行星的運(yùn)動(dòng)教學(xué)設(shè)計(jì)1

侯軍全日制普通高級(jí)中學(xué)教科書（必修）教案第六章《萬(wàn)有引力定律》PAGE《行星的運(yùn)動(dòng)》第4頁(yè)（共4頁(yè)）第六章萬(wàn)有引力定律成百上千年以來，一些根本問題長(zhǎng)期困擾者人們：我們從哪里來？我們生存和居住的地方是一幅什么樣的圖景？我們的小環(huán)境和廣袤的大環(huán)境是通過一個(gè)什么樣的秩序維系著？…等等等等。這些問題，科學(xué)家們探索了上千年，甚至更多。而且，它也不僅僅是一個(gè)物理學(xué)的問題。但在本章，教材試圖用簡(jiǎn)短的篇幅，介紹這些可敬的先哲們的探索歷程，展示他們學(xué)說的基本觀點(diǎn)，使我們初步明了關(guān)于宇宙的模樣和秩序。顯然，如果不是預(yù)先有了科普的熏陶、相關(guān)知識(shí)的準(zhǔn)備，要達(dá)到這個(gè)目的是很難的。好在我們已經(jīng)處在一個(gè)信息高度發(fā)達(dá)的時(shí)代，一個(gè)立體的、高度整合的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)體系令我們可以較快地去粗取精、去偽存真。因而，要在短短一周多的時(shí)間內(nèi)，去接受這些偉大的觀點(diǎn)還是可能的。本章可分為三個(gè)單元：第一單元第一節(jié)，學(xué)習(xí)開普勒關(guān)于行星運(yùn)動(dòng)描述的有關(guān)知識(shí)。第二單元第二節(jié)和第三節(jié)，學(xué)習(xí)萬(wàn)有引力定律的知識(shí)。第三單元第四節(jié)至第六節(jié)，學(xué)習(xí)萬(wàn)有引力定律在天體運(yùn)動(dòng)中的有關(guān)知識(shí)。從思想方法來說，本章仍然沿襲動(dòng)力學(xué)分析，可以說是牛頓運(yùn)動(dòng)定律的繼續(xù)應(yīng)用。但是，因?yàn)楸菊卵芯康膶?duì)象處在一個(gè)我們相對(duì)陌生的空間——宇宙空間，其運(yùn)動(dòng)的情景和我們?nèi)粘５慕?jīng)驗(yàn)難以發(fā)生直接聯(lián)系，不免使我們解決問題時(shí)縮手縮腳，放不開，甚至解完了之后也有一種不著邊際的感覺，希望大家今后能克服這種心理障礙。此外，正如剛才前面所說，本章所展示的一些基本觀點(diǎn)絕不是一本物理教材在短時(shí)間內(nèi)可以講清楚的，大家可以廣泛涉獵一些其它資料，尤其是地理教材，配合學(xué)習(xí)、理解，這樣才會(huì)相得益彰，使知識(shí)盡快觀念化?！?-1行星的運(yùn)動(dòng)【教學(xué)目的】1、知道人類的力學(xué)研究是從研究天體運(yùn)動(dòng)開始的，了解科學(xué)家們探索天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的艱辛里程2、知道地心說和日心說兩種不同的觀點(diǎn)3、知道開普勒對(duì)行星運(yùn)動(dòng)的描述【教學(xué)重點(diǎn)】開普勒第三定律【教學(xué)難點(diǎn)】天體運(yùn)動(dòng)模式在學(xué)生頭腦中的建立【課時(shí)安排】1課時(shí)【教學(xué)過程】○、引入我們都知道了白天和黑夜的形成是地球自轉(zhuǎn)的結(jié)果，而春夏秋冬季節(jié)的循環(huán)是地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的結(jié)果。但地球公轉(zhuǎn)的軌道究竟是怎樣的？太陽(yáng)系中其它行星運(yùn)行的軌道又是怎樣的？運(yùn)行的快慢是相同的嗎？等等這些問題，我們過去也許已經(jīng)有了一些模糊的認(rèn)識(shí)或猜想。但學(xué)習(xí)了本節(jié)，我們將會(huì)看到一幅比較清晰的圖景。為了表達(dá)我們對(duì)先哲們探索這部分知識(shí)所付出艱辛勞動(dòng)的尊敬，讓我們先回顧一下物理學(xué)史——一、地心說和日心說1、行星運(yùn)動(dòng)的兩種學(xué)說古希臘的天文學(xué)家和哲學(xué)家發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)從東邊升起，從西邊落下。他們認(rèn)為地球是不動(dòng)的，是宇宙的中心，一切天體——太陽(yáng)、月球、行星和星球都是圍繞地球在天空做簡(jiǎn)單的、完美的圓周運(yùn)動(dòng)。因此，他們提出了地心說。地心說：地球是世界的中心，并且靜止不動(dòng)，一切行星圍繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)。倡導(dǎo)地心說的代表人物是古希臘的科學(xué)家和哲學(xué)家亞里斯多德。完善地心說理論的則是古希臘天文學(xué)家托勒密。在古希臘地心說占據(jù)了宇宙運(yùn)動(dòng)思想的主要地位。但是，其中依然存在著不和諧的音符。畢達(dá)哥拉斯學(xué)派首先明確的提出了地球繞“中心火”運(yùn)動(dòng)的思想。赫拉克利特也曾根據(jù)水星和金星從不遠(yuǎn)離太陽(yáng)的事實(shí)，設(shè)想它們是沿圓軌道繞日運(yùn)轉(zhuǎn)的。還有其他許多人分別提出過無(wú)數(shù)種關(guān)于世界的觀點(diǎn)。

最大膽的假設(shè)來自薩摩斯島的阿里斯塔克(AristarchusofSamos)。他在自己的著作《太陽(yáng)和月亮的大小和距離》一書中提出了明確的日心地動(dòng)說觀點(diǎn)。他認(rèn)為，太陽(yáng)和恒星都是不動(dòng)的，地球以太陽(yáng)為中心做圓周運(yùn)動(dòng)，同時(shí)又繞自己的軸做周日旋轉(zhuǎn)。

阿里斯塔克認(rèn)為恒星之所以看起來沒有相對(duì)位置變化的現(xiàn)象是因?yàn)楹阈桥c地球的距離比地球運(yùn)行的軌道大得多的緣故。阿里斯塔克計(jì)算出月地距離與日地距離為1：19。他又根據(jù)日全食時(shí)月亮大體上正好遮住太陽(yáng)，估計(jì)出太陽(yáng)的直徑是月亮直徑的十九倍。他在月食時(shí)計(jì)算了地球影子的寬度，得出地球的直徑約為月球直徑的三倍。因而他認(rèn)為，太陽(yáng)的直徑比地球的直徑大六至七倍。由于觀測(cè)條件的限制，這些結(jié)果當(dāng)然是不準(zhǔn)確的。阿里斯塔克還指出，用他的“日心說”可以解決行星的逆行現(xiàn)象，這是外行星走到與地球同一側(cè)時(shí)在天球上的投影效應(yīng)。阿里斯塔克的學(xué)說要求人們對(duì)宇宙的觀念來一次激烈的改變。他的學(xué)說遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了當(dāng)時(shí)的天文學(xué)和力學(xué)知識(shí)的水平，因此無(wú)法被當(dāng)時(shí)的人們所接受。盡管阿基米德也贊同阿里斯塔克的觀點(diǎn)，但這個(gè)學(xué)說還是被指責(zé)為褻瀆神靈，長(zhǎng)期受到教會(huì)的壓制。到十六世紀(jì)，波蘭科學(xué)家哥白尼在《天體運(yùn)行論》一書中，對(duì)日心說提出了更具體的論述和數(shù)學(xué)論證。此書的出版是科學(xué)史上的一次革命。日心說：太陽(yáng)是世界的中心并且靜止不動(dòng)，一切行星都圍繞太陽(yáng)做圓周運(yùn)動(dòng)。日心說的代表人物：波蘭科學(xué)家哥白尼。盡管哥白尼的觀點(diǎn)已經(jīng)被人們所接受，但仍然受到教會(huì)的壓制，因此，哥白尼的著作長(zhǎng)期不能得到出版，后來由他的朋友們才在德國(guó)紐倫堡偷偷排印出《天體運(yùn)行論》。1543年5月24日，已經(jīng)雙目失明的哥白尼撫摸著剛剛出版的書說：“我終于推動(dòng)了地球?！薄欢摃聦?shí)上并未正式發(fā)行。7月26日，哥白尼逝世。2、兩種學(xué)說的斗爭(zhēng)地心說比較符合人們的日常經(jīng)驗(yàn)，其觀點(diǎn)與教會(huì)觀點(diǎn)是一致的：認(rèn)為地球是世界的中心。因此，在一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)，地心說占據(jù)著統(tǒng)治地位。但是隨著對(duì)行星研究的加深，人們感到地心對(duì)天體運(yùn)動(dòng)的解釋過于復(fù)雜（提出的初衷也許是簡(jiǎn)單的，但由于和觀測(cè)事實(shí)發(fā)生種種沖突，必須提出一些復(fù)雜的修正理論）和人為化，而日心說對(duì)行星運(yùn)動(dòng)的解釋更為合理簡(jiǎn)單，所以最終日心說戰(zhàn)勝了地心說。但是，沖破傳統(tǒng)和宗教的束縛，是需要勇氣、甚至做出犧牲的，所以在哥白尼之后的一百多年之后，在布魯諾、第谷和開普勒等人的努力下，日心說才獲得了它應(yīng)有的地位。（天文學(xué)家布魯諾在著作《論無(wú)限宇宙和世界》中堅(jiān)決擁護(hù)哥白尼的日心說，被教會(huì)逮捕，入獄八年，最后被燒死在羅馬鮮花廣場(chǎng)。）二、開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律雖然哥白尼等人否定了地心說，但仍然認(rèn)為其他行星圍繞太陽(yáng)做圓周運(yùn)動(dòng)。但這個(gè)觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的。開普勒將第谷對(duì)780顆左右的恒星觀察結(jié)果進(jìn)行了仔細(xì)的研究（第谷是十六世紀(jì)丹麥偉大的天文學(xué)家，是他1572年發(fā)現(xiàn)了銀河系第一顆超新星——后來被命名為“第谷星”，也是他首先將彗星確定為天體。第谷進(jìn)行天文觀測(cè)時(shí)，天文望遠(yuǎn)鏡還沒有出現(xiàn)，但他身心高度集中，每天晚上堅(jiān)持觀測(cè)，認(rèn)真做好記錄。他的觀測(cè)結(jié)果通常誤差不超過2′，比哥白尼的準(zhǔn)確20倍，幾乎達(dá)到了肉眼觀測(cè)極限。第谷對(duì)王公貴族的召見和拜訪抱抵促態(tài)度，導(dǎo)致權(quán)貴們不怎么支持他。在去世前2年，第谷收開普勒為徒，將畢生的觀測(cè)資料贈(zèng)給了開普勒。），發(fā)現(xiàn)，如果用圓軌道解釋天體的運(yùn)動(dòng)，那么其運(yùn)動(dòng)規(guī)律將和第谷的觀測(cè)結(jié)果至少有8′的差異，開普勒不相信這種差異，大膽的否定了天體的圓周運(yùn)動(dòng)模式，先后提出19種設(shè)想，進(jìn)行了4年多刻苦的計(jì)算，終于提出了關(guān)于行星運(yùn)動(dòng)的三大定律。我們主要是介紹第一定律和第三定律。1、開普勒第一定律：所有的行星圍繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的軌道都是橢圓，太陽(yáng)處在所有橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上。由于行星的運(yùn)動(dòng)軌跡不是正圓，因而它與太陽(yáng)的距離一直都在改變，有時(shí)它向太陽(yáng)靠攏，而有時(shí)則向遠(yuǎn)離太陽(yáng)的方向漫游。在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中，它的速度大小和方向是不斷改變的。其大小改變的規(guī)律也有開普勒第二定律決定。2、開普勒第三定律：所有行星的軌道的半長(zhǎng)軸的三次方跟公轉(zhuǎn)周期的二次方的比值都相等。雖然每個(gè)行星的橢圓軌道各有一個(gè)，但它們運(yùn)動(dòng)的軌道的半長(zhǎng)軸的三次方跟公轉(zhuǎn)周期平方的比值都是相同的，我們用R代表橢圓軌道的半長(zhǎng)軸，T代表公轉(zhuǎn)周期，經(jīng)驗(yàn)公式表述為：=k比值k是一個(gè)與行星本身無(wú)關(guān)的物理量，由這個(gè)定律我們知道，離太陽(yáng)最近的行星——水星的運(yùn)動(dòng)周期最?。?8天），我們生活的地球的運(yùn)轉(zhuǎn)周期約為365天。而太陽(yáng)系中距太陽(yáng)最遠(yuǎn)的行星——冥王星的公轉(zhuǎn)周期卻卻長(zhǎng)達(dá)90612天，即248年！后來，人們還發(fā)現(xiàn)，開普勒（行星運(yùn)動(dòng)）三定律不僅對(duì)太陽(yáng)系適用，而且對(duì)同一行星的各個(gè)衛(wèi)星也是適用的。 附加例題：近似認(rèn)為地球和土星的公轉(zhuǎn)軌道為圓周，已知土星到太陽(yáng)的距離是地球到太陽(yáng)距離的9.5倍，試求土星的公轉(zhuǎn)周期。★解題要點(diǎn)：按部就班解…（答案：29.3年。）☆學(xué)生活動(dòng)：將解題結(jié)果對(duì)照高一地理教