绕太阳运行的轨道长半轴分别是1R 和2R ，则它们的公转周期之比1T ∶2T ＝________．
4．宇宙飞船围绕太阳在近似圆形的轨道上运动，若轨道半径是地球轨道半径的9倍，则宇宙飞船绕太阳运行的周期是 （ ）
A ．3年
B ．9年
C ．27年
D ．81年
答案：1．地球和火星是绕太阳同方向作圆周运动的，且它们的轨道在同一平面内．由于地球距太阳近，周期小，听以当地球“追赶”火星时，地球上的人将观测到火星向着观测者运动；当地球“超越”火星后，地球上的人将观测到火星运离观测者运动．所以地球上的人观测到火星的轨迹是一条来回的折线．
2．AB 3．3
23
1R R 4．C。