行星的运动

【教学目的】

知识目标：了解“地心说”和“日心说”两种不同的观点及发展过程；知道开普勒对行星运动的描述。

能力目标：培养学生语言表达能力；协作能力；计算推理能力；以及在客观事物的基础上通过分析、推理提出科学假设，再经过实验验证的正确认识事物本质的思维方法。

情感目标：通过开普勒行星运动定律的建立过程，渗透科学发现的方法论教育，建立科学的宇宙观；激发学生热爱科学、探索真理的求知热情。

【教学重点】“日心说”的建立过程和行星运动的规律

【教学难点】学生对天体运动缺乏感性认识；开普勒如何确定行星运动规律的 【教学仪器】录像，课件，图钉，纸，线 【教学方法】启发式综合教学法 【教学过程】 引入：

宇宙中有无数星系，与我们最密切的星系就是太阳系，首先我们通过一段录像来看一下太阳系的结构。太阳系中有九大行星，这是我们早就获知的一个信息。然而，2006年，8月24日国际天文学联合会大会通过新的行星定义，冥王星因不能清除其轨道附近其他天体而被“逐出”行星行列，编入“矮行星”。这样的话，太阳系就只有八大行星了，今后教材对这一点内容会做相应的修改。

行星重新定义一事，表明人类对太阳系的认识又加深了一步，开始进入探测太阳系的黄金时代。那么，在古时，人类是对太阳、月亮、地球等天体的运动有过什么样的看法？

新课教学

最早，人类从观察北极星常年不动，及北斗七星的回转现象认为天是圆的地是方的，即天圆地方。直至公元二、三世纪才对宇宙中各天体的运动形成初步的理论——地心说。公元16世纪又提出了日心说。

一、地心说

首先请地心说小组展示自己的ppt，简要介绍地心说的发展过程及主要内容。

地心说的主要内容是：地球是宇宙的中心，并且静止不动，一切行星围绕地球做简单完美的圆周运动。

接下来有请日心说小组介绍其创立者和主要内容 二．日心说 日心说的内容：太阳是宇宙中心并且静止不动，地球围绕太阳做圆周运动，并且在自转，其他行星都围绕太阳做圆周运动。

过渡：我们现在知道地心说是错误的，哥白尼的日心说也并不完全正确，因为太阳并不是宇宙的中心,而是银河系中的一颗普通恒星，它也不是静止不动的。但日心说比地心说更接近真理。但日心说的传播必然危及教会的思想统治。罗马教廷对公开支持日心说的科学家加以迫害，把日心说视为“异端邪说”。可见，日心说最终战胜地心说是一个漫长而艰难的过程。

三．日心说的发展过程

请日心说发展史小组介绍为日心说的发展做出巨大贡献的科学家。参看殉道者哥白尼学说的弘扬。

过渡：虽然哥白尼、伽利略等人否定了地心说，但仍然认为行星围绕太阳做简单的完美的圆周运动。那么是谁纠正了这个观点，使“日心说”更彻底地否定地心说．开普勒。提到

开普勒我们就有必要先了解留给开普勒大量精确观测资料的人——丹麦的天文学家第谷·布拉赫（1546-1601）。

有请第谷小组讲述其对天文学的贡献。参看第谷和开普勒的故事，两颗超新星——第谷和开普勒，建立万有引力的背景

过渡：第谷连续20年对750颗左右恒星进行观察并有准确记录，为开普勒革新行星运动理论，发展日心说奠定了基础，那么开普勒如何发现行星运动三大定律的呢？请开普勒小组介绍

接下来，我们通过录像把从地心说到日心说的主要代表人物，它们的理论以及建立的宇宙体系作个总结。

看了录像和先前同学们的介绍，请大家谈谈：从哥白尼、布鲁诺、伽利略、第谷、开普勒这些科学家的事迹中，我们受到了什么样的启迪？（从科学态度及研究方法来看）

相信真理，不迷信权威的实事求是的科学态度（哥白尼提出日心说，布鲁诺坚持宇宙无极限的思想，伽利略坚持相信天文观测的结果，支持日心说，开普勒放弃匀速圆周运动，采用椭圆轨道），一丝不苟、孜孜以求的精神，严谨的科学态度（哥白尼4个九年时间论证自己的理论，第谷20年时间坚持不懈的观察记录，开普勒16年对行星运动规律的探索（用开普勒自己的话说：“十六年了，我终于走向光明，认识到的真理远超出我的热切期望）），我们对待学习更应该是脚踏实地，认认真真，不放过一点疑问，要有热爱科学、探索真理的热情及坚强的品质，来实现人生价值.

四、开普勒定律

1．开普勒第一定律（轨道定律：教师补充作图，并展示课件）

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． 第一定律涉及到椭圆，接下来我们通过作图来了解有关椭圆的一些知识。同学们手上有白板、纸、图钉、细线，根据做一做的要求画出椭圆。图钉所处的位置就是椭圆的焦点，那么椭圆就有两个焦点。过两焦点与椭圆相交的线段长就叫长轴，长轴的一半就叫半长轴，用字母a来表示。椭圆上任一点到两焦点的距离和是定值还是一个变化的值？。有了椭圆的初步认识后，第一定律就更好理解了。看课件。八大行星运动的椭圆轨道并不相同，但太阳始终位于这些椭圆的同一个焦点上。

2．开普勒第二定律（面积定律）

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：如何来理解这个定律呢？我们还是利用刚才所画的椭圆，行星在这个椭圆轨道上绕太阳运动。行星好比作图中的哪个工具？笔。太阳就在左侧焦点。这两者的连线就是左侧图钉到笔的绳长。请同学们让笔分别在近日处和远日处匀速地运动起来，在相等的时间内，绳长扫过的面积是否相等？近日处小于远日处。依据第二定律，绳长扫过的面积要相等，笔在哪处运动的快？

可见，第二定律揭示了行星并不做匀速率运动，而是近日处速率大于远日处。 3．开普勒第三定律

行星运动速度与行星距太阳远近有关，于是开普勒就联想到行星运动周期也应与行星到太阳的距离有关。于是，他继续对着第谷留下的一堆数字去动脑子。开普勒将人们最熟悉的地球到太阳间的距离R定为1，地球绕太阳的公转周期T是1年，以此为标准再换算其他行星的周期和到太阳的平均距离（半长轴a），将观测数据转化成这么一堆数字：

行星 水星 金星 地球 a 0.387 0.723 1.000 T 0.241 0.615 1.000 行星 火星 木星 土星 a 1.524 5.203 9.539 T 1.881 11.862 29.457 从这一堆数据里怎么找出规律？我们总是从最简单的比例关系入手，由简单到复杂。同学们所熟悉的比例关系有哪些？正比，反比，平方成正比，三次方成正比等等。接下来我们就来找找看。成正比就意味着a/T是一个定值，反比意味着aT是一个定值，以此类推。开普勒当时没有计算器，就靠一只笔，做了无数次这样的加减乘除，用了整整九年的时间才得到两者的关系：a的三次方和T的二次方成正比的关系

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大家看一下a与T的比值。所有行星都是相同。可见：所有行星的椭圆轨道的半长轴的三次方与公转周期的二次方的比值都相等，这就是行星运动的第三条定律

a3表达式可为：2?K a表示椭圆的半长轴，T代表公转周期

T小结：开普勒第一定律否定了圆轨道；第二定律否定了匀速率运动；第三定律建立了所有行星之间的联系。开普勒三定律为后来牛顿发现万有引力定律奠定了基础，开普勒被称为天空的立法者。

1618～1621年，开普勒写了(哥白尼天文学概要>一书，把天文学的研究概括为5个方面：① 观测天象；② 提出对观测到的天象进行解释的假说；③ 宇宙论的物理或哲学；④ 推算天体过去与未来的方位；⑤ 有关的仪器制造和使用的机械学。这一概括表明到开普勒时期，天文学已经具有了自己的研究对象、研究体系和研究程序，产生了近代自然科学的基本方法：进行观测一提出假说一形成理论一实践验证一实际应用。这也正是自然科学革命首先在天文学领域开展的一个基本前提。实验归纳和数学演绎相结合的方法，是科学研究的重要方法。

提问：行星轨道图。同学们可以看到多数行星的轨道与圆十分接近．所以在中学阶段的研究中轨道就按圆来处理．开普勒三定律用于圆轨道时，应该怎样表述呢?

回答：（1）开普勒第一定律：大多数行星围绕太阳的轨道接近于圆，太阳在圆心上。 （2）开普勒第二定律：行星做匀速圆周运动。 （3）开普勒第三定律：所有行星的轨道半径的三次方与公转周期的平方的比值都相等。

R3R表示圆周运动的半径即轨道半径。2?K

T五、小结和巩固练习 小结：

请同学们归纳，今本这一节课学习了哪些内容？

本节学习了托勒密的地心说、哥白尼的日心说、开普勒第一定律与开普勒第二定律、开普勒定律的重大意义。

为了便于记忆开这三条重要的定律，有一首打油诗： 第一定律画椭圆 第二定律限面积 周期半径归第三 天上从此再不乱

一、古人对天体运动的看法及发展过程 教师活动：引导学生阅读教材第一段: