高一物理必修2万有引力与航天教案
第一节行星的运动 【教学目标】 知识与技能
1、知道地心说和日心说的基本内容。
2、知道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。
3、知道所有行星的轨道的半长轴的三次方跟它的公转周期的二次方的比值都相等，且这个比值与行星的质量无关，但与太阳的质量有关。
4、理解人们对行星运动的认识过程是漫长复杂的，真理是来之不易的。 过程与方法
通过托勒密、哥白尼、第谷·布拉赫、开普勒等几位科学家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、澄清对天体运动神秘模糊的认识，掌握人类认识自然规律的科学方法。
2、感悟科学是人类进步不竭的动力。 【教学重点】
开普勒行星运动定律 【教学难点】
对开普勒行星运动定律的理解和应用 【教学课时】 1课时
【探究学习】
一、人类认识天体运动的历史
1、\"地心说\"的内容及代表人物：
2、\"日心说\"的内容及代表人物：
二、开普勒行星运动定律的内容 开普勒第一定律：
。
开普勒第二定律：
。
开普勒第三定律：
。即：
在高中阶段的学习中，多数行星运动的轨道能够按圆来处理。 引入新课
多媒体演示：天体运动的图片浏览。
在浩瀚的宇宙中有无数大小不
一、形态各异的天体，如月亮、地球、太阳、夜空中的星星……由这些天体组成的广袤无限的宇宙始终是我们渴望了解、不断探索的领域。人们对行星运动的认识过程是漫长复杂的，历史上有过不同的看法，科学家对此进行了不懈的探索，通过本节内容的学习，将使我们正确地认识行星的运动。
新课讲解
一、古代对行星运动规律的认识 问1：．古人对天体运动存在哪些看法? \"地心说\"和\"日心说\"． 问2．什么是\"地心说\"?什么是\"日心说\"\'? \"地心说\"认为地球是宇宙的中心，是静止不动的，大阳、月亮以及其他行星都绕地球运动，\"日心说\"则认为太阳是静止不动的，地球和其他行星都绕太阳运动．
\"地心说\'的代表人物：托勒密(古希腊)．\"地心说\'符合人们的直接经验，同时也符合势力强大的宗教神学关于地球是宇宙中心的认识，故地心说一度占据了统治地位．
问3：\"日心说\"战胜了\"地心说\"，请阅读第《人类对行星运动规律的认识》，找出\"地心说\"遭遇的尴尬和\"日心说\'的成功之处．
地心说所描述的天体的运动不仅复杂而且问题很多，如果把地球从天体运动的中心位置移到一个普通的、绕太阳运动的位置，换一个角度来考虑天体的运动，许多问题都可以解决，行星运动的描述也变得筒单了．
\"日心说\"代表人物：哥白尼，\"日心说\"能更完美地解释天体的运动．
二、开普勒行星运动三定律
问1：古人认为天体做什么运动? 古人把天体的运动看得十分神圣，他们认为天体的运动不同于地面物体的运动，天体做的是最完美、最和谐的匀速圆周运动．
问2：开普勒认为行星做什么样的运动?他是怎样得出这一结论的? 开普勒认为行星做椭圆运动．他发现假设行星傲匀逮圆周运动，计算所得的数据与观测数据不符，只有认为行星做椭圆运动，才能解释这一差别．
问3：开普勒行星运动定律哪几个方面描述了行星绕太阳运动的规律?具体表述是什么? 开普勒行星运动定律从行星运动轨道，行星运动的线速度变化，轨道与周期的关系三个方面揭示了行星运动的规律．
（多媒体播放行星绕椭圆轨道运动的课件） 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．
问4：这一定律说明了行星运动轨迹的形状，不同的行星绕大阳运行时椭圆轨道相同吗? 不同．
[教材做一做] 可以用一条细绳和两图钉来画椭圆．如图7．1-l所示，把白纸镐在木板上，然后按上图钉．把细绳的两端系在图钉上，用一枝铅笔紧贴着细绳滑动，使绳始终保持张紧状态．铅笔在纸上画出的轨迹就是椭圆，图钉在纸上留下的痕迹叫做椭圆的焦点．
想一想，椭圆上某点到两个焦点的距离之和与椭圆上另一点到两个焦点的距离之和有什么关系? 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时间内扫过相等的面积．
问5：如图7.1-2所示，行星沿着椭圆轨道运行，太阳位于椭圆的一个焦点上行星在远日点的速率与在近日点的速率谁大？
因为相等时间内面积相等，所以近日点速率大。 开普勒第三定律：所有行星的椭圆轨道的半长轴的三次方跟公转周期的平方的比值都相等．（如图7．1-l） （投影九大行星轨道图或见教材页图7.1-3）
问6：由于行星的椭圆轨道都跟圆近似，在中学阶段研究中按圆处理，开普勒三定律适用于圆轨道时，应该怎样表述呢?
1、多数大行星绕太阳运动轨道半径十分接近圆，太阳处在圆心上。
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。
3、所有行星的轨道半径的三次方跟它的公转周期的平方的比值都相等． 若用R代表轨道半径，T代表公转周期，开普勒第三定律可以用下面的公式表示：
比值k是一个与行星无关的恒量。
参考资料：给出太阳系九大行星平均轨道半径和周期的数值，供课后验证。 问7：这一定律发现了所有行星的轨道的半长轴与公转周期之间的定量关系，比值k是一个与行星无关的常量，你能猜想出它可能跟谁有关吗根据开普勒第三定律知：所有行星绕太阳运动的半长轴的三次方跟公转周期二次方的比值是一个常数k，可以猜想，这个\"k\"一定与运动系统的物体有关．因为常数k对于所有行星都相同，而各行星是不一样的，故跟行星无关，而在运动系中除了行星就是中心天体--太阳，故这一常数\"k\"一定与中心天体--太阳有关．
说明：开普勘定律不仅适用于行星绕大阳运动，也适用于卫星绕着地球转，K是一个与行星质量无关的常量，但不是恒量，在不同的星系中，K值不相同。K与中心天体有关。
【课堂训练】
例1关于行星的运动以下说法正确的是（） A．行星轨道的半长轴越长，自转周期就越长 B．行星轨道的半长轴越长，公转周期就越长 C．水星轨道的半长轴最短，公转周期就最长 D．冥王星离太阳\"最远\"，公转周期就最长 2.为什么说曲线运动一定是变速运动? 分析：由开普勒第三定律可知，a越大，T越大，故BD正确，C错误；式中的T是公转周期而非自转周期，故A错。
答案：BD 例2已知木星绕太阳公转的周期是地球绕太阳公转周期的12倍。则木星绕太阳公转轨道的半长轴为地球公转轨道半长轴的倍。
思维入门指导：木星和地球均为绕太阳运行的行星，可利用开普勒第三定律直接求解。本题考查开普勒第三定律的应用。
解：由开普勒第三定律可知： 对地球：对木星 所以 点拨：在利用开普勒第三定律解题时，应注意它们的比值中的k是一个与行星运动无关的常量。
例3已知地球绕太阳作椭圆运动。在地球远离太阳运动的过程中，其速率越来越小，试判断地球所受向心力如何变化。若此向心力突然消失，则地球运动情况将如何？
思维入门指导：行星的运动为曲线运动，因此本节知识常常和曲线运动知识相综合。
解：由于地球在远离太阳运动的过程中，其速率减小，据牛顿第二定律有，，由开普勒第二定律知，地球在远离太阳运动的过程中角速度（单位时间内地球与太阳的连线扫过的角度）也减小，故向心力减小。若此向心力突然消失，则地球将沿轨道的切线方向做离心运动。
点拨：地球绕太阳的运动虽然并非匀速圆周运动，但向心力公式仍适用。任一时刻，地球的速度方向均沿椭圆的切线方向。
【课堂小结】
教师活动：让学生概括总结本节的内容。请一个同学到黑板上总结，其他同学在笔记本上总结，然后请同学评价黑板上的小结内容。
学生活动：认真总结概括本节内容，并把自己这节课的体会写下来、比较黑板上的小结和自己的小结，看谁的更好，好在什么地方。
点评：总结课堂内容，培养学生概括总结能力。
教师要放开，让学生自己总结所学内容，允许内容的顺序不同，从而构建他们自己的知识框架。
本节学习的是开普勒行星运动的三定律，其中第一定律反映了行星运动的轨迹是椭圆，第二定律描述了行星在近日点的速率最小，在远日点的速率最大，第三定律揭示了轨道半长轴与公转周期的定量关系．在近似计算中可以认为行星都以太阳为圆心做匀速圆周运动。
