行星的运动教案.doc

一 行星的运动 【教学目标】一、知识与技能认识椭圆；了解人类对天体运行的研究历史；理解开普勒三定律。二、过程与方法通过对天体运行研究历史的了解，体会科学研究的一般思路与方法质疑、批判、猜测、观察与实验。三、情感态度价值观通过对天体运行研究历史的了解，感悟科学家对科学的执著和献身精神，培养学生热爱科学、献身科学的精神和勇于创新、敢于坚持真理、实事求是的科学态度。【教学重点】开普勒三定律。【教学难点】行星的椭圆轨道。【教具准备】细线、图钉、木板、铅笔、课件等【教学过程】课前预习1、“地心说”的观点： 。代表人物是 。2、“日心说”的观点： 。代表人物是 。3、“地心说”和“日心说”的共同点是什么？在“地心说”和“日心说”的争斗中，谁最终取得了胜利？取得胜利原因是什么？4、开普勒第一定律： 。椭圆的特点是 。近日点： ，地球在近日点时，北半球是 （春、夏、秋、冬）；远日点： ，地球在远日点时，北半球是 （春、夏、秋、冬）。5、开普勒第一定律说明了行星运动轨迹的形状，那不同的行星绕大阳运行时椭圆轨道相同吗?6、开普勒第二定律： 。7、行星沿着椭圆轨道运行，太阳位于椭圆的一个焦点上，则行星在远日点的速率与在近日点的速率谁大？8、开普勒第三定律： 。公式是 。9、公式中的比例系数k可能与谁有关？基本知识一、地心说和日心说l地心说：在古代，以希腊亚里士多德为代表，认为地球是宇宙的中心。其它天体则以地球为中心，在不停地运动。这种观点，就是“地心说”。公元二世纪，天文学家托勒密，把当时天文学知识总结成宇宙的地心体系，发展完善了“地心说”描绘了一个复杂的天体运动图象。2日心说：随着天文观测不断进步，“地心说”暴露出许多问题。逐渐被波兰天文学家哥白尼提出的“日心说”所取代。波兰天文学家哥白尼经过近四年的观测和计算，于1543年出版了“天体运行论”正式提出“日心说”。“日心说”认为，太阳不动，处于宇宙的中心，地球和其它行星公转还同时自转。“日心说”对天体的描述大为简化，同时打破了过去认为其它天体和地球截然有别的界限，是一项真正的科学革命。这种学说和宗教的主张是相反的。为宣传和捍卫这个学说，意大利学者布鲁诺被宗教裁判所活活烧死。伽利略受到残酷的迫害，后人把历史上这桩勇敢的壮举形容为：“哥白尼拦住了太阳，推动了地球。二、开普勒行星运动三大定律十七世纪，德国人开普勒在“日心说”的基础上，整理了他的老师，丹麦人第20多年观测行星运动的数据后，经过四年艰苦计算，总结了关于行星运动的三条规律，即：开普勒第一定律：也叫椭圆轨道定律，它的具体内容是：所有行星分别在大小不同的轨道上同绕太阳运动。人阳在这些椭圆的一个焦点上。他当时算出，火星的偏心率为0093，是当时所知的在太阳系内最大的，因此椭圆轨道最为明显。他的这条定律否定了行星轨道为圆形的理论。开普勒第二定律：对任意行星来说，他与太阳的连线在相等的时间内扫过相等的面积。开普勒第三定律：行星绕太阳运动轨道半长轴的立方与运动周期的平方成正比。即。式中的k是只与太阳有关，与行星无关的常数。所以，也可以说行星绕太阳运动的轨道半径立方与周期平方成正比。三、对天体运行问题的近似处理：1多数行星绕太阳运动的轨道十分接近圆，太阳处在圆心；2对某一行星来说，它绕太阳做圆周运动的角速度（或线速度）不变，即行星做匀速圆周运动；3所有行星的轨道半径的三次方跟它的公转周期的二次方的比值都相等。例题分析例1 地球绕太阳转，地球本身绕地轴自转，形成了一年四季春夏秋冬，则下面说法正确的是（ ）A春分地球公转速率最小 B夏至地球公转速率最小C秋分地球公转速率最小 D冬至地球公转速率最小分析 ： 由开普勒第二定律知，地球与太阳的连线在相等的时间内扫过相等的面积，在夏季，地球运动至远日点，离太阳最远，其速率最小。答案 B例2 若已知地球对它所有卫星的k值都等于1.011013m3/s2,试求出月球运动的轨道半径（月球绕地球运转的周期大约是27天，月球轨道为圆）解：由开普勒第三定律 课堂练习1.下列说法正确的是（ ）A天体运动是最完美和谐的匀速圆周运动B第谷是一名天才的观测家，正是他为开普勒的研究提供了大量的观测数据C第谷是第一个对天体的匀速圆周运动产生怀疑的人D开普勒在第谷精确观测的基础上，经过长期研究，终于发现了行星运动的规律2.关于地球和太阳，下列方法正确的是（ ）A.太阳是围绕地球做匀速圆周运动的B.地球是围绕太阳运转的C.太阳总是从东边升起，从西边落下，所以太阳围绕地球运转D.由于地心说符合人日常经验，所以地心说是正确的3.关于开普勒行星运动的公式，以下说法正确的是（ ）A. k是一个与行星无关的常数B.若地球绕太阳运转的轨道半长轴为R，周期为T，月球绕地球运转的半径为R，周期为T，则C.T表示行星运动的自转周期D.T表示行星运动的公转周期4. 关于行星的运动，以下说法正确的是（ ）A行星轨道的半长轴越长，自转周期就越大B行星轨道的半长轴越长，公转周期就越大C水星的半长轴最短，公转周期最大D冥王星离太阳“最远”，绕太阳运动的公转周期最大课堂小结：本节学习时重点掌握开普勒三大定律，认识行星的运动，学好本节有利于对宇宙中行星的运动规律的认识，掌握人类认识自然规律的科学方法，并有利于对人造卫星的学习。布置作业一复习课文，继续完成两个思考题。书面完成课本“问题与练习”14。二思考练习1第谷、开普勒是在怎样的社会环境和科学技术条件下研究天体运行规律，并得出结果的？2苏格拉底认为，真理的产生就像婴儿的出生一样，是一个痛苦的过程，这个过程需要自己的努力，更需要别人的帮助。从本节课的学习，谈谈你对此的理解。阅读课本64页“科学足迹”，撰写小论文艰难的历程。3思考问题：是什么力使一颗星围绕另一颗星运动？并预习下节学习内容。三活页作业往后做第谷与开普勒第谷（15101601）天体运动的守候者1510年12月14日生于丹麦斯坎尼亚省基乌德斯特普的一个贵族家庭。其父是律师。1601年10月24日，第谷逝世于布拉格，终年57岁。 第谷于1559年入哥本哈根大学读书。1560年8月，他根据预报观察到一次日食，这使他对天文学产生了极大的兴趣。1562年第谷转到德国莱比锡大学学习法律，但却利用全部的业余时间研究天文学。1563年他写出了第一份天文观测资料，记载了木星、土星和太阳在一直线上的情况。1566年第谷开始到各国漫游，并在德国罗斯托克大学攻读天文学。从此他开始了毕生的天文研究工作，取得了重大的成就。 第谷的一生在天文观测方面所取得的成果，为近代天文学的发展奠定了坚实的基础。第谷的最重要发现是1572年11月11日观测了仙后座的新星爆发。前后16个月的详细观察和记载，取得了惊人的结果，彻底动摇了亚里士多德的天体不变的学说，开辟了天文学发展的新领域。 1576年在丹麦国王弗里德里赫二世的建议下，第谷在丹麦与瑞典间的赫芬岛开始建立“观天堡”。这是世界上最早的大型天文台，在这里设置了四个观象台、一个图书馆、一个实验室和一个印刷厂，配备了齐全的仪器，耗资黄金1吨多。直到1579年，第谷一直在这里工作20多年，取得了一系列重要成果，创制了大量的先进天文仪器。其中最著名的有1577年以二颗明亮的彗星的观察。他通过观察得出了彗星比月亮远许多倍的结论，这一重要结论对于帮助人们正确认识天文现象，产生了很大影响。 1599年丹麦国王弗里德里赫死后，第谷在波希米亚皇帝鲁道夫十世的帮助下，移居布拉格，建立了新的天文台。1600年第谷与开普勒相遇，邀请他作为自己的助手，次年第谷逝世，开普勒接替了他的工作，并继承了他的宫廷数学家的职务。第谷的大量极为精确的天文观测资料，为开普勒的工作创造了条件，他所编著经开普勒完成，于1627年出版的鲁道夫天文表成为当时最精确的天文表。 第谷是一位杰出的观测家，但他的宇宙观却是错误的。第谷本人不接受任何地动的思想。他认为所有行星都绕太阳运动，而太阳率领众行星绕地球运动。他的体系是属于地心说的。可以说，作为丹麦天文学家的第谷，是近代天文学的奠基人。 开普勒 (1571-1630) 天天体运动的立法者开普勒是德国近代著名的天文学家、数学家、物理学家和哲学家。他以数学的和谐性探索宇宙，在天文学方面做出了巨大的贡献。开普勒是继哥白尼之后第一个站出来捍卫太阳中心说、并在天文学方面有突破性成就的人物，被后世的科学史家称为“天上的立法者”。开普勒出生在德国威尔的一个贫民家庭，开普勒是一个早产儿，体质很差。他在童年时代遭遇了很大的不幸，四岁时患上了天花和猩红热，虽侥幸死里逃生，身体却受到了严重的摧残，视力衰弱，一只手半残。但开普勒身上有一种顽强的进取精神，但一直坚持努力学习，成绩一直名列前茅。 1587年进入蒂宾根大学，在校中遇到秘密宣传哥白尼学说的天文学教授麦斯特林。在他的影响下，很快成为哥白尼学说的忠实维护者。大学毕业后，开普勒获得了天文学硕士的学位，被聘请到格拉茨新教神学院担任教师。后来，由于学校被天主教会控制，开普勒离开神学院前往布拉格，与卓越的天文观察家第谷一起专心地从事天文观测工作。正是第谷发现了开普勒的才能。在第谷的帮助和指导下，开普勒的学业有了巨大的进步。第谷死后，开普勒接替了他的职位，被聘为皇帝的数学家。然而皇帝对他十分悭吝，给他的薪俸仅仅是第谷的一半，还时常拖欠不给。他的这一点点收入不足以养活年迈的母亲和妻儿，因此生活非常困苦。但开普勒却从未中断过自己的科学研究，并且在这种艰苦的环境下取得了天文学上的累累成果。早期的开普勒深受柏拉图和毕达哥拉斯神秘主义宇宙结构论的影响，以数学的和谐性去探索宇宙。他用古希腊人已经发现的五个正多面体，跟当时已知的六颗行星的轨道套迭，从而解释了太阳系中包括地球在内恰好有六颗行星以及它们的轨道大小的原因。他把这些结论整理成书发表，定名为宇宙的秘密。这个设想虽带有神秘主义色彩，但却也是一个大胆的探索。第谷最大的天文学成就就是发现了开普勒。第谷在临终前将自己多年积累的天文观测资料全部交给了开普勒，再三叮嘱开普勒要继续他的工作，并将观察结果出版出来。开普勒接过了第谷尚未完成的研究工作。后来，开普勒在伽利略的影响下，通过对行星运动进行深入的研究，抛弃了柏拉图和毕达哥拉斯的学说，逐步走上真理和科学的轨道。 对火星轨道的研究是开普勒重新研究天体运动的起点。因为在第谷遗留下来的数据资料中，火星的资料是最丰富的，而哥白尼的理论在火星轨道上的偏离最大。开始，开普勒用正圆编制火星的运行表，发现火星老是出轨。他便将正圆改为偏心圆。在进行了无数次的试验后，他找到了与事实较为符合的方案。可是，依照这个方法来预测卫星的位置，却跟第谷的数据不符，产生了8分的误差。这8分的误差相当于秒针002秒瞬间转过的角度。开普勒知道第谷的实验数据是可信的，那错误出在什么地方呢？ 正是这个不容忽略的8分使开普勒走上了天文学改革的道路。他敏感的意识到火星的轨道并不是一个圆周。随后，在进行了多次实验后，开普勒将火星轨道确定为椭圆，并用三角定点法测出地球的轨道也是椭圆，断定它运动的线速度跟它与太阳的距离有关。这样就得出了关于行星运动的第二条定律：“行星的向径在相等的时间内扫过相等的面积。”这两条定律，刊登于1609年出版的新天文学一书。书中他还指出，这两条定律同样适用于其他行星和月球的运动。1612年，开普勒的保护人鲁道夫二世被迫退位，因此他也离开布拉格，去奥地利的林茨。当地专门为他设立了一个数学家的职务。经过长期繁复的计算和无数次失败，他终于发现了行星运动的第三条定律：“行星公转周期的平方等于轨道半长轴的立方。”这一结果发表在1619年出版的宇宙和谐论中。行星运动三定律的发现为经典天文学奠定了基石，并导致数十年后万有引力定律的发现。 1604年9月30日在蛇夫座附近出现一颗新星，最亮时比木星还亮。开普勒对这颗新星进行了17个月的观测并发表了观测结果。历史上称它为开普勒新星(这是一颗银河系内的超新星)。1607年，他观测了一颗大彗星，就是后来的哈雷彗星。不仅在天文学上，开普勒在在光学领域的贡献也是非常卓越的。他是近代光学的奠基者。他研究了小孔成像，并从几何光学的角度加以解释说明。他指出光的强度和光源的距离的平方成反比。开普勒研究过光的折射问题，认为折射的大小不能单单从物质密度的大小来考虑。例如油的密度比水的密度小，而它的折射却比水的折射大。1611年，开普勒发表了折光学一书，阐述了光的折射原理，为折射望远镜的发明奠定了基础。他最早提出了光线和光束的表示法，还成功地改进了望远镜。开普勒还对人的视觉进行了研究，纠正了以前人们所认为的视觉是由眼睛的发射出光的错误观点。他认为人看见物体是因为物体所发出的光通过眼睛的水晶体投射在视网膜上，并且解释了产生近视眼和远视眼的原因。1604年发表对威蒂略的补充-天文光学说明。1611年出版光学一书，这是一本阐述近代望远镜理论的著作。他把伽利略望远镜的凹透镜目镜改成小凸透镜，这种望远镜被称为开普勒望远镜。开普勒还发现大气折射的近似定律，用很简单的方法计算大气折射，并且说明在天顶大气折射为零。他最先认为大气有重量，并且正确地说明月全食时月亮呈红色是由于一部分太阳光被地球大气折射后投射到月亮上而造成的。他出版的哥白尼天文学概要叙述他对宇宙结构和大小的观点；在彗星论中，他指出彗尾总是背着太阳，是因为太阳光排斥彗头的物质所造成；1627年出版的鲁道夫星表是根据他的行星运动定律和第谷的观测资料编制的