高中物理鲁科版 (2019)必修 第二册第1节 天地力的综合:万有引力定律第1课时教案

这是一份高中物理鲁科版 (2019)必修 第二册第1节 天地力的综合:万有引力定律第1课时教案，共5页。教案主要包含了开普勒定律等内容，欢迎下载使用。

教学目标
1. 了解开普勒定律的提出背景，了解开普勒定律的提出过程，并在此过程中体会实践观测和数学对物理学的重要性。
2. 了解太阳系行星及卫星的运行规律。
3. 掌握开普勒定律，并能用开普勒定律解释相关现象。
教学重难点
教学重点
开普勒定律的提出过程、开普勒定律、开普勒定律的应用
教学难点
开普勒定律、椭圆的定义及相关概念
教学准备
教学过程
新课引入
教师活动：展示金星凌日、火星逆行的视频。
教师口述：在生活中，我们时常听说过金星凌日、荧惑守心。在我国的传说中，这两种现象是不祥的预言。金星凌日指的是金星掠过太阳，人们看到的现象是金星在太阳的前面，并从太阳表面掠过的过程。荧惑指的是火星，荧惑守心指的是火星在心宿附近逆行的现象。荧惑守心是火星在心宿附近逆行的特例。为什么会出现这种现象呢？
讲授新课
一、开普勒定律
教师活动：讲解开普勒的生平、开普勒定律提出的背景。
开普勒于1571年出生，是德国的天文学家、物理学家、数学家。开普勒年幼时体弱多病且家境贫寒，但凭借他的天分和顽强的毅力完成了他的学业。
在读大学时，开普勒接触到了哥白尼的日心说理论。哥白尼的理论点燃了开普勒研究这一领域的兴趣，于是开普勒开始研究天文学和哥白尼的理论。在完成他的学业后，从事教学工作。在接下来的时间里，研究行星和行星的运动。
开普勒早期发表的有关宇宙构型的论述展现出了他的数学才能和想象力，得到了当时的天文学家伽利略和第谷的赞许。开普勒随后作为第谷的助手加入了第谷的团队。1601年，第谷去世，开普勒继任第谷的皇家数学家的岗位。
开普勒研究第谷的行星观测记录，发现如果假设行星的运动是匀速圆周运动，计算所得的数据与观测数据不符；只有假设行星绕太阳运动的轨道不是圆，而是椭圆，才能解释这种差别。他还发现了行星运动的其他规律。1609年，开普勒发表了开普勒第一定律和开普勒第二定律，1619年发表了开普勒第三定律。
教师活动：播放视频《绘制椭圆》。
教师活动：讲解椭圆的定义和其他相关基本概念。
平面内与两个定点F1, F2距离之和(大于|F1F2|等于定长的点的轨迹叫作椭圆。这两个定点F1、F2叫作椭圆的焦点。两焦点的距离|F1F2|叫做椭圆的焦距。
如图所示，显然，直线F1F2是椭圆的对称轴。线段F1F2的垂直平分线也是椭圆的对称轴。线段F1F2的中点是椭圆的对称中心，叫做椭圆的中点。如图所示，在AB>CD时，线段AB叫做椭圆的长轴，线段CD叫做椭圆的短轴。线段SA、SB叫做椭圆的半长轴。
如图所示，因椭圆的长轴AB与短轴CD的比值的不同，椭圆会表现出不同的扁平程度。人们用离心率来描述椭圆的扁平程度。记椭圆的长轴为2a，焦距为2c。椭圆的离心率为
e=ca
离心率越大，椭圆越扁平。离心率越小椭圆越接近于圆。当椭圆的两焦点重合时，椭圆的离心率为0，这时椭圆就变成了圆。
教师活动：讲解开普勒定律。
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。
开普勒第一定律告诉我们：行星绕太阳运行的轨道严格来说不是圆而是椭圆；太阳不在椭圆的中心，而是在其中一个焦点上；行星与太阳间的距离是不断变化的。
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的时间内扫过的面积相等。
开普勒第二定律告诉我们：当行星离太阳较近的时候，运行的速度较大，而离太阳较远的时候速度较小。
开普勒第三定律：所有行星轨道的半长轴的三次方跟它的公转周期的二次方的比都相等。
若用a 代表椭圆轨道的半长轴，T代表公转周期，开普勒第三定律告诉我们
a3T2=k
其中，k为比例常数。
教师活动：讲解开普勒定律的适用范围。
教师活动：引导学生手机查询相关资料，了解太阳系各行星轨道的离心率。
学生活动：手机查询相关资料，了解太阳系各行星轨道的离心率。
教师设问：通过刚才的查询，我们了解到太阳系各行星轨道的离心率非常小，如果对于某一研究的问题，行星轨道的离心率可以忽略，即可以将行星的轨道看成圆。这时应怎样表述开普勒定律？
学生活动：学生之间讨论老师所提问题，然后举手回答。
(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。
(3)所有行星轨道半径r 的三次方跟它的公转周期T的二次方的比值都相等，即r3T2=k。
教师活动：讲解金星凌日、荧惑守心现象产生的原因。
金星运行的轨道在地球轨道的内部，当太阳、金星、地球上的人所处的地置在同一直线上时，地球上相应位置的人就能看到金星凌日现象。由于金星的轨道平面与地球的轨道平面并不是重合的，故并不是每年都可看到金星凌日现象。
地球的轨道在火星轨道的内侧，地球运行的周期比火星小。而天球中恒星的位置在地球靠近火星并远离火星的过程中可看作是不变的。人们看到火星逆行是因为地球上的人所选的参照物恒星问题所致，并不是火星真正的逆行。
典题剖析
例1 如图所示，火星和地球都在围绕着太阳旋转，其运行轨道是椭圆。根据开普勒行星运动定律可知( )
A．火星绕太阳运行过程中，速率不变
B．地球靠近太阳的过程中，运行速率将减小
C．火星远离太阳过程中，它与太阳的连线在相等时间内扫过的面积逐渐增大
D．火星绕太阳运行一周的时间比地球的长
答案：D
解析：根据开普勒第二定律：对每一个行星而言，太阳行星的连线在相同时间内扫过的面积相等．行星在此椭圆轨道上运动的速度大小不断变化，故A、C错误；根据开普勒第二定律：对每一个行星而言，太阳行星的连线在相同时间内扫过的面积相等，所以地球靠近太阳的过程中，运行速率将增大，故B错误；根据开普勒第三定律：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。由于火星的半长轴比较大，所以火星绕太阳运行一周的时间比地球的长，故D正确。
例2 如图是行星m绕恒星M运行的示意图，下列说法正确的是( )
A．速率最大点是B点
B．速率最小点是C点
C．m从A点运动到B点做减速运动
D．m从A点运动到B点做加速运动
答案：C
解析：由开普勒第二定律知，行星与恒星的连线在相等的时间内扫过的面积相等；A点为近地点，速率最大，B点为远地点，速率最小，所以A、B错误；m由A点到B点的过程中，离太阳的距离越来越远，所以m的速率越来越小，故C正确，D错误。
课堂小结
拓展延伸
是不是出现火星逆行时就一定是荧惑守心现象？为什么？