第五章第一节:天体运动的规律教案
一、课程标准
1、 通过有关的事实了解开普勒定律的发现过程；
2、 知道开普勒三定律；
3、 体会科学研究方法对人们认识自然的重要作用。
二、教学目标
1. 知识与技能：
(1)了解人类对天体运动探索的发展历程．
(2)了解开普勒三定律的发现过程
(3)知道开普勒三定律的内容
2.过程与方法：
(1)查阅资料，了解“地心说”与“日心说”模型提出的历史背景
(2)了解“地心说”与“日心说”模型建立的依据，认识物理模型在物理学发展
过程中的作用
(3)通过“地心说”与“日心说”的话剧表演加深人类认识天体运动规律的过程
(4)以话剧表演的方式，了解开普勒的三大定律．
2. 情感、态度与价值观：
(1)由人类对天体运动的探索过程，培养学生尊重客观事实，实事求是的科学态度
(2)让学生认识到科学的想像力建立在对事物长期深入的思考基础之上开普勒定律的提
出，除科学的想像力外，更离不开长期深入的思考。
(3)树立把物理事实作为证据的观念，形成根据证据、逻辑和既有知识进行科学解释的思
维方法
（4）培养学生科学的学习态度和尊重科学，坚持真理的科学态度。
三、教学建议
教材处理:
本节教学可以分为两节课来上，第一节课主要讲述人类研究天体运动的历程；第二节
课主要讲万有引力定律和引力常量的测定。主要采取历史回顾的方式进行话剧表演，让全
班学生对人类认识天体运动规律有一个清楚的认识。
课时建议：一节课
四、重点难点：
1、人类认识天体运动的历程；
2、开普勒三大定律
五、教学方式：
历史回顾话剧表演的形式
六、教学过程：
引入：有一首诗写出了一个民族的希望，这首诗每次读到都感慨万千，这首诗就是温
家宝总理的《仰望星空》。今天，我希望同学们跟我一起来朗诵这首诗。
全班学生一起：
《仰望星空》
我仰望星空，
它是那样寥廓而深邃；
那无穷的真理，
让我苦苦地求索、追随。
我仰望星空，
它是那样庄严而圣洁；
那凛然的正义，
让我充满热爱、感到敬畏。
我仰望星空，
它是那样自由而宁静；
那博大的胸怀，
让我的心灵栖息、依偎。
我仰望星空，
它是那样壮丽而光辉；
那永恒的炽热，
让我心中燃起希望的烈焰、响起春雷。
朗诵的非常好，很有感情，给予自己鼓励的掌声。
仰望星空，星空璀璨，浩瀚宇宙令人神往。今天，嫦娥二号正在环月飞行，明天，我们将
实现奔月的梦想。回想我国探月绕、落、回三步的艰辛，面对浩瀚的宇宙，你想提出什么
问题呢?
学生举手回答想要了解的问题。（看来同学们提出问题的能力还是很强的，希望同学们以后
学会多问几个为什么）
刚才有几位同学都提到了想了解天体是怎么运动的，其实，关于人类认识天体运动的规律，
早在很久以前就开始了，大家想不想穿越时空去了解发现天体运动的历程呢？（想）接下
来就让参与我备课的几位同学带领大家经历一次遥远而又神奇的时空之旅。有请时空转换
官：
学生表演：
主持人：感谢大家，就让我们一起回到 1900 多年前，有一位伟大的科学家要讲述他的故事
（双手迎向托勒密）
托勒密：同学们好！我叫托勒密，是古希腊数得上号，排得上名的地理学家，天文学家，数
学家。关于行星运动的规律，我的观点是：地球是宇宙的中心，静止不动，各行星都绕着一
个较小的圆周运动（我把它称之为本轮），而本轮的圆心又在以地球为中心的圆周上运动（这
个圆我称之为均轮）。我用它准确地解释了当时观测到的行星的运动情况, 预测了日食和月
食的发生。唯一有点麻烦的就是，过一段时间我就得再添个本轮进行一下修正，才能保证它
始终和行星的运动情况吻合。但也还好啦，我的这个本轮也只添到七八十个而已，不算复杂，
对吧？再说啦，复杂怕什么，不管白猫黑猫，抓住老鼠就是好猫,所以我这个能解决实际问
题就是啦!你再看,太阳每天从哪边升起？(东边)又从哪边下落？(西边)对啦，你都看到啦，
是太阳在运动，地球根本就没动，是不是，所以人们信奉我，追捧我是没错的啦！
主持人：托勒密的地心说比较符合人们的日常观察经验如太阳东升西落，这种理论迎合了后
来罗马教廷的宗教思想，得到教会的支持，地心说整整统治欧洲达 1400 多年之久。尽管它
把地球当作宇宙中心是错误的，然而地心说是世界上第一个行星体系模型，而它的历史功绩
是不应抹杀的。这种观点一直统治人们，直到哥白尼的出现。（双手迎向哥白尼的方向）
哥白尼：同学们好！我是波兰伟大的天文学家哥白尼，相信同学们以前听说过我。关于行星
运动的规律,我的观点和托勒密有点不同,那就是: 地球不是宇宙的中心,太阳才是.地球是
同五大行星一样围绕太阳这个不变的中心运行的普通行星. 它每 24 小时自转一周，只有月
亮环绕地球运行。本来呢,我也认同托勒密的观点,可是这时间一长,我就觉得不对啦,你说,
这七八十个本轮才能解释天体的观测现象,他不嫌复杂,我还嫌啰嗦呢，科学崇尚的是简洁的
美，一定是哪儿出了问题啦？能不能换个视角，换个中心看看呢？
如果太阳是中心，情况又会如何？通过 30 年的观测与计算，我成功地证明了我的观点
是正确的。比如我测算的恒星年的时间为 365 天 6 小时 9 分 40 秒，只比你们现在的精确值
约多 30 秒，误差只有百万分之一；月亮到地球的平均距离是地球半径的 60.30 倍，和你们
现在的测得的 60.27 倍相比，误差只有万分之五。经过我这一转换，整个结构就变得简洁，
同时也能很好地与天文观测吻合。所以我坚信，我的理论才是正确的，但是托勒密后面的支
持力量太强大了，请容许我暂且退让一下吧，这推广的重任就交给你们啦！
主持人：哥白尼用毕生的精力去研究天文学，为后世留下了宝贵的遗产。哥白尼的“日心说”
沉重地打击了教会的宇宙观，这是唯物主义和唯心主义斗争的伟大胜利。而我国早在 3000
多年前就已著的《周易》里，就已经记载了太阳是大地的主宰，大地要顺从太阳，围绕太阳
运转。这是以日为参照，实质上也就是日心说。
布鲁诺：同学们好！我是布鲁诺，意大利思想家、自然科学家、哲学家和文学家。我是日心
说的忠实拥护者。因为我捍卫和发展哥白尼的日心说，批判神学、反对地心说，触动了教会
的逆鳞，被宗教裁判所判为“异端”，在罗马鲜花广场对我施以火刑。为了大家能了解我受
到的迫害，我给大家放一段视频。（播放）
但是“在真理面前我半步也不会退让！” ；“火，不能征服我，未来的世界会了解我，
会知道我的价值。”
主持人：布鲁诺英勇就义了，但他的思想在欧洲大陆传播开来，他捍卫真理不畏迷信的精神
被人们所歌颂。同学们你们看谁来了啊？
伽利略：同学们好！我是伽利略，我又回来了。同学们还记得我在哪里出现过吗？（与同学
形成互动）今天我要讲的是我对行星运动的观点。
我自制了望远镜观察天象，我的观察结果让我相信哥白尼的日心说，所以在 1632 年我
出版了《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》，为哥白尼的日心说辩护。罗马的宗教
裁判所因此判处我终身监禁，不让我继续去宣传日心说，但是我相信，真理关不住的！
主持人：伽利略是我们很熟悉的科学家了，这一次他由于支持日心说遭到了教会的迫害，在
1632 年被宗教法庭判决为终身监禁。由于我们穿越时空的时间太长，我们先跳出来休息一
下，因为我们需要思考。
老师：首先感谢几位同学精彩的表演，感谢他们让我们了解这么多的知识。其实刚才四
位同学表演的科学家提到的观点正好是 16 世纪前提到的两种学说：地心说和日心说。地心
说的主要代表人物是托勒密，他的观点在现在看来是错误的，但是他是第一个系统研究日月
星辰并建立天体运动模型的科学家，并且他的观点符合人们日常生活观察，又受到宗教的支
持，所以统治了 1400 多年，可以说当时他的观点深入人心，根深蒂固。直到 1400 多年后，
哥白尼大胆的提出了与他相反的观点日心说，但是支持日心说的人太少，势力太弱，而且由
于宗教的原因，这种观点得不到传播，直到哥白尼死的那刻记载他观点的书才得以发表。后
来又有布鲁诺和伽利略的推广，但却遭到火刑和终身监禁。日心说走到这里，遭到这种对待，
有很多同学想发表自己的观点了，那么，请参照屏幕上的三个问题或者其中的几个展开讨论：
1、为什么哥白尼要退让，而布鲁诺和伽利略却遭到如此的对待？
2、今天来看日心说完全正确吗？日心说相对地心说有什么进步的地方?
3、你从以上几位科学家身上学到了什么？
难道日心说到这里就结束了吗?其实在与布鲁诺和伽利略同时期的还有很多的科学家在为
天文学做出贡献，其中的两位就非常具有代表性，下面继续我们的时空旅行。有请第谷先
生（双手迎向第谷）
第谷：大家好，我是第谷，我来自于丹麦，是一名天文学家。我的成就主要是在天文观测方
面。在丹麦国王的支持下，我建立了世界上最早的大型天文台，创制了大量先进的天文仪器，
数十年如一日的对天空中运行的星体进行观测，从而获得了有关行星运行的大量真实可靠的
数据，为近代天文学的发展奠定了坚实的基础，所以人们把我誉为“天体运动的守候者”。
但是我内心充满了遗憾哪，因为我坚持地心说的观点，导致我与那伟大的发现失之交臂啊！
主持人：第谷是一位杰出的观测家，但他的宇宙观却是错误的。第谷本人不接受任何地动的
思想。他认为所有行星都绕太阳运动，而太阳率领众行星绕地球运动。他的体系是属于地心
说的。可以说，作为丹麦天文学家的第谷，是近代天文学的奠基人。1600 年第谷与开普勒
相遇，邀请他作为自己的助手，次年第谷逝世，开普勒接替了他的工作，并继承了他的宫廷
数学家的职务。(双手迎向开普勒)
开普勒：同学们好！我就是第谷先生的徒弟，我叫开普勒,是德国近代著名的天文学家、数
学家、物理学家和哲学家。我的眼神不好，但这没有妨碍，我的老师给我留下了一大笔丰厚
的财产，那就是大量极为精确的天文观测资料，借助于这些资料，外加我非凡的才能，
大胆的创新，终于找到了关于行星运动的正确规律，我将它总结成了三条简洁的定律，
并以我之名进行命名。它们分别是：
开普勒第一定律——轨道定律：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。
开普勒第二定律——面积定律：对任意一个行星来说，它与太阳的连线在相等的时间扫过相
等的面积。
开普勒第三定律——周期定律：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.
为了让大家更好地理解我的三定律，这儿请容许我先给大家补充一点儿有关椭圆的知
识。（做一做，在黑板上演示一下椭圆的作图，简要介绍一下椭圆的特点，并出示已画好的
不同偏心率的椭圆，让学生辨认一下谁是圆，为下一节将椭圆近似看成圆作铺垫）
第一定律的获得起源于我在编制火星的运行表时，发现如果按公认的圆周轨道去进行
的话，会和第谷先生观测的资料产生 8 分的误差，而我坚信先生观测的误差最多不超过 2
分，一定是轨道模型有问题。我大胆地将火星的轨道考虑成椭圆，经过多次计算实验后，我
终于可以确信火星的轨道是椭圆，我还运用三角定点法测出地球的轨道也是椭圆，从而确立
了我的第一条行星运动定律。
第二条定律的得出也是在我研究火星运行规律时发现的。根据观测数据，我发现，虽然
火星运行的速度是不均匀的，在近日点时快，远日点时慢，但是，从任何一点开始，在单位
时间内，火星和太阳的连线扫过的面积都是不变的。进一步对地球等进行观测和计算，都得
出了同样的结论，从而我得出了第二条行星运动定律：对任意一个行星来说，它与太阳的
连线在相等的时间内扫过相等的面积。
第三条定律的得出，连我都忍不住要佩服自己的耐心和毅力。我始终坚信存在着一个把
全部的行星系统连成一个整体的完整定律，面对着一堆有关行星运动的乱七八糟的数字，我
采取了最笨的方法，像做数字游戏一样，我把表中各项数字翻来覆去作各式各样的运算：把
它们互相加、减、乘、除；又把它们自乘；时而又求它们的方根……。这样，在无人支持的
情况下，经过 9 年的苦算，在无数次的失败之后，我终于找到了它：我的开普勒第三定律。
由于我对天文学做出的贡献，后来我被人们誉为“天体运动的立法者”。那么同学们能够记
住我的三大定律了吗？（还不能，推开黑板：一起朗读开普勒三大定律）好的，今天我们都
讲到了椭圆，那么同学们对椭圆了解多少？有请老师为我们讲解有关的椭圆知识。
老师：感谢第谷和开普勒的表演者以及所有参与这次备课的同学，感谢他们的辛苦付出，
也让大家看到他们很大的进步，希望有更多的同学参与到备课当中来。其实第谷和开普勒本
身就是很戏剧性的两个人，两个支持不同观点的人却走到了一起，还成了师徒关系，第谷死
后，开普勒利用第谷一生观测到得大量真实可靠数据经过大量计算得到了伟大的三大定律，
为后面天文学的发展奠定了坚实基础，有人说，哥白尼出身富家，第谷有国王支持，伽利略
后面有公爵，牛顿后面有政府，而开普勒只有疾病和贫困，但是他突破性的天文学理论，以
及他不懈探索宇宙的精神却成为了后人铭记他的最好的丰碑。
下面我们一边复习开普勒三定律一边学习有关椭圆的知识：
开普勒第一定律——轨道定律：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。（用幻灯片简单介绍椭圆知识，并组织全班学生画椭圆）
得到：偏心率越大，椭圆越扁平，偏心率越小，椭圆越接近圆。（为下节课准备）
开普勒第二定律——面积定律：对任意一个行星来说，它与太阳的连线在相等的时间扫过相
等的面积。（近日点的速度大于远日点的速度）
开普勒第三定律——周期定律：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.
七、小结：本节课你的收获是什么?(知识、态度、故事、精神等)，没说到的写到作业本上。
仰望星空，星空璀璨，展望未来，我们信心百倍，在《六盘水市第一实验中学校歌》中结束
本节课。（播放校歌《星空璀璨》）
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