2024-2025學年高中物理第三章萬有引力定律1天體運動教案1教科版必修2

PAGE1-天體運動教學目標1.能簡要地說出日心說、地心說的兩種不同觀點。2.知道開普勒對行星運動描述的三定律。3.體會科學家在宣揚和追求科學真理時所表現(xiàn)的堅決信念和獻身精神。重點難點重點：開普勒三定律難點：對開普勒三定律的理解和應用設計思想萬有引力定律揭示了天體運動的規(guī)律與地上物體運動的規(guī)律具有內在的一樣性，正是在該理論指導之下，人類勝利登上了月球，實現(xiàn)了千百年來的飛天之夢。本節(jié)介紹了人類早期對天體運動的相識，重點是開普勒對行星運動描述的三定律。本節(jié)教學既是前面《勻速圓周運動》內容的進一步的延長和拓展，又是為了學習萬有引力定律和后續(xù)原子結構模型做鋪墊。本節(jié)課在充分利用大量物理史實的基礎上，以解決如何描述行星運動的系列問題為線索，圍繞太陽-行星模型性綻開教學，實行以啟發(fā)式講授為主的教學方式，指導閱讀、比較歷史上關于宇宙中心、行星運動軌跡的觀點和思想，引導學生把物理事實作為證據(jù)的觀念，依據(jù)證據(jù)、邏輯和已有學問做出科學說明，留意對學生進行科學精神與人文精神教化及科學方法教化。教學資源《天體運動》多媒體課件教學設計【課堂引入】展示視頻：“天宮一號”放射場景；“神舟九號”與“天宮一號”首次手控對接（過渡：天宮一號是中國第一個目標飛行器和空間試驗室，于2011年9月29日21時16分3秒在酒泉衛(wèi)星放射中心放射，飛行器全長10.4米，最大直徑3.35米，由試驗艙和資源艙構成。它的放射標記著中國邁入中國航天“三步走”戰(zhàn)略的其次步其次階段。2011年11月3日凌晨實現(xiàn)與神舟八號飛船的對接任務。2012年6月18日14時14分與神舟九號對接勝利。依據(jù)安排神舟十號飛船也將在接下來的時間里與天宮一號完成交會對接任務?！疤鞂m一號”為什么能夠上天？這就是本章要探討的主要內容，我們首先一起沿著前人的腳步來探究天體運動的規(guī)律。）【課堂學習】學習活動一：日心說（組織學生閱讀課文，自主學習）問題1：古代人們對天體運動有哪些觀點?（在古代，人們對于天體的運動存在著地心說和日心說兩種對立的看法。）問題2：什么是“地心說”？揚中（地心說的代表人物是亞里士多德和托勒密。他們從人們的日常閱歷（太陽從東邊升起，西邊落下）提出地心說，認為地球是宇宙的中心，并且靜止不動，全部行星圍繞地球作圓周運動。地心說比較符合當時人們的閱歷和宗教神學的思想，成為神學的信條，被人們信奉了一千多年，但它所描述的天體運動，不僅困難而且以此為依據(jù)所得的歷法與實際差異很大。）揚中問題3：什么是“日心說”?（日心說的代表人物是哥白尼，他在《天體運行論》一書中，對日心說進行了詳細的論述和數(shù)學論證。認為太陽是靜止不動的，地球和其他行星圍繞太陽運動。把地球從天體運動的中心位置移到了一個一般的行星的位置。行星運動的描述顯得更簡潔、更科學。日心說使科學從神學中解放出來，戰(zhàn)勝了地心說，漸漸被人們接受。）問題4：哥白尼的學說完全正確嗎？大家知道是哪位科學家發(fā)覺了行星運動的規(guī)律？與地心說相比，哥白尼的日心說無疑是進步的，但他固守天體作勻速圓周運動的傳統(tǒng)思想，追求數(shù)的和諧與美，他的天體運動模型缺乏深化的物理思索，事實上是一個數(shù)學模型。丹麥天文學家第谷認為，要相識行星運動的規(guī)律，須要積累高度精確的觀測資料，他連續(xù)二十年，對行星的位置進行了精確的測量，雖然沒有得到結果，但是他積累大量的觀測數(shù)據(jù)。第谷去世后，他的助手德國天文學家開普勒（571－1630）在最初探討他的導師第谷所記錄的數(shù)據(jù)時，也是以行星繞太陽做勻速圓周運動的模型來思索問題的，但是所得結果卻與第谷的觀測數(shù)據(jù)至少有8分的角度誤差。當時公認的第谷的觀測誤差不超過2分，開普勒想，這不容忽視的8分或許是因為人們認為行星繞太陽做勻速圓周運動所造成的。至此，人們長期以來視為真理的觀念——天體做勻速圓周運動，第一次受到了懷疑。后來開普勒又細致探討了第谷的觀測資料，經過四年多的刻苦計算，先后否定了19種設想，最終最終發(fā)覺了天體運動的規(guī)律，提出了聞名的行星運動定律。（這部分內容學生不太熟識，應以老師介紹為主，同時利用史實讓學生體會科學探討的艱辛，真理的得出來之不易，要經驗幾代人的共同努力。另外，通過開普勒的事例培育學生嚴謹?shù)目捶ǎ杭词故?分的誤差也是不容忽視的。）學習活動二：開普勒行星運動定律問題1：你知道橢圓嗎？在數(shù)學中，橢圓是平面上到兩個固定點的距離之和是常數(shù)的軌跡。這兩個固定點叫做焦點。經由這個定義，這樣畫出一個橢圓：先打算一條線，將這條線的兩端各綁在一點上（這兩個點就當作是橢圓的兩個焦點）；取一支筆，將線繃緊，這時候兩個點和筆就形成了一個三角形；然后拉著線起先作圖，持續(xù)的使線繃緊，最終就可以完成一個橢圓的圖形了，如圖所示。橢圓各參量如圖所示。問題2：開普勒第肯定律的內容是什么？如何理解“全部”兩字？開普勒第肯定律：全部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。各行星在不同的橢圓軌道上，但全部橢圓軌道的焦點重合，太陽位于重合的焦點上，如圖。（展示動畫：八大行星）問題3：開普勒其次定律的內容是什么？如何理解該定律？開普勒其次定律：從太陽到行星的連線在相等時間內掃過相等的面積。如圖：假如時間間隔相等，即t2-t1=t4-t3，那么面積A=面積B。問題：如圖，行星繞太陽的運行軌道為橢圓，近地點A到太陽的距離為a，遠日點B到太陽的距離為b，求行星在A、B兩點的速率之比?！窘馕觥浚阂越攸c和遠地點為中心，取一個同樣的極短的時間間隔Δt，由開普勒其次定律可知，在這個時間Δt內，衛(wèi)星和地心的連線掃過的面積相等，如圖所示。設衛(wèi)星在近地點和遠地點的速率分別為v1和v2，并把衛(wèi)星在這極短時間Δt內的運動看成勻速率運動。因這兩個扇形面積相等：，所以：v1：v2=b:a由此也可以發(fā)覺，行星做的是變速運動，越接近太陽，運動越快。問題4：開普勒第三定律的內容是什么？開普勒第三定律：行星軌道半長軸的三次方跟公轉周期的二次方的比值是一個常量。即：問題5：這里的k有可能與什么有關呢？組織學生活動：教材第44頁練習與評價3的表格。將全班學生分為八組，讓學生用計算器計算出每組k的數(shù)值，然后全班溝通，統(tǒng)一填在表格中，最終全班同學一起計算k的平均值。結論：可見k是一個與行星無關的常數(shù)。（k是一個與行星或衛(wèi)星無關的常量，但不同星球的行星或衛(wèi)星K值不肯定相等。）問題：已知木星繞太陽公轉的周期是地球繞太陽公轉周期的12倍。則木星繞太陽公轉軌道的半長軸為地球公轉軌道半長軸的倍。解析：木星和地球均為繞太陽運行的行星，可利用開普勒第三定律干脆求解。本題考查開普勒第三定律的應用。由開普勒第三定律可知：對地球：對木星所以點撥：在利用開普勒第三定律解題時，應留意它們的比值中的k是一個與行星運動無關的常量。（過渡：探討發(fā)覺，開普勒定律不僅適用于行星，也適用于衛(wèi)星，但這時應與天體的質量有關，開普勒關于行星運動的描述為萬有引力定律的發(fā)覺奠定了基礎。行星沿橢圓做變速運動，它的運動如此困難，我們數(shù)學上還沒有學習橢圓，而且橢圓也比較困難，中學階段如何去探討行星的運動呢？）學習活動三：中學處理天體運動的方法問題1：能否將行星的橢圓軌道簡化成我們熟識的圓軌道？這樣做的誤差大嗎？開普勒在最初探討他的導師第谷所記錄的數(shù)據(jù)時，也是以行星繞太陽做勻速圓周運動的模型來思索問題的，但是所得結果卻與第谷的觀測數(shù)據(jù)有8分的角度誤差，當時公認的第谷的觀測誤差不超過2分。可見，將橢圓軌道簡化成圓軌道誤差并不太大。而且行星的橢圓軌道都很接近圓(展示動畫：八大行星，很簡潔看出軌道特別接近圓)，所以在中學階段分析和處理天體運動時，常把橢圓軌道作為圓軌道來處理，太陽處在圓心，這是突出主要因素，忽視次要因素的志向化方法，是探討物理最常用的方法。問題2：將行星運動軌道簡化成橢圓后，行星的運動遵循什么規(guī)律？依據(jù)開普勒其次定律，對某一行星來說，它繞太陽做圓周運動的角速度不變（或線速度大小不變），即行星做勻速圓周運動。這是我們熟識的運動模型。問題3：此時，開普勒第三定律應當如何改寫？全部行星軌道半徑的三次方跟它公轉周期的二次方的比值都相等，即。開普勒關于行星運動的描述為萬有引力定律的發(fā)覺奠定了基礎。（學習活動三的內容在人教版中有明確的探討，但教科版中只是其次節(jié)出現(xiàn)一句話的描述，筆者還是傾向人教版的觀點，這樣做能為后面的學習打下伏筆，學生理解起來也更便利。）【課堂小結】 問題1：“地心說”和“日心說”的代表分別是誰？問題2：開普勒三定律的內容各是什么？如何理解？問題3：中學階段處理天體運動的方法是什么？【板書設計】一、日心說地心說——托勒密日心說——哥白尼二、開普勒行星運動定律1．開普勒第肯定律：軌道定律2．開普勒其次定律：面積定律3．開普勒第三定律：周期定律三、中學處理天體運動的方法1．行星繞太陽運動的軌道特別接近圓，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不變，即行星做勻速圓周運動。3.全部行星軌道半徑的三次方跟它公轉周期的二次方的比值都相等，即。天體運動課堂反饋1、首先總結出行星繞太陽運動規(guī)律的天文學家是()A.第谷B.哥白尼C.牛頓D.開普勒2、關于開普勒行星運動定律，下列說法正確的是（）A.開普勒定律是依據(jù)長期連綿不斷的、對行星位置觀測記錄的大量數(shù)據(jù)，進行計算分析后獲得的結論B.依據(jù)開普勒其次定律，行星在橢圓軌道上繞太陽運動的過程中，其速度的大小隨行星與太陽之間距離的改變而改變，距離小時速度小，距離大時速度大C.行星繞太陽運動的軌道，可以近似看作為圓，即可以認為行星繞太陽做勻速圓周運動D.開普勒定律，只適用于太陽系，對其他恒星系不適用；行星的衛(wèi)星（包括人造衛(wèi)星）繞行星的運動，是不遵循開普勒定律的3、關于行星繞太陽運動的下列說法中正確的是（

）A.全部行星都在同一橢圓軌道上繞太陽運動B.行星繞太陽運動時太陽位于行星軌道的中心處C.離太陽越近的行星的運動周期越長D.全部行星的軌道半長軸的三次方跟公轉周期的二次方的比值都相等4、關于開普勒第三定律的公式，以下理解正確的（）A．k是一個與行星無關的常量B．若地球繞太陽運轉軌道的半長軸為R