物理必修 第二册1 行星的运动教案设计

第七章 万有引力与宇宙航行

7.1  行星的运动

本节内容包括“地心说”“日心说”的内容及争论的焦点、开普勒定律三大定律的内容等知识点。

在小学和初中，学生对星体的运动已经有了一点感性的认识，但认识不深入不系统。在这个基础上，通过物理学史的讲解，使学生了解人类对行星运动规律的认识过程。然后，通过开普勒行星运动定律的讲解，使学生知道行星是如何运动的，为下节课探究行星为何这样运动打下基础。

【物理观念】树立运动观念，知道地心说和日心说的基本内容；理解和掌握开普勒行星运动定律，认识行星的运动。

【科学思维】通过托勒密、哥白尼、第谷·布拉赫、开普勒等几位科学家对行星运动的不同认识，了解人类认识事物本质的曲折性并加深对行星运动的理解。

【科学探究】澄清对天体运动裨秘、模糊的认识，掌握人类认识自然规律的科学方法；

【科学态度与责任】理解人们对行星运动的认识过程是漫长复杂的，真理是来之不易的。

【教学重点】

理解和掌握开普勒行星运动定律，认识行星的运动。

【教学难点】

开普勒三定律内容的理解

PPT

【新课导入】

不同行星都在各自的轨道上绕太阳运行，行星运行的轨道有怎样的特点？行星绕太阳运行的周期与距离太阳的远近是否存在某种关系？

【新课讲授】

在古代，人们对于天体的运动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、月球以及其他星体都绕地球运动。它符合人们的直接经验。日心说则认为太阳是静止不动的，地球和其他行星都绕太阳运动，似乎与人们的生活经验不相符合。经过长期论争，日心说战胜了地心说，最终被接受。无论地心说还是日心说，古人都把天体的运动看得很神圣，认为天体的运动必然是最完美、最和谐的匀速圆周运动。行星运动果真如此吗？

开普勒第一定律：所有行星绕太阳运动的轨道都是椭圆，太阳处在椭圆的一个焦点上。

做一做：

用图钉和细绳画椭圆：

可以用一条细绳和两图钉来画椭圆。如图所示，把白纸放在木板上，然后按上图钉。把细绳的两端系在图钉上，用一枝铅笔紧贴着细绳滑动，使绳始终保持张紧状态。铅笔在纸上画出的轨迹就是椭圆，图钉在纸上留下的痕迹叫做椭圆的焦点。

想一想，椭圆上某点到两个焦点的距离之和与椭圆上另一点到两个焦点的距离之和有什么关系？

开普勒第二定律：对任意一个行星来说，它与太阳的连线在相等时间内扫过相等的面积。

教师：如图所示，行星沿着椭圆轨道运行，太阳位于椭圆的一个焦点上。如果时间间隔相等，即t2-t1=t4-t3，那么面积A=面积B。由此可见，行星在远日点a的速率最小，在近日点b的速率最大。

开普勒开普勒第三定律：所有行星的椭圆轨道的半长轴的三次方跟公转周期的平方的比值都相等。

由于行星的椭圆轨道都跟圆近似，在近似计算中，可以认为行星都以太阳为圆心做匀速圆周运动，在这种情况下，若用R代表轨道半径，T代表公转周期，开普勒第三定律可以用下面的公式表示：，比值k是一个与行星无关的恒量，只与太阳有关。

根据开普勒第三定律知：所有行星绕太阳运动的半长轴的三次方跟公转周期二次方的比值是一个常数k，可以猜想，这个“k”一定与运动系统的物体有关。因为常数k对于所有行星都相同，而各行星是不一样的，故跟行星无关，而在运动系中除了行星就是中心天体——太阳，故这一常数“k”一定与中心天体——太阳有关。

说明：

（1）开普勘定律不仅适用于行星绕太阳运动，也适用于卫星绕着地球转，不过比例式中的k是不同的，与中心天体有关。

（2）开普勒定律是总结行星运动的现察结果而总结归纳出来的规律，它们每一条都是经验定律，都是从行星运动所取得的资料中总结出来的规律。

实际上，行星的轨道与圆十分接近（图 7.1-3），在中学阶段的研究中我们可按圆轨道处理。这样就可以说 ：

1. 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。

日心说、地心说及两者之间的争论有许多内容可以向学生介绍，教材为了简单明了地讲述开普勒定律，没有过多地叙述这些内容。教学中可以结合教学的实际情况向学生介绍有关的历史材料，也可引导学生课外阅读有关的读物。这些内容学生会很感兴趣，又容易接受，也是我们进行科学方法和思想教育的好素材。