天体运动教案.docx
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天体运动教案
6.1 行星的运动
一、素质教育目标
(一)知识教学点
1.了解“地心说”和“日心说”两种不同学说的建立和发展过程.
2.知道开普勒对行星运动的描述.
(二)能力训练点
(三)德育渗透点
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.
(四)美育渗透点
通过学习,使学生了解到科学家为追求真理而不懈努力,顽强的执著精神,从他们身上所流露出来的人格美.
二、学法引导
学生自学、结合教师的讲解、介绍.
三、重点·难点·疑点及解决办法
1.重点
“日心说”的建立过程和行星运动的规律.
2.难点
学生对天体的运动缺乏感性认识.
3.疑点
开普勒是如何确定行星运动规律的.
4.解决办法
利用挂图,有条件的学校可放影像资料片形象地表现行星的运动情况.
四、课时安排
1课时
五、教具学具准备
行星运动的挂图或资料片
六、师生互动活动设计
1.教师用生动语言来介绍天体物体的发展历史,引起学生产生思想上的共鸣.
2.学生通过阅读教材和观看相关资料来提高认识.
七、教学步骤
(一)明确目标
(略)
(二)整体感知
在浩瀚的宇宙中有着无数大小不一、形态各异的天体,如太阳、地球、月亮、星星等等.这些天体是如何运动的呢?
人类最初是通过直接的感性认识以及受宗教的影响,建立了“地心说”,但后来,第谷等科学家通过长期观测,记录了大量的观测数据,对地心说进行挑战,哥白尼在此基础上提出了“日心说”,“日心说”认为太阳是宇宙的中心,其他天体(包括地球)都绕太阳作匀速圆周运动.“日心说”虽在“地心说”的基础上前进了一大步,但“日心说”解释行星运动时与实际观测的结果仍有一定的误差,最终开普勒通过计算,确立了行星运动的正确图景:
所有的行星围绕太阳运动的轨道都是椭圆,太阳处在所有椭圆的一个焦点上,所有行星的轨道的半长轴的三次方跟公转周期的二次方的比值都相等.
(三)重点、难点的学习与目标完成过程
1.“地心说”和“日心说”的发展过程
我们生活在地球上,地球是浩瀚宇宙中无数星球中的一个,这些星球是如何运动的呢?
在古代,人们认为地球是静止不动的,太阳、月亮及其他行星都围绕地球运动,这就是“地心说”.“地心说”虽然符合人们的日常经验,也符合宗教神学关于地球是宇宙中心的说法.但随着世界航海事业的发展,人们希望借助星星的位置为船队导航,因而对行星的运动观测越来越精确,由大量的观测数据表明,用托勒密的“地心说”模型很难得出完满的解答,当时,哥伦布和麦哲伦的探险航行已经使不少人相信地球并不是一个平台,而是一个球体,哥白尼就开始推测是不是地球每天在围绕自己的轴线旋转一周呢?
他假想地球并不是宇宙的中心,它与其他行星都是围绕着太阳在作匀速圆周运动的.这个模型称为“日心说”,用“日心说”能够较好地和观测数据相符合,但是哥白尼思想很晚才为人们所接受,他的著作发表后,几乎在一个世纪中完全被人们所忽视,主要原因是:
(1)在他们的著作中,“日心说”只是一个“假设”,若用这个“假设”,行星运动的计算比“地心说”容易得多.
(2)当时的欧洲正处于基督教改革与反改革的骚乱中,一个人的科学见解可能会成为判断其是否忠诚的试金石.(3)在哥白尼的著作中有一些很不精确的数据,根据这些数据得出的计算结果不能很好地与行星位置的观测结果相符合,(4)最后,甚至于连哥白尼本人也认为必须把托勒密的“本轮”的思想引进他的模型中.
2.开普勒行星运动定律
开普勒关于行星运动的描述可以表述为三定律,我们主要是介绍第一和第三定律.
开普勒第一定律:
所有的行星围绕太阳运动的轨道都是椭圆,太阳处在所有椭圆的一个焦点上.
由于行星的运动轨迹不是正圆,因而它与太阳的距离一直在改变,有时它向太阳靠拢,而有时则向远离太阳的方向漫游.在整个运动过程中,它的速度大小和方向是不断改变的.
开普勒第三定律:
所有行星的轨道的半长轴的三次方跟公转周期的二次方的比值都相等.
虽然每个行星的椭圆轨道各有一个,但它们运动的轨道的半长轴的三次方跟公转周期平方的比值却都是相同的,我们用R代表椭圆轨道的半长轴,T代表公转周期,经验公式表述为:
=k
比值k是一个与行星本身无关的物理量,由这个定律我们知道,离太阳最近的行星——水星的运动周期最小(为88天),我们生活的地球的运转周期约为365天.
(四)总结、扩展
本节课我们学习了行星的运动,了解了人类对行星运动的探索和认识的过程,知道了所有行星都是沿椭圆轨道绕太阳运动的,并且符合公式
=k
应该说明的是
(1)行星绕太阳运动都符合:
=k
如对于地球和木星比较,就有:
但月球人造卫星以及其他行星的卫星并不是主要绕太阳运动的,它们和行星的运动比较,就有:
(2)对于同一个行星的不同卫星,它们也符合运动规律:
=
如月球和各人造卫星同步,就符合这一规律,但
是与K不同的量,这一点我们在学完这一章后将能够证明.
八、布置作业
1.阅读课本
阅读材料“行星、恒星、星系和宇宙”.
2.太阳系中有九大行星,请你将它们绕太阳运动的周期由小到大依次排序.
3.阅读有关同步通讯卫星的材料,估算出它和月亮距地心的距离比值.
九、板书设计
十、背景知识与课外阅读
自行车“身上”的力学知识
自行车在我国是很普及的代步和运载工具.在它的“身上”运用了许多力学知识.
1.测量中的应用
在测量跑道的长度时,可运用自行车.如普通车轮的直径为0.71m或0.66m.那么转过一圈长度为直径乘圆周率π,即约2.23m或2.07m,然后,让车沿着跑道滚动,记下滚过的圈数n,则跑道长为n×2.23m或n×2.07m.
2.力和运动的应用
(1)减小与增大摩擦.
车的前轴、中轴及后轴均采用滚动以减小摩擦.为更进一步减小摩擦,人们常在这些部位加润滑剂.
多处刻有凹凸不平的花纹以增大摩擦.如车的外胎,车把手塑料套,蹬板套、闸把套等.变滚动摩擦为滑动摩擦以增大摩擦.如在刹车时,车轮不再滚动,而在地面上滑动,摩擦大大增加了,故车可迅速停驶.而在刹车的同时,手用力握紧车闸把,增大刹车皮对钢圈的压力以达到制止车轮滚动的目的.
(2)弹簧的减震作用.
车的坐垫下安有许多根弹簧,利用它的缓冲作用以减小震动.
3.压强知识的应用
(1)自行车车胎上刻有载重量.如车载过重,则车胎受到压强太大而被压破.
(2)坐垫呈马鞍型,它能够增大坐垫与人体的接触面积以减小臀部所受压强,使人骑车不易感到疲劳.
4.简单机械知识的应用
自行车制动系统中的车闸把与连杆是一个省力杠杆,可增大对刹车皮的拉力.自行车为了省力或省距离,还使用了轮轴:
脚蹬板与链轮牙盘;后轮与飞轮及龙头与转轴等.
5.功、机械能的知识运用
(1)根据功的原理:
省力必定费距离.因此人们在上坡时,常骑“S形”路线就是这个道理.
(2)动能和重力势能的相互转化.
如骑车上坡前,人们往往要加紧蹬几下,就容易上去些,这里是动能转化为势能.而骑车下坡,不用蹬,车速也越来越快,此为势能转化为动能.
6.惯性定律的运用
快速行驶的自行车,如果突然把前轮刹住,后轮为什么会跳起来.这是因为前轮受到阻力而突然停止运动,但车上的人和后轮没有受到阻力,根据惯性定律,人和后轮要保持继续向前的运动状态,所以后轮会跳起来.
切记下坡或高速行驶时,不能单独用自行车的前闸刹车,否则会出现翻车事故!
十一、随堂练习
1.如果我们用天文望远镜观察一年中不同时期火星的位置,并且将这些位置连线,请你想像将会是怎样的一条线呢?
火星的周期为687天.
2.下列说法正确的是()
A.关于天体运动的日心说、地心说都是错误的
B.地球是一颗绕太阳运动的行星
C.地球是宇宙的中心、太阳、月亮及其他行星却绕地球转动
D.太阳是静止不动的,地球和其他行星都在绕太阳转动
3.两个行星的质量分别是
、
,它们绕太阳运行的轨道长半轴分别是
和
,则它们的公转周期之比
∶
=________.
4.宇宙飞船围绕太阳在近似圆形的轨道上运动,若轨道半径是地球轨道半径的9倍,则宇宙飞船绕太阳运行的周期是()
A.3年B.9年C.27年D.81年
答案:
1.地球和火星是绕太阳同方向作圆周运动的,且它们的轨道在同一平面内.由于地球距太阳近,周期小,听以当地球“追赶”火星时,地球上的人将观测到火星向着观测者运动;当地球“超越”火星后,地球上的人将观测到火星运离观测者运动.所以地球上的人观测到火星的轨迹是一条来回的折线.
2.AB3.
4.C
教学反思
6.2 太阳与行星间的引力
(一)知识与技能
1、理解太阳与行星间存在
引力。
2、能根据开普勒行星运动定律和牛顿第三定律推导出太阳与行星间的引力表达式
(二)过程与方法
通过推导太阳与行星间的引力公式,体会逻辑推理在物理学中的重要性。
★教学重点
据开普勒行星运动定律和牛顿第三定律推导出太阳与行星间的引力公式
★教学难点
太阳与行星间的引力公式的推导
★教学方法
教师启发、引导,学生自主阅读、思考,讨论、交流学习成果。
★教学工具
计算机、投影仪等多媒体教学设备
★教材分析
★教学过程
(一)引入新课
教师活动:
开普勒在前人的基础上,经过计算总结出了他的三条定律,请同学们回忆一
下,三条定律的内容是什么
学生活动:
思考并回答开普勒开普勒三条定律的内容。
(二)进行新课
教师活动:
引导学生阅读教材第一、二段,思考下面的问题:
1、在解释行星绕太阳运动的原因这一问题上,为什么牛顿能够成功,而其他科学家却失败了?
你认为牛顿成功的关键是什么?
学生活动:
阅读课文,分组讨论,从课文中找出相应的答案。
学生代表发言。
教师活动:
听取学生代表的见解,点评、总结。
过渡:
这一节和下一节,我们将追寻牛顿的足迹,用自己的手和脑,重新“发现”万有引力定律。
1、太阳对行星的引力
教师活动:
引导学生阅读教材,并投影出示以下提纲,让学生在练习本上独立推导:
1、行星绕太阳作匀速圆周运动,写出行星需要的向心力表达式,并说明式中符号的物理意义。
2、行星运动的线速度v与周期T的关系式如何?
为何要消去v?
写出要消去v后的向心力表达式。
3、如何应用开普勒第三定律消去周期T?
为何要消去周期T?
4、写出引力F与距离r的比例式,说明比例式的意义。
教师活动:
投影学生的推导过程,一起点评。
2、行星对太阳的引力
教师活动:
行星对太阳的引力与太阳的质量M以及行星到太阳的距离r之间又有何关系?
请在练习本上用学过的知识推导出来。
学生活动:
在练习本上用牛顿第三定律推导行星对太阳的引力F′与太阳的质量M以及行星到太阳的距离r之间的关系。
教师活动:
投影学生的推导过程,一起点评。
3、太阳与行星间的引力
教师活动:
综合以上推导过程,推导出太阳与行星间的引力与太阳质量、行星质量、以及两者距离的关系式。
看看能够得出什么结论。
学生活动:
在练习本上推导出太阳与行星间的引力表达式。
(三)课堂总结、点评
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。
(四)实例探究
[例]火星绕太阳的运动可看作匀速圆周运动,火星与太阳间的引力提供火星运动的向心力。
已知火星运行的轨道半径为r,运行的周期为T,引力常量为G,试写出太阳质量M的表达式。
★课余作业1、课后完成“问题与练习”中的问题。
教学反思
6.3 万有引力定律
【教学目标】
1.知识与技能
(1)会计算天体的质量.
(2)会计算人造卫星的环绕速度.
(3)知道第二宇宙速度和第三宇宙速度.
2.过程与方法
(1)通过自主思考和讨论与交流,认识计算天体质量的思路和方法
预测未知天体是万有引力定律最辉煌的成就之一.引导学生让学生经历科学探究的过程,体会科学探究需要极大的毅力和勇气.
(2)通过对海王星发现过程的了解,体会科学理论对未知世界探索的指导作用.
(3)由牛顿曾设想的人造卫星原理图,结合万有引力定律和匀速圆周运动的知识推出第一宇宙速度.
(4)从卫星要摆脱地球或太阳的引力而需要更大的发射速度出发,引出第二宇宙速度和第三宇宙速度.
【教材分析】
这节课通过对一些天体运动的实例分析,使学生了解:
通常物体之间的万有引力很小,常常觉察不出来,但在天体运动中,由于天体的质量很大,万有引力将起决定性作用,对天
体质量的计算,对天文学的发展起了方大的推动作用,其中一个重要的应用就是计算天体的质量.
在讲课时,应用万有引力定律有三条思路要交待清楚。
1.从天体质量的计算,是发现海王星的成功事例,注意对学生研究问题的方法教育,即提出问题,然后猜想与假设,接着制定计划,应按计划计算出结果,最后将计算结果同实际结合对照....直到使问题得到解决.
2.把天体(或卫星)的运动看成是匀速圆周运动,即F引=F向,用于计算天体(中心体)的质量,讨论卫星的速度、角速度、周期及半径等问题。
3.在地面附近把万有引力看成物体的重力,即F引=mg.主要用于计算涉及重力加速
的问题。
【教学重点】
1.人造卫星、月球绕地球的运动;行星绕太阳的运动的向心力是由万有引力提供的
2.会用已知条件求中心天体的质量
【教学难点】
根据已有条件求天体的质量和人造卫星的应用.
【教学过程及师生互动分析】
自从卡文迪许测出了万有引力常量,万有引力定律就对天文学的发展起了很大的推动作用,这节课我们来学习万有引力定律在天文学上的应用.
(一)天体质量的计算
提出问题引导学生思考:
在天文学上,天体的质量无法直接测量,能否利用万有引定
律和前面学过的知识找到计算天体质量的方法呢?
1.基本思路:
在研究天体的运动问题中,我们近似地把一个天体绕另一个天体的运动
看作匀速圆周运动,万有引力提供天体作圆周运动的向心力.
2.计算表达式:
例如:
已知某一行星到太阳的距离为r,公转周期为T,太阳质量为多少?
分析:
设太阳质量为M,行星质量为m,由万有引力提供行星公转的向心力得:
, ∴
提出问题引导学生思考:
如何计算地球的质量?
学生讨论后自己解决
分析:
应选定一颗绕地球转动的卫星,测定卫星的轨道半径和周期,利用上式求出地球质量。
因此上式是用测定环绕天体的轨道半径和周期方法测被环绕天体的质量,不能测环
绕天体自身质量.
对于一个天体,M是一个定值.所以,绕太阳做圆周运动的行星都有
.即开普勒第三定律。
(二)预测未知天体:
利用教材和动画模型,讲述自1781年天王星的发现后,人们发现天王星的实际轨道与由万有引力定律计算出的理论轨道存在较大的误差,进而提出猜想...然后收集证据提出问题的焦点所在---还有一颗未知的行星影响了天王星的运行,最后亚当斯和勒维烈争得在计算出来的位置上发现了海王星.
三)人造卫星和宇宙速度
人造卫星:
问题一:
1.有1kg的物体在北京的重力大还是在上海的重力大?
问题二:
卫星为什么不会跳下来呢?
问题三:
1、地球在作什么运动?
人造地球卫星在作什么运动?
通过展示图片为学生建立清晰的图景.
2、作匀速圆周运动的向心力是谁提供的?
回答:
地球与卫星间的万有引力即由牛顿第二定律得:
3、由以上可求出什么?
①卫星绕地球的线速度:
②卫星绕地球的周期:
③卫星绕地球的角速度:
教师可带领学生分析上面的公式得:
当轨道半径不变时,则卫星的周期不变、卫星的线速度不变、卫星的角速度也不变.
当卫星的角速度不变时,则卫星的轨道半径不变.
宇宙速度:
当卫星轨道最低—贴近地球表面运动的时候呢?
上式中将R替换r,即可得到第一宇宙速度.
【课堂例题及练习】
例1.木星的一个卫星运行一周需要时间1.5×104s,其轨道半径为9.2×107m,求木星的质量为多少千克?
解:
木星对卫星的万有引力提供卫星公转的向心力:
,
例2.地球绕太阳公转,轨道半径为R,周期为T。
月球绕地球运行轨道半径为r,周期为t,则太阳与地球质量之比为多少?
解:
⑴地球绕太阳公转,太阳对地球的引力提供向心力
则
,得
:
⑵月球绕地球公转,地球对月球的引力提供向心力
则
得
:
⑶太阳与地球的质量之比
例3.一探空箭进入绕太阳的近乎圆形的轨道运行,轨道半径是地球绕太阳公转半径的9倍,则探空火箭使太阳公转周期为多少年?
解:
方法一:
设火箭质量为m1,轨道半径R,太阳质量为M,地球质量为m2,轨道半径为r.
⑴火箭绕太阳公转,则
得:
………………①
⑵地球绕太阳公转,
则
得:
………………②
∴
∴火箭的公转周期为27年.
方法二:
要题可直接采用开普勒第三定律求解,更为方便.
【课后作业及练习】
1.已知月球到地球的球心距离为r=4×108m,月亮绕地球运行的周期为30天,求地球
的质量.
2.将一物体挂在一弹簧秤上,在地球表面某处伸长30mm,而在月球表面某处伸长5mm.如果在地球表面该处的重力加速度为9.84m/s2,那么月球表面测量处相应的重力加速度为
A.1.64m/s2 B.3.28m/s2
C.4.92m/s2 D.6.56m/s2
教学反思
6.4 万有引力理论的成就
一.教学目标:
1.了解万有引力定律在天文学上的重要应用。
2.会用万有引力定律计算天体的质量。
3.掌握综合运用万有引力定律和圆周运动学知识分析具体问题的基本方法。
二.教学重点:
万有引力定律和圆周运动知识在天体运动中的应用
三.教学难点:
天体运动向心力来源的理解和分析
四.教学方法:
启发引导式
五.教学过程:
〖引入新课〗
天体之间的作用力主要是万有引力,万有引力定律的发现对天文学的发展起到了巨大的推动作用,这节课我们要来学习万有引力在天文学上有哪些重要应用。
〖新课教学〗
㈠天体质量的计算
提出问题引导学生思考:
在天文学上,天体的质量无法直接测量,能否利用万有引力定律和前面学过的知
识找到计算天体质量的方法呢?
1.基本思路:
在研究天体的运动问题中,我们近似地把一个天体绕另一个天体的运动看作匀速圆周运动,万有引力提供天体作圆周运动的向心力。
2.计算表达式:
例如:
已知某一行星到太阳的距离为r,公转周期为T,太阳质量为多少?
分析:
设太阳质量为M,行星质量为m,由万有引力提供行星公转的向心力得:
,∴
提出问题引导学生思考:
如何计算地球的质量?
分析:
应选定一颗绕地球转动的卫星,测定卫星的轨道半径和周期,利用上式求出地球质量。
因此上式是用测定环绕天体的轨道半径和周期方法测被环绕天体的质量,不能测定环绕天体自身质量。
㈡发现未知天体
用万有引力定律计算天体的质量是天文学上的重要应用之一,一个科学的理论,不但要能说明已知事实,而且要能预言当时不知道的事实,请同学们阅读课本并思考:
科学家是如何根据万有引力定律发现海王星的?
海王星和冥王星的发现,显示了万有引力定律对研究天体运动的重要意义,同时证明了万有引力定律的正确性。
〖例题分析〗
例1.木星的一个卫星运行一周需要时间1.5×104s,其轨道半径为9.2×107m,求木星的质量为多少千克?
解:
木星对卫星的万有引力提供卫星公转的向心力:
,
例2.地球绕太阳公转,轨道半径为R,周期为T。
月球绕地球运行轨道半径为r,周期为t,则太阳与地球质量之比为多少?
例3.一探空箭进入绕太阳的近乎圆形的轨道运行,轨道半径是地球绕太阳公转半径的9倍,则探空火箭使太阳公转周期为多少年?
教学反思
6.5人造卫星 宇宙速度
教学目标:
认识目标:
使学生了解人造卫星的有关知识,知道卫星的发射原理,知道三个宇宙速度。
能力目标:
会推导第一宇宙速度,理解v、r之间的关系,理解同步卫星必须定点在赤道上方一定高度处。
教学过程:
一、新课引入:
课件展示:
在地面上高度为h的一点,以初速度v0向水平方向抛射的物体,将沿抛物线轨道落到地平面上。
二、授新课:
(一)人造卫星的原理
课件展示:
人造卫星的原理图
(二)宇宙速度:
设地球质量为m/,卫星质量为m,卫星到地面的距离为r,卫星的环绕速度为v,则有:
对于靠近地面运行的人造卫星,可以认为轨道半径r与地球的半径R近似相等,则有:
将m/=5.89×1024kg,G=6.67×10-11N.m2/kg2R=6.37×106m代入可将
或者:
对于靠近地面运行的人造卫星,可以认为地球对卫星的引力差不多等于卫星的重量mg,即:
将Gm/=gR2将其代入
将
将g=9.8m/s2R=6.37×106m代入得
v=7.9km/s第一宇宙速度绕地道行的最大环绕速度也是地球卫生的最小发射速度。
V=11.2km/s第二宇宙速度卫星挣脱地球束缚的最小发射速度。
V=16.7km/s第三宇宙速度卫星挣脱太阳束缚的最小发射速度。
2、人造卫星的发射速度是决定其运行轨道的主要因素。
地球对人造卫星的万有引力为
人造卫星绕地球做圆周运动所需的向心力
①当F=F/时,人造卫星轨道为圆形
②当F ③F>F/时,人造卫星在朝低轨道做椭圆运动,否则坠落大气层 (三)同步卫星: 必须定点在赤道上方一定高度 (四)问题探究 1、人造卫星中的超重、失重问题。 2、能否发射一颗周期为80分钟的人造卫星? 3、至少几颗同步卫星才能覆盖整个赤道? 4、如何发射人造卫星才最省力? (五)STS教育: 1、航天器中的动力问题: ①火箭推进器②光帆推进器③离子推进器④弹弓效应⑤等离子与体帆推进器 2、黑洞 3、我国航天事业发展情况 三、总结新课 四、布置作业 教学反思 6.5 行星、恒星、星系和宇宙 ●本节教材分析 ●教学目标 一、知识目标 1.了解行星、恒星、星系等概念,知道宇宙中的几个主要天体层次. 2.了解宇宙大爆炸理论. 3.了解本章知识结构. 二、能力目标 1.通过对本节知识的学习,培养学生明辨是非,认识世界的能力. 2.通过对本章知识的小结,培养学生总结知识的能力. 三、德育目标 通过对宇宙中几个主要天体层次的学习,培养学生的科学世界观. ●教学重点 1.行星、恒星、星系、宇宙等概念. 2.宇宙大爆炸理论.
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