高中物理必修2第六章第一節(jié)《行星的運動》教案學案

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

2、說古希臘天文學家托勒密在公元 2 世紀，提出了地心說宇宙體系。在這個體系里，地球是靜止不動的，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”三種基本運動 80 多個“輪上輪”巧妙地說明天體的各種運動，與實測數(shù)據(jù)符合得較好。雖然這只是用以計算天體角位置的一個數(shù)學方案，但因為同人們的直觀經(jīng)驗一致，又

3、迎合宗教教義，那以后的 1400 多年里一直被大家所公認。2. 日心說 日心說15 世紀，以波蘭天文學家哥白尼為代表的日心說學派則認為太陽是靜止不動的，地球和其他行星都繞太陽運動。哥白尼在《天體運動論》中提出了以下基本觀點：宇宙的中心是太陽，所有的行星都在繞太陽做勻速圓周運動；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動，同時還跟地球一起繞太陽運動；天穹不轉(zhuǎn)動，因為地球每天自西向東自轉(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，比日地間的距離大得多。日心說大大簡化了對行星運動軌道的描述，經(jīng)過與地心說的長期爭論，最終被人們所接受。但日心說存在兩大缺陷：一是錯誤地把太陽當成了宇宙的中心，二是沿用了行星在圓形軌道上做勻速圓周運動的陳舊觀念。3. 開普勒行星運動定律 開普勒行星運動定律德國天文學家開普勒仔細整理了丹麥天文學家第谷留下的長期觀測資料，并進行了詳細的分析。為了解釋計算結(jié)果與第谷的觀測數(shù)據(jù)間的 8’差異，他摒棄

5、了行星做勻速圓周運動的假設(shè)，提出了行星的運動軌道是橢圓的新觀點。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動定律：① 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。② 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(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)化成了一個簡單的和可以理解的曲線和規(guī)律的體系——開普勒三定律，且與觀測資料十分吻合，所有很快得到了天文學家們的公認，而開普勒也得到了“天空的立法者”的光榮稱號。4. 對開普勒行星運動定律的理解 對開普勒行星運動定律的理解對于開普勒行星運動定律，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動軌跡是橢圓，太陽在此橢圓的一個焦點上，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，人們觀測天體位置的誤差大約是 10’，第谷把這個不確定性減小到2’。他的觀測結(jié)果為哥白尼的學說提供了關(guān)鍵性支持。 ”這里通過對第谷的精于“觀察自然”的描述，強調(diào)了實驗觀察手段在科學研究中的重要作用。開普勒：開普勒從相信“行星繞太陽做勻速圓周運動的觀點”思考問題開始，到對火星軌道“七十余次嘗試所得的結(jié)果都與第谷的觀測數(shù)據(jù)有至少 8’的角度偏差” ；直至最后他“對第谷數(shù)據(jù)的精確性

8、深信不疑……這不容忽視的 8’也許正是因為行星的運動并非勻速圓周運動” ，第一次大膽地對“人們長期以來視為真理的觀念——天體在做‘完美的’勻速圓周運動”表示懷疑。開普勒相信真理而不迷信權(quán)威的實事求是的科學態(tài)度，是極好的教育素材。第谷和開普勒是兩個風格截然不同的科學家，一個擅長觀察，另一個是數(shù)學天才，但是誰的作用也不可忽略。第谷從實驗觀察入手，開普勒再對實驗結(jié)果進行數(shù)學歸納， “把幾千個數(shù)據(jù)歸納成如此簡潔的幾句話” ，科學探索的樂趣與科學

9、方法的魅力可見一斑。應用鏈接本節(jié)知識的應用主要涉及人們對行星運動規(guī)律的認識，以及開普勒三定律的理解和運用?；A(chǔ)級 礎(chǔ)級例 1 木星繞太陽運動的周期為地球繞太陽運動周期的 12 倍。那么，木星繞太陽運動軌道的半長軸是地球繞太陽運動軌道半長軸的多少倍？提示 提示 行星公轉(zhuǎn)半長軸的三次方跟運動周期的二次方的比值恒定。已知木星繞太陽運動的周期與地球繞太陽運動的周期的比值，根據(jù)開普勒第三定律可計算出木星繞太陽運動軌道的半長軸是地球繞太陽運動軌

10、道半長軸的倍數(shù)。解析 解析 設(shè)木星、地球繞太陽運動的周期分別為 T1、T2，它們橢圓軌道的半長軸分別為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，木星繞太陽運動軌道的半長軸約為地球繞太陽運動軌道半長軸的 5.24 倍。點悟 點悟 在理解開普勒第三定律時應注意，只有圍繞同一天體運動的行星或衛(wèi)星，它們半長軸的三次方與公轉(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動，太陽在它們橢圓軌道的一個焦點上，遵循開普勒第三定律。例 2 天文學家觀測到哈雷彗星繞太陽運轉(zhuǎn)的周期是 76 年，彗星離太陽最近的距離是8.9×1010m，但它離太陽最遠的距離不能測出。試根據(jù)開普勒定律計算這個最遠距離。 （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轉(zhuǎn)軌道的半長軸，應用開普勒第三定律求解