高中物理人教版 (新课标)必修21.行星的运动教案设计

第1节 行星的运动

新课教学

一  托勒密地心说→哥白尼日心说

学生阅读课本，和学生一起感受人类认识天体运行规律的历程，

 讲授：

（1）说到日心说和地心说，你会立刻反映到哥白尼等，实际上在古代，人们对于天体的运动就存在着地心说和日心说两种对立的看法．地心说认为地球是宇宙的中心，是静止不动的，太阳、月亮以及其他行星都绕地球运动；日心说则相反，认为太阳是静止不动的，地球和其他行星都绕太阳运动．

（2）公元二世纪的希腊天文学家托勒密使地心说发展和完善起来，由于地心说比较符合人们的日常经验（太阳从东边升起，在西边落下，好像太阳绕地球运动），同时也符合天主教的思想：地球是宇宙中心，宇宙万物都是上帝创造的，所以地心说得到了教会的支持，统治了人们一千年之久．但是随着生产的发展，人们对天体运动的不断研究，天文资料越来越丰富，人们发现托勒密的地心说的理论与实际观测的资料并不一致，仍然不能解释某些问题， 地心说所描述的天体的运动不仅复杂而且问题很多．

（3）十六世纪波兰天文学家哥白尼，经过四十年的观测与研究，在古代日心说的启发下，重新提出了日心说：太阳是宇宙的中心，地球和其它行星都围绕着太阳转动。日心说反映了行星运动的情况，但是日心说不符合教会的主张，教会禁止传播哥白尼的日心说，并且残酷迫害接受日心说的人，例如：用火烧死了坚持日心说的意大利人布鲁诺，伽利略也因为宣传日心说受到了教会的审讯和监禁。无论地心说也好，日心说也好，古人把天体的运动看得都很神圣．认为大体的运动必然是最完美、和谐的匀速圆周运动。

例1 下列说法正确的是：（       ）

A 、地球是宇宙的中心，太阳、月亮及其他行星都绕地球运动B 、太阳是静止不动的，地球和其他行星都绕太阳运动

C 、地球是绕太阳运动的一颗行星

D 、日心说和地心说都是正确的

解析：地球和太阳都不是宇宙的中心，地球绕太阳公转，是太阳系的一颗行星，C是正确的；地心说是错误的，日心说也不正确，太阳只是浩瀚宇宙中的一颗恒星。

规律总结：与地心说相比较，日心说在天文学上的应用更广泛、更合理些，它们都没有认识到天体运动遵循的规律与地面上物体运动的规律是相同的，但都是人类对宇宙的积极的探索性的认识。

二  丹麦天文学家第谷→开普勒三定律

（学生阅读课本，了解开普勒定律的发现过程，并标记开普勒三大定律的内容，教师讲解并得出开普勒定律）

丹麦天文学家第谷认为，要认识行星运动的规律，需要积累高度精确的观测资料，他连续二十年，对行星的位置进行了精确的测量，但是没有得到结果，但是他积累大量的观测数据。

在第谷去世后，他的助手德国天文学家开普勒（ 1571－1630）在最初研究他的导师—第谷所记录的数据时，也是以行星绕太阳做匀速圆周运动的模型来思考问题的，但是所得结果却与第谷的观测数据至少有8/的角度误差．当时公认的第谷的观测误差不超过2/，开普勒想，这不容忽视的8/也许是因为人们认为行星绕太阳做匀速圆周运动所造成的．至此，人们长期以来视为真理的观念——天体做匀速圆周运动，第一次受到了怀疑．后来开普勒又仔细研究了第谷的观测资料，经过四年多的刻苦计算，先后否定了19种设想，最后终于发现：

板书：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。

解释：这是（重点和易忽略点）开普勒地一定律（也叫轨道定律）说明了各行星运动轨道的形状并不是地心说和日心说中提到的圆，而是椭圆，是开普勒根据第谷观察火星所得数据加以演算得到的，各行星轨道是椭圆形状也不尽相同，即半长轴是不同的，但这些椭圆却有个共同的焦点，太阳正好在这个公共焦点上

预备知识：椭圆的中心，焦点，半长轴，半短轴等。

强调：椭圆   太阳并不是位于中心，而是焦点例2下列说法正确的是（     ）

A 、太阳系中的八大行星有一个共同的轨道焦点

B 、行星运动的方向总是沿着轨道的切线方向

C 、行星的运动方向总是与它和太阳的连线垂直

D日心说的观点是正确的

解析：对于行星的运动不能等同于匀速圆周运动。行星从近日点到远日点时，行星的运动方向与它和太阳连线的夹角大于900的，当行星从远日点向近日点运动时，行星的运动方向与它和太阳连线的夹角小于900的，故A、B正确

规律总结：行星运动的轨迹是椭圆，是曲线运动，行星的运动也同样符合运动和力的关系，仍然可以运用动力学和曲线运动的知识对行星运动进行分析。此处易被忽略。

板书：开普勒第二定律   对于每一个行星而言，太阳和行星的连线在相等的时间内扫过相等的面积。

解释：这是重点，开普勒第二定律（也叫面积定律），说明每一行星的矢径（太阳和行星的连线）经过相等的时间扫过的面积相等，显然行星运动的线速度大小在轨道上各点是不相同的。行星在轨道上离太阳最近的地方叫近日点，它经过该点时速度最大；在轨道上离太阳最远的地方叫远日点，行星经过该点时速度最小（近日点和远日点分别在轨道椭圆长轴的两端）利用开普勒第二定律可以定性地解释行星在轨道上运动的快慢和一些天文现象。

（近日点速度大，远日点速度小）

例3地球绕太阳运动的轨道是一椭圆，当地球从近日点到远日点运动时，地球运动的速度大小（地球运动中受到太阳的引力方向在地球与太阳的连线上，并且可以认为这时地球只受到太阳的引力）（            ）不断增大     B逐渐减小      C大小不变       D没有具体数值无法计算

解析：本题中虽然没有具体数值，但我们可以知道地球从近日点到远日点运动时，所受到的引力的方向与运动方向的夹角大于900，因而这个力产生两个作用效果：一个作用使地球的运动方向改变，另一个使地球速度的大小发生改变，即把太阳对地球的引力分成两个，一个垂直于地球运动方向，此力改变地球运动的方向，另一个力与地球运动方向共线，在地球从近日点到远日点运动时，此力与地球运动的方向相反，引力做负功，地球的速度减小，B正确

点拨：本节知识与曲线运动功和能的关系密切联系，需多加练习。

板书：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。

    讲授：开普勒第三定律（也叫周期定律）是说所有行星的轨道的半长轴的三次方与公转周期的二次方的比值相等，若用R代表椭圆轨道的半长轴，T代表公转周期，由上面的叙述可知     R3/ T2＝k          比值k是一个与行星无关的常量．

注释：对于此公式，常用来讨论一些天体的运动周期和半长轴的关系，是常考点，需引起重视。开普勒定律不仅适用行星绕太阳运动，也适用卫星绕地球转动，只不过R3/ T2＝k中K的值是不同的，做题过程中必须注意。

开普勒关于行星运动的确切描述不仅使人们在解决行星的运动学问题上有了依据，更澄清了人们多年来对天体运动神秘、模糊的认识，同时也推动了对天体动力学问题的研究．

多数行星的轨道与圆十分接近，所以中学阶段的研究通常把行星的 轨道按圆周处理。对于此近似处理，只是为了计算、研究方便，不能由此说行星是在做匀速圆周运动，此处是理解这个问题最易出错的地方。

例4、根据地理知识，结合开普勒定律，判断水星和火星的公转周期，哪一个更长些？

解析：由开普勒第三定律可以知道R3/ T2＝k，k是一个与行星无关的常量，因而哪个行星离太阳近，哪个行星的周期就短，由地理知识可以知道，水星是八大行星中离太阳最近的，因而水星是八大行星中公转周期最短的，所以火星的公转周期比水星更长一些

点拨：本章的知识与天文学知识联系较多，与地理知识也有很多的联系，因此在学习过程中，多查找相关资料，提高解题的准确性。

三 加深理解

  （ 学生巩固并加深理解）：

一、研究天体运行时，太阳系中的八大行星及卫星运动的椭圆轨道的两个焦点相距很近，因此行星的椭圆轨道都很接近圆．在要求不太高时，通常可以认为行星以太阳为圆心做匀速圆周运动．这样做使处理问题的方法大为简化，而得到的结果与行星的实际运行情况相差并不很大．

1、    在上述情况下，的表达式中a就是圆的半径R，利用的结论解决某些问题很方便。

二、

在太阳系中，比例系数K是一个与行星无关的常量，但不是恒量，在不同的星系中，K值不相同。该定律不仅适用于行星，也适用于其它天体。如对绕地球飞行的卫星来说，它们的k值相同与卫星无关。

 (四)巩固练习例

1 冥王星离太阳的距离是地球离太阳距离的39.6 倍，那么冥王星绕太阳的公转周期是多少？（冥王星和地球绕太阳公转的轨道可视为圆形轨道）

分析：地球和冥王星都绕太阳公转，地球和冥王星绕太阳公转的运动遵循开普勒定律。已知地球绕太阳公转的周期为一年，可利用开普勒第三定律求解冥王星的公转周期。

解：设冥王星的公转周期为，轨道半径为，地球的公转周期为，轨道半径为根据开普勒第三定律有,

因为=365╳24h,所以=╳365╳24=

总结反思：利用开普勒第三定律，将太阳的行星和地球绕太阳公转的半径联系起来，利用开普勒第三定律求解。

1、（2006广东综合，35）据报道，美国计划2021年开始每年送15000名游客上太空旅游，如图所示，当航天器围绕地球做椭圆轨道运行时，近地点的速率大于      （填大于\小于或等于）远地点的速率.

(四)小结：

一、了解从地心说到日心说人类认知宇宙的历程

二、重点掌握开普勒三定律及其简单应用开普勒第一定律：所有行星绕太阳运动的轨道都是椭圆，太阳处在椭圆的焦点上。开普勒第二定律：行星与太阳的连线在相同的时间内扫过的面积相等。

开普勒第三定律：所有行星轨道半长轴的三次方跟公转周期平方的比值都相等，即

(五)作业： 阅读课文深入了解天体的运动规律

完成P36练习题

(六)板书设计：

行星的运动

一、托勒密地心说→哥白尼日心说

二、开普勒三定律及其简单应用

开普勒第一定律：所有行星绕太阳运动的轨道都是椭圆，太阳处在椭圆的焦点上。

开普勒第二定律：行星与太阳的连线在相同的时间内扫过的面积相等。

开普勒第三定律：所有行星轨道半长轴的三次方跟公转周期平方的比值都相等，即

三开普勒定律的理解

（1）各行星在不同的椭圆轨道上，但所有椭圆，轨道的焦点重合，太阳位于重合的焦点上。

 （2）在开普勒第三定律中R3/ T2＝k

          每个行星各自轨道半径的三次方与各自周期的平方的比值都相同。

比值k是一个与行星无关的常量．

随堂练习

1某人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动，其轨道半径为月球绕地球运转半径的1/3，则此卫星的运转周期大约为几天

A 1-4天     B 4-8天      C 8-16天       D 大于16天

答案：由可知，T=10天左右。故C正确

2.火星有两颗卫星，分别是火卫一和火卫二，它们的轨道近似为圆。已知火卫一的周期为7小时39分，火卫二的周期为30小时18分，则两颗卫星相比

A 火卫一距火星表面较近

B 火卫二的角速度较大

C 火卫一的运动速度较大

D 火卫二的向心加速度较大

解析：AD由开普勒第三定律得：周期越小，半径越小，火卫一距火星表面较近；距离越近运动速度较大，角速度较小，向心加速度较大

3、关于行星的运动，下列说法正确的是

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. 水星离太阳最近，公转周期越大

D. 冥王星离太阳最远，绕太阳运动的公转周期越长

答案、BD    由可知，R越大，T越大，故B、D正确，C错误。式中的T是公转周期，而非自转周期，故A错误。