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一、教学目标
知识与技能:
1、知道日心说和地心说的基本内容
2、大致了解开普勒行星运动定律的发现历程及其对经典力学(运动观、宇宙观)发展的意
义。
3、初步理解开普勒行星运动定律的物理意义及其在中学阶段的研究中近似处理。
过程与方法:
1、通过开普勒行星运动定律发现历程的学****过程,认识物理模型和数学工具在物理学发展
过程中的作用。
2、通过科学家们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。
情感态度与价值观:
1、知道科学家们凭着严谨的科学态度和极大的勇气,终于认识了行星的运动规律。
2、领略天体运动的奇妙与和谐,发展对科学的好奇心与求知欲,了解探索自规律的然艰
辛与喜悦;培育敢于坚持真理、勇于创新和实事求是的科学态度和科学精神。
3、感悟科学是人类进步不竭的动力,提高自身科学素养。
二、教学内容剖析
本节课的地位和作用:
本节教学既是前面《运动的描述》和《曲线运动》内容的进一步的延伸和拓展,又是为了学<br****万有引力定律和后续原子结构模型做铺垫。在物理1的第一章《运动的描述》部分,学生
已学****了参考系、运动轨迹、运动快慢描述的相关知识;物理2的第六章《曲线运动》部分,
已学****了圆周运动快慢描述的相关知识,这些都是学****行星运动的描述的知识准备。同时该
节内容也涉及大量物理史实、贴近学生生活和联系社会实际的事实,可进一步培育学生的科
学情感、精神和发展观。
本节课教学重点:
-行星模型。
。
本节课教学难点:
。
-行星模型。
三、教学思路与方法
为了整合知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观三个维度的上述具体目标,结合学生
和课程实际,在构思教学活动和学生活动的安排时,以解决如何描述行星运动的系列问题为
线索,建构太阳-行星模型为目标,为解决每个问题创设情境、明确任务,在组织交流和评
价的过程中促进意义建构、分享体会。教学中围绕太阳-行星模型的参考系、轨迹、运动快
慢、和谐统一性展开教学,指导阅读、比较历史上关于宇宙中心、行星运动轨迹的观点和思
想,引导学生把物理事实作为证据的观念,根据证据、逻辑和已有知识作出科学解释。
四、教学准备
(图片、文本)。
(图片)。
(课件、动画)。
、细线、小黑板。
。
五、课堂教学设计
教学设计
教学内容师生互动备注
环节意图
师:呈现图片和文本:课题——万有
引力与航天,中国太空第一人。
生:观察、议论。
师:早在远古时代,人们在观察日月
的升落、星辰的移动时,就对天体模
导入新
型作了各种想象,萌发了飞天的梦
想。中华民族是最早产生飞天梦想的
课,呈
伟大民族。从“嫦娥奔月”的动人传
在上课开始前就用多媒体
说到敦煌飞天的美丽壁画,从明代的
在投影屏幕上呈现这一章现学****br/>万户飞天到如今的“神舟”号飞船,
的标题、杨利伟在太空舱中
引入新2003年10月15日,中国人终于实现
展示中国国旗和联合国旗课题和
课了飞天梦想。
图片及其文字说明。上课以
生:听讲、思考。
教师的演讲开始,强调产生明确学
师:载人航天已载入史册,梦想变现
和实现飞天梦想的时间
实,凝聚着人类科技探索的艰辛。这<br****任
一章我们将学****对人类智慧影响至
为深远,在天体运动中起着决定性作
务。
用的万有引力定律,并了解它的发现
历程和在人类探索太空中的作用。今
天我们开始学****如何描述行星的运
动。
师:提问:请同学们回忆前面在《运
动的描述》的学****中,我们是如何描
要描述物体的运动首
述物体的运动的?在《曲线运动》的
先要选取参考系,其次要把
学****中,又是如何描述圆周运动的运
把研究对象抽象为质点,其
动快慢的?
三要明确物体的位置,其四
匀速圆生:思考、回答、交流:首先要选取
要描述物体的运动快慢,其
周运动参考系,其次要把把研究对象抽象为
五如果物体的速度在变化
的描述质点,其三要明确物体的位置(运动
就还要描述速度的变化快
轨迹),其四要描述物体的运动快慢
慢;描述匀速圆周运动的快
(速度),其五如果物体的速度在变
慢有5个物理量,线速度、
化就还要描述速度的变化快慢(加速
角速度、周期、频率和转速。
度)
师:提示、补充、板书、整理,描述
具有轨道轨道共圆性和中轨迹;描述了每一个行星在自己的椭结能力
学阶段的数学水平的限制,圆轨道上不同位置的运动的快慢;揭得到提
我们可以把行星围绕太阳示了宇宙的和谐,虽然不同行星的轨高
运动的轨道是椭圆近似为道不同,半长轴不同,周期不同,但
圆。这样得到,中学阶段天半长轴的三次方跟公转周期的二次
体运动的近似模型——“中方的比值都相等。k与轨道上的行星
心天体-圆轨道上物体模无关,由中心的太阳决定。
型”。师:由研究描述行星的运动而得到的
开普勒行星运动定律,只能描述太阳
系的行星运动吗?能否用于地月
系?k是否还不变?k是由轨道上
月亮决定,还是由中心的地球决定?
生:开普勒行星运动定律,不仅能面
熟太阳系的行星运动,也用于地月适
系,只是k值发生了变化,k值由中
心天体决定的。
本节课,我们应该清醒地知
道研究行星的运动最好以
太阳为参考系、研究月亮的
运动最好以地球为参考系。
天体的运动轨迹一般是椭
圆,在中学阶段可以近似认
为是圆周运动。那么,开普
勒定律可以表达为第一定
律:轨道上天体围绕中心物
体运动的轨道近似都是圆,
中心物体处于圆心。第二定教师引导
小结律:对于每一个轨道上天体
而言,它绕中心物体做圆周学生总结
运动的角速度(或线速度大
小)不变,即做匀速圆周运
动。第三定律:轨道上天体
的轨道半径的三次方跟公
转周期的二次方的比值都
R3
相等(k)。k是由
T2
中心天体决定,中心天体不
同,则k值不同。
六、视野拓展
张衡关于行星运动规律的认识是十分卓越的。《灵宪》里说:“凡文耀丽乎天,其动者
七,日月五星是也。周旋右回,天道者贵顺也。近天则迟,远天则速。行则屈,屈则留回,
留回则逆,逆则迟,迫于天也。从这一段话里可以清楚地看出,张衡认为,各行星视运
动的快慢所以不同,是有规律可找的,这个规律是视运动的快慢决定于该天体离开地球的远
近。反过来说,也即离开天的远近。“近天则迟,远天则速”。当时,日月五星的恒星周期
已经掌握得相当精密了。因此,张衡已能很清楚地知道七曜至地球的距离是各不相同的。按
顺序排列应为月、水、金、日、火、木、土。月亮为27天多运行一周,水星近90天,太
阳需要一年,而运动最慢的土星则需要30年。因此,张衡在他《浑天仪图注》里曾经写着:
“周天三百六十五度又四分度之一,又中分之,则一百十八二度分之五八覆地上,一百十八
二度分之五八绕地下,故二十八宿半见半隐,其两端谓之南北极,北极乃天之中也”。这里
张衡所说的“周天三百六十五度又四分度之一”和现今天文学所测量的地球绕太阳一周所
,即365天5小时48分46秒,两个数字是接近的。
近代天文学证明,实际上并不是整个星空由东向西转,而是地球由西向东转。但古人由
于不知地球自身的旋转,反而产生了天球旋转的观念。天球旋转是一种表象,所以张衡有半
个周天绕地下,半个周天覆地上,以及28宿半见半隐等说法。根据“近天则迟,远天则
速”这一认识,张衡还特地根据距离地球的远近,将七曜分为两类,运动得快的称为“附于
月”,属于阴性,离地近,我们可称之为月类行星;运动得慢的称为“附于日”,属于阳性,
离地远,我们可称之为日类行星。所以《灵宪》说:“行迟者觌于东,觌于东者属阳;行速
者觌于西,觌于西者属阴。日与月共配合也。摄提、荧惑、地候晨见,附于日也;太白、辰
星昏见,附于月也。二阴三阳,参天两地,故男女取则焉”。我国古代又将水、金、火、木、
土称为辰星、太白、荧惑、摄提、填星。战国秦汉时也有称土星为地候的,例如石氏和《史
记》都是如此,张衡也这样称呼。参者三也,“二阴三阳,参天两地”意思是二颗属阴的行
星靠近地,三颗属阳的行星靠近天。
张衡在《灵宪》中说,日月和五星在众恒星间移动,通常都是顺行的,它们按照“近天
则迟,远天则速”的规律运动,按正常情况运行了一段时间之后,速度就慢下来,以至于停
留不动,最后变成逆行,然后再回到顺行的正常情况。关于行星的顺行、停留和逆行问题,
完全是因为行星和地球都绕日公转使得行星在恒星间的视运动有时顺行,有时停留,有时逆
行。如果日月五星都绕地球转动,则就没有停留和逆行的现象产生。古人以为众星都绕地球
运行,所以行星的停留和逆行现象就无法得到科学的解释。托勒密的运动系统用本轮均轮来
解释,也只是一种虚构而已。张衡则从行星离地的距离变化来尝试着解释这一现象。他认为
“周旋右回,天道者贵顺也。近天则迟,远天则速”,这是讲在一般情况下行星是顺行,近
天时则速度慢,远天时则速度快。但是顺行一段时间之后要发生变化:“行则屈,屈则留回,
留回则逆。”即要运动变慢,然后停留不动,以至往回走,变成逆行。“逆则迟,迫于天也”。
即逆行就要慢,而这是由于接近天的缘故。张衡所说的“近天则迟,远天则速”,包括了
两层意思:对同一颗行星来说,离地球近时就运行得快,离地球远时就运行得慢;对不同行
星来说,离地球近的运行得快,离地球远的运行得慢。张衡又认为,各行星的运动,通常
都是按照一定的轨道,一定的速度进行的,所以它们各自的运动方位,都能预先推算出来。
虽然有时会有一些快慢的变化,但总是超不过一个星次(30°)。所以《灵宪》说:“方
星巡镇,必因常度。荀或盈缩,不逾于次。”由于各行星本身的运动速度也是不等的,按匀
速视运动来推算,自然就会发生误差。
从以上论述可以看出张衡对天体及其运动主要有如下几点认识:①地为宇宙的中心,天
体绕着地作周日旋转。②地的最外层包着天球,不动的恒星就附着在天球上。③日月五星在
地与天球之间运动。④七曜的视运动速度决定于离开地的距离,近则速,远则慢。⑤七曜可
以分为运动速度快的和慢的两类,运动速度快的以月亮代表,包括水星和金星,属于阴性;
运动速度慢的,以太阳为代表,包括火星、木星和土星,属阳性。⑥七曜离开地的距离是常
有变化的,所以反映在它们的运动速度上就有快有慢,顺留逆的变化,是行星运动距离地远
近变化的反映。由此可见,张衡上述的科学思想是非常先进的。在那么早的古代,就有了
如此进步的认识,这在世界天文学发展史上,也是极为卓越的创见。张衡是地心说,而且把
月亮和太阳都当作行星来看待,这些我们不能苛求。但他比开普勒早1500年就已经认识
到行星运动的速度决定于它们同地球的距离,这不能说不是一个重要的发现。