高中物理必修2第六章第一節(jié)《行星的運(yùn)動(dòng)》教案學(xué)案

1、1第一節(jié) 第一節(jié) 行星的運(yùn)動(dòng) 行星的運(yùn)動(dòng)理解領(lǐng)悟萬有引力定律的建立過程，是從觀察行星運(yùn)動(dòng)、描述行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律開始的。人類對(duì)行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)，經(jīng)歷了從“地心說”到“日心說” ，直到開普勒的行星運(yùn)動(dòng)定律等階段。教材通過對(duì)托勒密、哥白尼、第谷、開普勒等科學(xué)家關(guān)于行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究的介紹，使我們領(lǐng)略到前輩科學(xué)家們對(duì)自然奧秘不屈不撓探索的精神和對(duì)待科學(xué)研究一絲不茍的態(tài)度，感悟到科學(xué)的結(jié)論總是在頑強(qiáng)曲折的科學(xué)實(shí)踐中悄悄地來臨。1. 地心說 地心

2、說古希臘天文學(xué)家托勒密在公元 2 世紀(jì)，提出了地心說宇宙體系。在這個(gè)體系里，地球是靜止不動(dòng)的，地球是宇宙的中心。托勒密按照月亮、水星、金星、太陽、火星、木星、土星，最后是恒星天球（原動(dòng)天）的順序，安排了后來以他的名字命名的地心說宇宙結(jié)構(gòu)。他用“偏心輪” 、 “本輪—均輪”和“等距輪”三種基本運(yùn)動(dòng) 80 多個(gè)“輪上輪”巧妙地說明天體的各種運(yùn)動(dòng)，與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)符合得較好。雖然這只是用以計(jì)算天體角位置的一個(gè)數(shù)學(xué)方案，但因?yàn)橥藗兊闹庇^經(jīng)驗(yàn)一致，又

3、迎合宗教教義，那以后的 1400 多年里一直被大家所公認(rèn)。2. 日心說 日心說15 世紀(jì)，以波蘭天文學(xué)家哥白尼為代表的日心說學(xué)派則認(rèn)為太陽是靜止不動(dòng)的，地球和其他行星都繞太陽運(yùn)動(dòng)。哥白尼在《天體運(yùn)動(dòng)論》中提出了以下基本觀點(diǎn)：宇宙的中心是太陽，所有的行星都在繞太陽做勻速圓周運(yùn)動(dòng)；地球是繞太陽旋轉(zhuǎn)的普通行星，月球是繞地球旋轉(zhuǎn)的衛(wèi)星，它繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還跟地球一起繞太陽運(yùn)動(dòng)；天穹不轉(zhuǎn)動(dòng)，因?yàn)榈厍蛎刻熳晕飨驏|自轉(zhuǎn)一周，造成天體每天東升

4、西落的現(xiàn)象；與日地距離相比，恒星離地都十分遙遠(yuǎn)，比日地間的距離大得多。日心說大大簡(jiǎn)化了對(duì)行星運(yùn)動(dòng)軌道的描述，經(jīng)過與地心說的長(zhǎng)期爭(zhēng)論，最終被人們所接受。但日心說存在兩大缺陷：一是錯(cuò)誤地把太陽當(dāng)成了宇宙的中心，二是沿用了行星在圓形軌道上做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的陳舊觀念。3. 開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律 開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律德國(guó)天文學(xué)家開普勒仔細(xì)整理了丹麥天文學(xué)家第谷留下的長(zhǎng)期觀測(cè)資料，并進(jìn)行了詳細(xì)的分析。為了解釋計(jì)算結(jié)果與第谷的觀測(cè)數(shù)據(jù)間的 8’差異，他摒棄

5、了行星做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的假設(shè)，提出了行星的運(yùn)動(dòng)軌道是橢圓的新觀點(diǎn)。經(jīng)過 10 多年的悉心研究，終于發(fā)現(xiàn)了后來以他的名字命名的行星運(yùn)動(dòng)定律：① 開普勒第一定律（軌道定律） 所有行星繞太陽運(yùn)動(dòng)的軌道都是橢圓，太陽處在橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上。② 開普勒第二定律（面積定律） 對(duì)任意一個(gè)行星來說，它與太陽的連線在相等的時(shí)間內(nèi)掃過相等的面積。③ 開普勒第三定律（周期定律） 所有行星的軌道的半長(zhǎng)軸的三次方跟它的公轉(zhuǎn)周期的二次方的比值都相等。由于開普勒把第谷的

6、宏大數(shù)據(jù)表轉(zhuǎn)化成了一個(gè)簡(jiǎn)單的和可以理解的曲線和規(guī)律的體系——開普勒三定律，且與觀測(cè)資料十分吻合，所有很快得到了天文學(xué)家們的公認(rèn)，而開普勒也得到了“天空的立法者”的光榮稱號(hào)。4. 對(duì)開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律的理解 對(duì)開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律的理解對(duì)于開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律，我們可以從以下幾方面來加以理解：① 開普勒第一定律說明了行星的運(yùn)動(dòng)軌跡是橢圓，太陽在此橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上，而不是位于橢圓的中心。不同的行星位于不同的橢圓軌道上，而不是位于同一橢圓軌道。再

7、有。不同行星的橢圓軌道一般不在同一平面內(nèi)。3第谷：“在他以前，人們觀測(cè)天體位置的誤差大約是 10’，第谷把這個(gè)不確定性減小到2’。他的觀測(cè)結(jié)果為哥白尼的學(xué)說提供了關(guān)鍵性支持。 ”這里通過對(duì)第谷的精于“觀察自然”的描述，強(qiáng)調(diào)了實(shí)驗(yàn)觀察手段在科學(xué)研究中的重要作用。開普勒：開普勒從相信“行星繞太陽做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)”思考問題開始，到對(duì)火星軌道“七十余次嘗試所得的結(jié)果都與第谷的觀測(cè)數(shù)據(jù)有至少 8’的角度偏差” ；直至最后他“對(duì)第谷數(shù)據(jù)的精確性

8、深信不疑……這不容忽視的 8’也許正是因?yàn)樾行堑倪\(yùn)動(dòng)并非勻速圓周運(yùn)動(dòng)” ，第一次大膽地對(duì)“人們長(zhǎng)期以來視為真理的觀念——天體在做‘完美的’勻速圓周運(yùn)動(dòng)”表示懷疑。開普勒相信真理而不迷信權(quán)威的實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，是極好的教育素材。第谷和開普勒是兩個(gè)風(fēng)格截然不同的科學(xué)家，一個(gè)擅長(zhǎng)觀察，另一個(gè)是數(shù)學(xué)天才，但是誰的作用也不可忽略。第谷從實(shí)驗(yàn)觀察入手，開普勒再對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)學(xué)歸納， “把幾千個(gè)數(shù)據(jù)歸納成如此簡(jiǎn)潔的幾句話” ，科學(xué)探索的樂趣與科學(xué)

9、方法的魅力可見一斑。應(yīng)用鏈接本節(jié)知識(shí)的應(yīng)用主要涉及人們對(duì)行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)，以及開普勒三定律的理解和運(yùn)用。基礎(chǔ)級(jí) 礎(chǔ)級(jí)例 1 木星繞太陽運(yùn)動(dòng)的周期為地球繞太陽運(yùn)動(dòng)周期的 12 倍。那么，木星繞太陽運(yùn)動(dòng)軌道的半長(zhǎng)軸是地球繞太陽運(yùn)動(dòng)軌道半長(zhǎng)軸的多少倍？提示 提示 行星公轉(zhuǎn)半長(zhǎng)軸的三次方跟運(yùn)動(dòng)周期的二次方的比值恒定。已知木星繞太陽運(yùn)動(dòng)的周期與地球繞太陽運(yùn)動(dòng)的周期的比值，根據(jù)開普勒第三定律可計(jì)算出木星繞太陽運(yùn)動(dòng)軌道的半長(zhǎng)軸是地球繞太陽運(yùn)動(dòng)軌

10、道半長(zhǎng)軸的倍數(shù)。解析 解析 設(shè)木星、地球繞太陽運(yùn)動(dòng)的周期分別為 T1、T2，它們橢圓軌道的半長(zhǎng)軸分別為a1、a2，根據(jù)開普勒第三定律有 ， 2 23 22 13 1TaTa ?則 。 24 . 5 12 3 2 3 2 22 121 ? ? ? TTaa可見，木星繞太陽運(yùn)動(dòng)軌道的半長(zhǎng)軸約為地球繞太陽運(yùn)動(dòng)軌道半長(zhǎng)軸的 5.24 倍。點(diǎn)悟 點(diǎn)悟 在理解開普勒第三定律時(shí)應(yīng)注意，只有圍繞同一天體運(yùn)動(dòng)的行星或衛(wèi)星，它們半長(zhǎng)軸的三次方與公轉(zhuǎn)周期

11、的二次方之比才是同一常數(shù)。木星、地球都圍繞太陽沿不同的橢圓軌道運(yùn)動(dòng)，太陽在它們橢圓軌道的一個(gè)焦點(diǎn)上，遵循開普勒第三定律。例 2 天文學(xué)家觀測(cè)到哈雷彗星繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)的周期是 76 年，彗星離太陽最近的距離是8.9×1010m，但它離太陽最遠(yuǎn)的距離不能測(cè)出。試根據(jù)開普勒定律計(jì)算這個(gè)最遠(yuǎn)距離。 （太陽系的開普勒恒量 k=3.354×1018m3/s2）提示 提示 算出哈雷彗星繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)軌道的半長(zhǎng)軸，應(yīng)用開普勒第三定律求解