【大單元 教學(xué)方案】微專題1 從運(yùn)動(dòng)的角度認(rèn)識(shí)行星運(yùn)動(dòng)

微專題1從運(yùn)動(dòng)的角度認(rèn)識(shí)行星運(yùn)動(dòng)高中物理必修2第七單元萬有引力與宇宙航行學(xué)習(xí)目標(biāo)1、了解人類對(duì)行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)歷程，知道開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律及其科學(xué)價(jià)值。學(xué)習(xí)目標(biāo)2、知道行星繞太陽運(yùn)動(dòng)的原因，知道引力提供了行星繞太陽做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力。3、認(rèn)識(shí)到科學(xué)研究一般從最基本的觀念開始，憑借對(duì)現(xiàn)象的觀測、模型的建構(gòu)以及模型與事實(shí)之間的相互作用，不斷修正原有的觀念和模型，使其逐步接近真實(shí)，獲得物理規(guī)律。4、認(rèn)識(shí)到相信自然的簡單和諧是科學(xué)家研究的動(dòng)力之一，尊重客觀事實(shí)、堅(jiān)持事實(shí)求是科學(xué)研究的基本態(tài)度和社會(huì)責(zé)任。情境導(dǎo)入情境導(dǎo)入我國于2020年7月23日發(fā)射的第一顆火星探測器“天問一號(hào)”于2021年2月份成功被火星捕獲，成為火星的一顆衛(wèi)星?！疤靻栆惶?hào)”在環(huán)繞火星運(yùn)動(dòng)的過程中遵循怎樣的運(yùn)動(dòng)規(guī)律呢？為了解決這個(gè)問題，讓我們一起先來回顧一下人類認(rèn)識(shí)行星運(yùn)動(dòng)的歷程，來開始本章的學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)任務(wù)學(xué)習(xí)任務(wù)【任務(wù)一】了解地心說與日心說的爭論【任務(wù)二】正確理解開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律學(xué)習(xí)活動(dòng)學(xué)習(xí)活動(dòng)【任務(wù)一】了解地心說與日心說的爭論【活動(dòng)設(shè)計(jì)】1.1問題與任務(wù)：閱讀科學(xué)漫步欄目“人類對(duì)行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)”，列舉出地心說和日心說的主要代表人物，并闡述這兩種學(xué)說的基本觀點(diǎn)。分析：地心說代表人物：托勒密等；主要觀點(diǎn)是：地球位于天體的中心，月球、水星、金星、太陽等都圍繞地球旋轉(zhuǎn)。日心說代表人物：哥白尼等；主要觀點(diǎn)是：太陽是靜止不動(dòng)的，地球和其他行星圍繞太陽運(yùn)動(dòng)。1.2問題與任務(wù)：從運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度來看，地心說與日心說有哪些相似的地方，區(qū)別是什么？分析：從運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度來看，兩種學(xué)說都認(rèn)為行星的運(yùn)動(dòng)是完美的，都在做圓周運(yùn)動(dòng)；所不同的是兩種學(xué)說所選取的參考系不同，地心說以地球?yàn)閰⒖枷?，日心說則以太陽為參考系。1.3問題與任務(wù)：為什么地心說占住很長時(shí)間的主導(dǎo)地位？為什么日心說最終戰(zhàn)勝了地心說？分析：雖然地心說在解釋火星的逆行現(xiàn)象時(shí)需要用到復(fù)雜的本輪、勻輪，但由于它符合宗教的教義，因此得到教廷的支持。盡管哥白尼提出的日心說可以用更簡潔的理論來解釋逆行現(xiàn)象，卻遭到禁止。但是正是由于科學(xué)家們堅(jiān)持自然應(yīng)該是簡單和諧的理念和事實(shí)求是的基本科研態(tài)度，終于，開普勒用了20年的時(shí)間研究了丹麥天文學(xué)家第谷的行星觀察資料，發(fā)現(xiàn)了行星運(yùn)動(dòng)定律，最終否定了地心說?！驹O(shè)計(jì)意圖】通過讓學(xué)生閱讀科學(xué)漫步中的相關(guān)的內(nèi)容，使學(xué)生對(duì)人類認(rèn)識(shí)行星運(yùn)動(dòng)的過程有大致的了解，并能根據(jù)所讀內(nèi)容提煉出一些重要的信息，進(jìn)一步加深對(duì)這個(gè)歷程的認(rèn)識(shí)。同時(shí)，在了解了關(guān)于行星運(yùn)動(dòng)的兩種學(xué)說后，由于我們之前學(xué)習(xí)過如何描述物體的運(yùn)動(dòng)，這里希望學(xué)生能結(jié)合所學(xué)的知識(shí)去認(rèn)識(shí)這兩種學(xué)說的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)，并為后面開普勒打破固有思維發(fā)現(xiàn)行星運(yùn)動(dòng)定律做個(gè)鋪墊。最后通過兩個(gè)問題，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到科學(xué)探究的艱難以及科學(xué)家們相信自然是簡單和諧的理念，并樹立起尊重客觀事實(shí)、堅(jiān)持事實(shí)求是科學(xué)研究的基本態(tài)度和社會(huì)責(zé)任?！救蝿?wù)二】正確理解開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律【活動(dòng)設(shè)計(jì)】2.1問題與任務(wù)：開普勒能夠得到行星運(yùn)動(dòng)定律的原因有哪些？并如何構(gòu)建起行星運(yùn)動(dòng)的三個(gè)基本規(guī)律？分析：通過分析開普勒總結(jié)出行星運(yùn)動(dòng)定律的原因，使學(xué)生了解到開普勒能摒棄行星運(yùn)動(dòng)應(yīng)該是完美圖形-圓的固有觀念，不僅與他堅(jiān)信第谷觀測數(shù)據(jù)的精確有關(guān)，也與他把觀察數(shù)據(jù)放在首位有關(guān)。這體現(xiàn)了實(shí)證思想，也就是科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神。再通過說明發(fā)現(xiàn)行星運(yùn)動(dòng)定律的過程，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到科學(xué)研究一般從最基本的觀念開始，憑借對(duì)對(duì)現(xiàn)象的觀測、模型的建構(gòu)、以及通過科學(xué)推理來不斷修正原有的觀念和模型，使其不斷接近真實(shí)，從而獲得物理規(guī)律。2.2問題與任務(wù)：開普勒第一、第二、第三定律描述的關(guān)鍵問題是什么？分析：開普勒第一定律：所有行星繞太陽運(yùn)動(dòng)的軌道都是橢圓，太陽位于橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上；開普勒第一定律明確了行星運(yùn)動(dòng)軌道的特征：不是一個(gè)完美的圓，而是一個(gè)橢圓。開普勒第二定律：從太陽到行星的連線在相等的時(shí)間內(nèi)掃過相等的面積；開普勒第二定律表明了行星運(yùn)動(dòng)過程中速度大小的變化規(guī)律：即行星離太陽越遠(yuǎn)，速度越小。開普勒第三定律：行星軌道半長軸的三次方與公轉(zhuǎn)周期的二次方的比是一個(gè)常量；開普勒第三定律明確了行星運(yùn)動(dòng)周期的定量關(guān)系，其表達(dá)式為a3T2.3問題與任務(wù)：正確理解與應(yīng)用開普勒第二定律分析：定律成立的前提是同一顆行星，對(duì)于不同的行星，定律并不成立?？梢岳迷摱煞治鲂行沁\(yùn)動(dòng)中速度的定性關(guān)系，即“近大遠(yuǎn)小”；也可以利用該定律得出行星運(yùn)動(dòng)過程中最遠(yuǎn)點(diǎn)和最近點(diǎn)的速度的定量關(guān)系，推導(dǎo)過程如下：利用微元思想，在最遠(yuǎn)點(diǎn)和最近點(diǎn)各處一段極短的相等時(shí)間?t，這樣在這段時(shí)間內(nèi)行星的運(yùn)動(dòng)可看成勻速圓周運(yùn)動(dòng)；再結(jié)合扇形面積的表達(dá)式和開普勒第二定律，速度與到2.4問題與任務(wù)：正確理解和應(yīng)用開普勒第三定律分析：2.4A、定律理解：1、a等于行星橢圓軌道上最遠(yuǎn)兩點(diǎn)之間距離的一半，T為公轉(zhuǎn)周期2、k為定值，其數(shù)值由太陽（中心天體）質(zhì)量決定3、定律也適用于衛(wèi)星繞行星運(yùn)動(dòng)的情況，此時(shí)行星為中心天體，k值將由行星質(zhì)量決定4、常用表達(dá)式：a13T125、定律蘊(yùn)含行星運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)關(guān)系，是牛頓得出萬有引力定律的基礎(chǔ)2.4B、定律的應(yīng)用：主要用于解決行星或衛(wèi)星繞中心天體運(yùn)動(dòng)時(shí)與公轉(zhuǎn)周期等相關(guān)的問題。2.5簡化行星運(yùn)動(dòng)的模型分析：給出行星運(yùn)動(dòng)的相關(guān)信息表，讓學(xué)生體會(huì)到所有行星的運(yùn)動(dòng)軌道雖然都是橢圓，但都十分接近圓，因此在高中階段，可以將其簡化為圓來處理，這樣我們就能利用所學(xué)的力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系來探究是什么原因使行星做這樣的運(yùn)動(dòng)了。簡化后的行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律如下：行星繞太陽運(yùn)動(dòng)的軌道十分接近圓，太陽處在圓心；對(duì)某一行星來說，它繞太陽做圓周運(yùn)動(dòng)的角速度（或線速度）大小不變，即行星做勻速圓周運(yùn)動(dòng)；所有行星軌道半徑r的三次方跟它的公轉(zhuǎn)周期T的二次方的比值都相等，即r3T2【設(shè)計(jì)意圖】通過分析開普勒總結(jié)出行星運(yùn)動(dòng)定律的原因，使學(xué)生了解到開普勒能摒棄行星運(yùn)動(dòng)應(yīng)該是完美圖形-圓的固有觀念，不僅與他堅(jiān)信第谷觀測數(shù)據(jù)的精確有關(guān)，也與他把觀察數(shù)據(jù)放在首位有關(guān)。這體現(xiàn)了實(shí)證思想，也就是科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神。再通過說明發(fā)現(xiàn)行星運(yùn)動(dòng)定律的過程，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到科學(xué)研究一般從最基本的觀念開始，憑借對(duì)對(duì)現(xiàn)象的觀測、模型的建構(gòu)、以及通過科學(xué)推理來不斷修正原有的觀念和模型，使其不斷接近真實(shí)，從而獲得物理規(guī)律。接著給出開普勒行星運(yùn)動(dòng)的三大定律，使其明白每個(gè)定律對(duì)應(yīng)解決什么問題，再重點(diǎn)對(duì)開普勒第二和第三定律進(jìn)行詳細(xì)分析和講解，使學(xué)生加深對(duì)定律的理解以及如何正確應(yīng)用定律解決問題。最后通過給出行星運(yùn)動(dòng)的相關(guān)信息表，讓學(xué)生體會(huì)到所有行星的運(yùn)動(dòng)軌道雖然都是橢圓，但都十分接近圓，因此在高中階段，可以將其簡化為圓來處理，這樣我們就能利用所學(xué)的力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系來探究是什么原因使行星做這樣的運(yùn)動(dòng)了?；顒?dòng)拓展活動(dòng)拓展行星“逆行”的視覺現(xiàn)象行星逆行是指以恒星為參照物，觀察到的一種行星的逆向運(yùn)動(dòng)。一般層面上講內(nèi)外側(cè)行星都在距離地球較遠(yuǎn)的時(shí)間區(qū)域順行（視覺），距離近則為逆行。正如開普勒1609年在他著名的第二定律中所聲明的，行星皆繞太陽運(yùn)行，距離越遠(yuǎn)，運(yùn)行越慢。不過，從同樣環(huán)繞太陽運(yùn)行的地球上看，情況就顯得復(fù)雜一些。水星和金星看上去似乎在太陽兩側(cè)振蕩。而“外行星”，即從火星算起所有比地球離太陽更遠(yuǎn)的行星，則一律自西向東在天空中巡行，距離太陽越遠(yuǎn)，運(yùn)行得越慢。因此，只要在幾個(gè)月內(nèi)耐心觀察火星，木星和土星這3顆用肉眼就能看到的外行星，我們就能發(fā)現(xiàn)它們以黃道星座為背景