太陽系家族

注意事項

天文課程內容相對複雜，教案中資料很多，每部分資料只講最有趣味、最容易理解的部分即可，其餘資料供主講人備課時參考，否則上課時間會不夠用，而且學生不容易理解。

“天文（二）太陽系家族”教案

針對年級：五、六年級。
課程時長：2課時。
注意事項：
1.要用淺顯的語言把複雜的天文概念講給學生聽，這需要授課人同時具備豐富的天文知識和精巧的表達能力。
2.教案中的材料，主講人應當根據情況有所取捨，難以理解的部分應予迴避。
3.每部分不設時間限制，根據實際情況講授，剩餘的時間播放天文相關影片《斗轉星移》，每集10分鐘，湊足2課時時間。
【教學目標】
是學生們了解最基本的天文學知識，試圖使學生們產生對天文學的興趣。
【教學準備】
教師準備：筆記本電腦，外接音箱，教學幻燈片，天文相關影片，打印的太陽系行星圖片，投影儀、幕布（或多帶幾台筆記本電腦）。
【教學過程】
一、導入。
回顧上節課講的恆星、行星和衛星，引出太陽系概念，指出地球只是太陽系的行星之一，月球只是太陽系的衛星之一。這節課講了解太陽系的其他天體。
二、太陽系簡介。
教師講述：
太陽系就是我們現在所在的恆星系統。它是以太陽為中心，和所有受到太陽引力約束的天體的集合體：8顆行星、至少165顆已知的衛星，和數以億計的太陽系小天體。這些小天體包括小行星、柯伊伯帶的天體、彗星和星際塵埃。
太陽系的主角是位居中心的太陽，擁有太陽系內已知質量的99.86%，並以引力主宰着太陽系。木星和土星，是太陽系內最大的兩顆行星，又佔了剩餘質量的90%以上。
太陽系內主要天體的軌道，都在地球繞太陽公轉的軌道平面（黃道）的附近。行星都非常靠近黃道，而彗星和柯伊伯帶天體，通常都有比較明顯的傾斜角度。
由北方向下鳥瞰太陽系，所有的行星和絕大部分的其他天體，都以逆時針（右旋）方向繞着太陽公轉。有些例外的，像是哈雷彗星。
注意事項：慎用質量這個詞，用重量雖然不準確，但是比較容易理解。在講順時針和逆時針的時候，找一塊指針的手錶作為道具。
三、行星
1.教師講述：
依照至太陽的距離，行星序是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星，8顆中的7顆有天然的衛星環繞着，這些星習慣上因為地球的衛星被稱為月球而都被視為月球。在外側的行星都有由塵埃和許多小顆粒構成的行星環環繞着，而除了地球之外，肉眼可見的行星以五行為名，在西方則全都以希臘和羅馬神話故事中的神仙為名。
2.教師講述：類地行星與類木行星
類地行星（包括水、金、地、火）是與地球相類似的行星。它們距離太陽近，體積和質量都較小，平均密度較大，表面溫度較高，大小與地球差不多，也都是由岩石構成的。
木星、土星、天王星和海王星稱為類木行星，它們的共同特點是其主要由氫、氦、冰、甲烷、氨等構成，石質和鐵質只佔極小的比例，它們的質量和半徑均遠大於地球，但密度卻較低。類木行星還有3個共同的特徵，那就是都具有行星環的結構且星體的密度較低，土星的密度甚至比水還要低；都有比較多的衛星，旁邊還有一圈圈光環。
3.從圖中直觀地看出八大行星與太陽的大小關係。
注意事項：讓學生們知道這張圖的大小比例只是近似，距離比例則完全不能參考。
4.教師講述：水星
水星最接近太陽，是太陽系的八大行星中第一小行星。水星在直徑上小於木衛三和土衛六，但它更重。水星的自轉周期是58.65個地球日，水星在88個地球日里就能繞太陽一周，平均速度47.89千米，是太陽系中運動最快的行星。
水星上的太陽看上去要比在地球上大二倍半，太陽光比地球赤道的陽光還要強六倍。水星朝向太陽的一面，溫度非常高，可達到400攝氏度以上。這樣熱的地方，就連錫和鉛都會熔化，何況水呢。但被向太陽的一面，長期不見陽光，溫度非常低，達到-173攝氏度，在這裡也不可能有固態的水。1974年3月、9月和1975年3月，美國發射的“水手10號”探測了水星，向地面發回5000多張照片。水星地貌酷似月球，大小不一的環形山，還有輻射紋、平原、裂谷、盆地等地形。水星是太陽系中僅次於地球，密度第二大的天體。
水星太接近太陽，所以常常被猛烈的陽光淹沒，它的軌道距太陽4590萬-6970萬千米之間，因此望遠鏡很少能夠仔細觀察它。水星也沒有自然衛星。
注意事項：翻後面的月球圖片，和水星比較一下，證明地貌和月球很相似。
5.教師講述：水星凌日
水星凌日發生的原理與日食相似。由於水星和地球的繞日運行軌道不在同一個平面上，而是有一個7度的傾角。因此，只有水星和地球兩者的軌道處於同一個平面上，而日水地三者又恰好排成一條直線時，在地球上可以觀察到太陽上有一個小黑斑在緩慢移動，這種現象稱為水星凌日。小黑斑是由於水星擋住了太陽射向地球的一部分光而形成的。
地球每年5月8日前後經過水星軌道的降交點，每年11月10日前後又經過水星軌道的升交點。所以，水星凌日只能發生在這兩個日期的前後。
6.教師講述：金星
金星按離太陽由近及遠的次序是第二顆，是離地球最近的行星，外觀為橙黃色。中國古代稱之為長庚、啟明、太白或太白金星。夜空中亮度僅次於月球，排第二，金星要在日出稍前或者日落稍後才能達到亮度最大，有時黎明前出現在東方天空，被稱為“啟明”；有時黃昏後出現在西方天空，被稱為“長庚”。金星是全天中除太陽和月亮外最亮的星，亮度最大時為-4.4等，比著名的天狼星（除太陽外全天最亮的恆星）還要亮14倍。
金星和水星一樣，是太陽系中僅有的兩個沒有天然衛星的大行星。因此金星上的夜空中沒有“月亮”，最亮的“星星”是地球。由於離太陽比較近，所以在金星上看太陽，太陽的大小比地球上看到的大1.5倍。
金星周圍有濃密的大氣和雲層。這些雲層為金星表面罩上了一層神秘的面紗。只有藉助於射電望遠鏡才能穿過這層大氣，看到金星表面的本來面目。金星大氣中，二氧化碳最多，佔97%以上。同時還有一層厚達20到30公里的由濃硫酸組成的濃雲。金星表面溫度高達465至485度，大氣壓約為地球的90倍。
金星的自轉很特別，是太陽系內唯一逆向自轉的大行星，自轉方向與其它行星相反，是自東向西。因此，在金星上看，太陽是西升東落。金星公轉周期約為224.70天。但其自轉周期卻為243日，也就是說，金星的自轉恆星日一天比一年還長。不過按照地球標準，以一次日出到下一次日出算一天的話，則金星上的一天要遠遠小於243天。這是因為金星是逆向自轉的緣故；在金星上看日出是在西方，日落在東方；一個日出到下一個日出的晝夜交替只是地球上的116.75天。
7.教師講述：地球
地球是太陽系八大行星之一，從誕生之日起，已歷46億年。按離太陽由近及遠的次序是第三顆，位於水星和金星之後；在八大行星中大小排行是第五。地球是內行星中最大且密度最高的，也是唯一地質活動仍在持續進行中並擁有生命的行星。它也擁有類地行星中獨一無二的水圈和被觀察到的板塊結構。地球的大氣也於其他的行星完全不同，被存活在這兒的生物改造成含有21%的自由氧氣。它只有一顆衛星，即月球；月球也是類地行星中唯一的大衛星。地球公轉（太陽）一圈約365天，自轉一圈約1天。
8.教師講述：火星
火星外觀呈鮮紅色。火星的軌道是顯著的橢圓形。因此，在接受太陽照射的地方，近日點和遠日點之間的溫差將近160攝氏度。這對火星的氣候產生巨大的影響。火星上的平均溫度大約為-55℃，但卻具有從冬天的-133℃，到夏日白天的將近27℃的跨度。儘管火星比地球小得多，但它的表面積卻相當於地球表面的陸地面積。
結合幻燈片講述火星的兩極永久地被固態二氧化碳（乾冰）覆蓋著。
9.教師講述：木星
木星是離太陽遠近的第五顆行星，在太陽系的八大行星中體積和質量最大，它有着極其巨大的質量，是其它七大行星總和的2.5倍還多，是地球的318倍，而體積則是地球的1,321倍。按照與太陽的距離由近到遠排，木星位列第五。同時，木星還是太陽系中自轉最快的行星，所以木星並不是正球形的，而是兩極稍扁，赤道略鼓。木星是天空中第四亮的星星，僅次於太陽、月球和金星（在有的時候，木星會比火星稍暗，但有時卻要比金星還要亮）。木星主要由氫和氦組成，中心溫度估計高達30,500℃。
木星表面有一個大紅斑，從東到西有40,000公里，從北到南有13,000千米，面積大約453,250,000平方千米。對於它是什麼目前仍有爭論，很多人認為它是一個永不停息的旋風，它的範圍可以吞沒3個地球。
結合幻燈片講述大紅斑。
10.教師講述：土星
土星是太陽系第二大行星。它與鄰居木星十分相像，表面也是液態氫和氦的海洋，上方同樣覆蓋著厚厚的雲層。
土星是中國古代人根據五行學說結合肉眼觀測到的土星的顏色（黃色）來命名的。
在太陽系的行星中，土星的光環最惹人注目，它使土星看上去就像戴着一頂漂亮的大草帽。觀測表明構成光環的物質是碎冰塊、岩石塊、塵埃、顆粒等，它們排列成一系列的圓圈，繞着土星旋轉。
11.教師講述：天王星
天王星是太陽向外的第七顆行星，在太陽系的體積是第三大（比海王星大），質量排名第四（比海王星輕）。天王星呈現蒼白的深藍色。天王星是第一顆在現代發現的行星，雖然它的光度與五顆傳統行星一樣，亮度是肉眼可見的，但由於較為黯淡而未被古代的觀測者發現。這也是第一顆使用望遠鏡發現的行星。
天王星大氣的主要成分是氫和氦，還包含較高比例的由水、氨、甲烷結成的“冰”，與可以察覺到的碳氫化合物。
如同其他的大行星，天王星也有環系統、磁層和許多衛星。天王星的系統在行星中非常獨特，因為它的自轉軸斜向一邊，幾乎就躺在公轉太陽的軌道平面上，因而南極和北極也躺在其他行星的赤道位置上。從地球看，天王星的環像是環繞着標靶的圓環，它的衛星則像環繞着鐘的指針。
12.教師講述：海王星
海王星是環繞太陽運行的第八顆行星，也是太陽系中第四大天體（直徑上）。海王星在直徑上小於天王星，但質量比它大。海王星的質量大約是地球的17倍，而類似雙胞胎的天王星因密度較低，質量大約是地球的14倍。海王星呈藍色。
四、光環
1.教師講述：木星的光環
木星環較土星為暗（反照率為0.05）。它們由許多粒狀的岩石質材料組成。
木星有一個同土星般的環，不過又小又微弱。（右圖）它們的發現純屬意料之外，只是由於兩個旅行者1號的科學家一再堅持航行10億千米後，應該去看一下是否有光環存在。其他人都認為發現光環的可能性為零，但事實上它們是存在的。
木星光環中的粒子可能並不是穩定地存在（由大氣層和磁場的作用）。這樣一來，如果光環要保持形狀，它們需被不停地補充。兩顆處在光環中公轉的小衛星：木衛十六和木衛十七，顯而易見是光環資源的最佳候選人。
2.教師講述：土星的光環
1610年，意大利天文學家伽利略觀測到在土星的球狀本體旁有奇怪的附屬物。1659年，荷蘭學者惠更斯證認出這是離開本體的光環。1675年意大利天文學家卡西尼，發現土星光環中間有一條暗縫，後稱卡西尼環縫。他還猜測，光環是由無數小顆粒構成。兩個多世紀後的分光觀測證實了他的猜測。
探測器傳回的土星照片讓科學家非常吃驚，在近處所看到的土星環，竟然是碎石塊和冰塊一大片，使人眼花繚亂，它們的直徑從幾厘米到幾十厘米不等，只有少量的超過1米或者更大。土星周圍的環平面內有數百條到數千條環，大小不等，形狀各異。大部分環是對稱地繞土星轉的，也有不對稱的，有完整的、比較完整的、殘缺不全的。環的形狀有鋸齒形的，有輻射狀的。令科學家迷惑不解的是，有的環好像是由幾股細繩鬆散的搓成的粗繩一樣，或者說像姑娘們的髮辮那樣相互扭結在一起。
3.教師講述：天王星的光環
天王星有一個暗淡的行星環系統，由直徑約十米的黑暗粒狀物組成。他是繼土星環之後，在太陽系內發現的第二個環系統。目前已知天王星環有13個圓環。天王星環被認為是相當年輕的，在圓環周圍的空隙和不透明部份的區別，暗示她們不是與天王星同時形成的，環中的物質可能來自被高速撞擊或潮汐力粉碎的衛星。旅行者2號在1986年飛掠過天王星時，直接看見了這些環。旅行者2號也發現了兩圈新的光環，使環的數量增加到7圈。
4.教師講述：海王星的光環
海王星也有光環。在地球上只能觀察到暗淡模糊的圓弧，而非完整的光環。但旅行者2號的圖像顯示這些弧完全是由亮塊組成的光環。其中的一個光環看上去似乎有奇特的螺旋形結構。同天王星和木星一樣，海王星的光環十分暗淡，但它們的內部結構仍是未知數。
五、衛星
教師講述：
八大行星中的六顆有天然的衛星環繞着，這些衛星習慣上因為地球的衛星被稱為月球而都被視為月球。
木衛一、木衛二、木衛三、木衛四於1610年由伽利略發現，稱為伽利略衛星。圖中左側是木衛一，右側是木衛二。
土星還是太陽系中衛星數目最多的一顆行星，周圍有許多大大小小的衛星緊緊圍繞着它旋轉，就像一個小家族。土星衛星的形態各種各樣，五花八門，使天文學家們對它們產生了極大的興趣。最著名的“土衛六”上有大氣，是目前發現的太陽系衛星中，唯一有大氣存在的天體。
海王星的衛星從圖片頂部最亮的開始順時針依次為：海衛八、海衛七、海衛五和海衛六。
六、小行星
1.教師講述：
小行星帶是太陽系內介於火星和木星軌道之間的小行星密集區域，由已經被編號的120,437顆小行星統計得到，98.5%的小行星都在此處被發現。由於這是小行星最密集的區域，估計為數多達50萬顆，這個區域因此被稱為主帶，通常稱為小行星帶。
小行星帶由原始太陽星雲中的一群星子（比行星微小的行星前身）形成。但是，因為木星的重力影響，阻礙了這些星子形成行星，造成許多星子相互碰撞，並形成許多殘骸和碎片。
小行星帶內最大的三顆小行星分別是智神星、婚神星和灶神星，平均直徑都超過400公里；在主帶中僅有一顆矮行星—穀神星，直徑約為950公里；其餘的小行星都較小，有些甚至只有塵埃大小。
小行星帶的物質非常稀薄，目前已經有好幾艘太空船安全通過而未曾發生意外。
2.教師講述：愛神星
愛神星是一顆長33公里，厚度為13公里的迷你小行星。1898年8月13日由德國天文學家威特發現。軌道半長徑為1.46天文單位，公轉周期為1.75年，自轉周期為5小時16分，偏心率為0.22。距地球最近時為0.13天文單位，大小為33×13×13千米，被稱為“胖香蕉”。1900年和1931年,當它“沖”時曾進行國際聯合觀測，用以測定日地距離，獲得天文單位長度。2000年2月14日美國東部時間10:33，NEAR宇宙飛船成功地進入圍繞愛神小行星運動的軌道，成為第一顆小行星的人造衛星。
七、彗星
1.教師講述：
彗星是星際間物質，俗稱“掃把星”。彗星的英文是Comet，是由希臘文演變而來的，意思是“尾巴”或“毛髮”，而中文的“彗”字，則是“掃帚”的意思。
彗星歸屬於太陽系小天體，通常直徑只有幾公里，主要由具揮發性的冰組成。它們的軌道具有高離心率，近日點一般都在內行星軌道的內側，而遠日點在冥王星之外。當一顆彗星進入內太陽系後，與太陽的接近會導致她冰冷表面的物質升華和電離，產生彗發和拖曳出由氣體和塵粒組成、肉眼就可以看見的彗尾。揮發性物質被太陽的熱驅散後的彗星經常會被歸類為小行星。
公元1066年，諾曼人入侵英國前夕，正逢哈雷彗星回歸。當時，人們懷有複雜的心情，注視着夜空中這顆拖着長尾巴的古怪天體，認為是上帝給予的一種戰爭警告和預示。後來，諾曼人征服了英國，諾曼統帥的妻子把當時哈雷彗星回歸的景象綉在一塊掛毯上以示紀念。中國民間把彗星貶稱為“掃帚星”、“災星”。像這種把彗星的出現和人間的戰爭、飢荒、洪水、瘟疫等災難聯繫在一起的事情，在中外歷史上有很多。
2.教師講述：百武彗星
1996年日本的百武裕司發現。
百武彗星的公轉周期極長，上一次回歸的時間約為17000年前。由於受行星引力影響致其軌道改變，因此以後十萬年內回歸的機會佷少。
3.教師講述：哈雷彗星
1682年8月，天空中出現了一顆用肉眼可見的亮彗星，它的後面拖着一條清晰可見、彎彎的尾巴。這顆彗星的出現引起了幾乎所有天文學家們的關注。當時，年僅26歲的英國天文學家哈雷對這顆彗星尤為感興趣。他仔細觀測、記錄了彗星的位置和它在星空中的逐日變化。經過一段時期的觀察，他驚訝地發現，這顆彗星好像不是初次光臨地球的新客，而是似曾相識的老朋友。
哈雷在1705年發表了《彗星天文學論說》，宣布1682年曾引起世人極大恐慌的大彗星將於1758年再次出現於天空（後來他估計到木星可能影響到它的運動時，把回歸的日期推遲到1759年）。當時哈雷已年過五十，知道在有生之年無緣再見到這顆大彗星了。於是他在書中寫道：“如果彗星最終根據我們的預言，大約在1758年再現的時候，公正的後代將不會忘記這首先是由一個英國人發現的……”
一些人嘲笑哈雷是在說胡話，一些人對哈雷的預言將信將疑，但相信哈雷預言的也大有人在。法國數學家克雷荷在彗星回歸前做了精確的預報：由於木星和土星的影響，彗星將在1759年4月13日前後一個月過近日點。
1758年初，法國天文台的梅西葉就動手觀測了，指望自己能成為第一個證實彗星回歸的人。1759年1月21日，他終於找到了這顆彗星。遺憾的是首次觀測到彗星回歸的光榮並不屬於他。原來1758年聖誕之夜德國德雷斯登附近的一位農民天文愛好者已捷足先登，發現了回歸的彗星。
1759年3月14日哈雷彗星過近日點，正是克雷荷預告的一個月前。此時，哈雷已長眠地下十幾年了。科學家的生命是有限的，但他們對科學的貢獻卻永世長存。正像哈雷當年所希望的那樣，大家沒有忘記哈雷，將這顆彗星命名為哈雷彗星。
4.教師講述：海爾波普彗星
1995年7月23日的凌晨，美國新墨西哥州的海爾(Alan Hale)在進行例行觀測彗星的空檔中，將他的十六吋反射鏡對準了人馬座中的M70，立刻注意到一個模糊的光影出現在視野中，由於他是位經驗豐富的彗星觀測者，所以立刻猜想這可能是一顆新彗星。海爾對這個天體作了光度與位置的測量之後，立刻利用國際天文學聯合會鑒別彗星的計算機程序確認了這顆新天體尚無人發現和提出報告，於是趕緊發出電報通知國際天文學聯合會：有一顆新彗星被發現了！幾乎在同時，亞利桑那州的波普(Thomas Bopp)也正好觀測M70，他也注意到這個星圖中找不到的天體，稍後也發了電報請求國際天文學聯合會予以確認。由於兩人是在很短的時間間隔內各自發現這顆彗星，因此這顆新彗星就被稱為海爾-波普彗星(Hale-Bopp)。
5.“蘇梅克-列維9號”彗星與木星相撞
蘇梅克-列維9號彗星是一顆於1994年7月17日與木星撞擊的彗星，也是人們能首次直接觀測太陽系的天體撞擊事件。它引起了全球不少主流媒體的關注，也吸引了全世界的天文學家觀測。透過這次事件，人們能知道更多木星及其大氣的資料，以及木星扮演着內太陽系的“清道夫”角色，以強大的引力來清理“太空垃圾”。
這顆彗星是由美國天文學家尤金和卡羅琳•蘇梅克夫婦及天文愛好者大衛•利維三人於1993年3月24日在美國加州帕洛瑪天文台共同發現的，那是他們發現的第九個彗星，因此依據國際星體命名規則依照三位的姓氏命名。
原本此彗星脫離位於太陽系外側的小行星帶進入太陽系成為周期性彗星，根據電腦推算運行軌道的結果顯示出在1992年7月8日距木星表面4萬公里時因受到強大的引力而分裂為21個小碎塊，並于格林尼治標準時間1994年7月16日20時15分開始以每小時21萬公里的速度陸續墬入木星大氣層，撞向木星的南半球，形成了彗星撞木星的天文奇觀。
八、回顧總結。
1.回顧課程內容。
2.教師組織大家手持太陽、行星、小行星帶、彗星的圖片，掩飾這些星體的運行。
3.引出下節課恆星、星雲與星系。

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