6地球的形状教学课件

地球的形状小学三年级科学第六课太阳、地球和月球单元你觉得地球是什么形状的？圆的还是方的？我们今天将一起探索这个看似简单却充满智慧的问题，揭开地球真实形状的奥秘通过观察、实验和历史探索，我们将了解人类如何从地平如砥的直观认识，逐步发现地球实际上是一个巨大的球体古人的猜想天圆地方天圆地方是中国古代对宇宙形态的朴素认识，认为天空是一个圆形的穹顶，而大地则是平坦方正的这种观念的渊源可以追溯到早期农耕文明时期，人们通过观察自然现象，看到头顶的天空像一个半球形的盖子，脚下的大地似乎无边无际且平坦天圆地方图示古代中国人绘制的宇宙模型展现了他们对天地形状的理解这些古老的图画描绘了圆形的天空覆盖在方形的大地之上，体现了天圆地方的宇宙观天象如同一个巨大的圆盖，大地则是一个平坦的方形基座，这种认识在当时的环境下是合理的推断古人为什么这样想？观察视角有限在缺乏现代科技的年代，人们只能依靠肉眼观察周围环境站在平地上环顾四周，大地确实看起来是平的日常体验支撑猜想在日常生活中，人们走路、建房、耕种时都感受到大地是平的没有特殊工具的帮助，很难感知地球的曲率天文观测局限头顶的天空看起来像一个半圆形的穹顶，每天太阳和星星都在这个穹顶上运行，自然导致天圆的结论质疑与探究我们怎样获得新认识？科学探索始于质疑和好奇当我们对已有认识产生疑问时，就会开始寻找新的解释科学方法引导我们•提出问题地球真的是平的吗？•收集证据通过观察现象找寻线索•设计实验验证或反驳我们的猜想•得出结论基于证据形成新的认识世界各地的古代地球形象不同文明对地球形状的认识各异，反映了人类思想的多样性中国古代古希腊巴比伦天圆地方，大地被四海环绕，天如穹顶覆盖早期哲学家提出地球为球体，位于宇宙中心大地为圆盘，漂浮在原始海洋之上希腊哲学家毕达哥拉斯猜测早在公元前6世纪，古希腊哲学家毕达哥拉斯就大胆提出了地球可能是球形的猜想毕达哥拉斯认为，圆球是最完美的几何形状，而地球作为宇宙的重要组成部分，应当具有这种完美的形态他的学派崇尚数学和几何学的和谐美，认为宇宙中的天体都应当是球形的，包括地球、太阳和月亮亚里士多德的三点证据公元前4世纪，希腊哲学家亚里士多德提出了地球为球形的三个重要证据月食时地影呈圆形月食发生时，地球投射在月球上的影子始终呈现为圆弧形，这表明地球本身是球形的远方船帆现象远处驶来的船只，最先看到的是船帆顶部，然后才能看到船身，这表明地球表面是弯曲的星空位置变化当人们向北或向南旅行时，天空中星星的位置会发生变化，这表明地球表面是弯曲的观察现象一月食的影子月食是一种天文现象，发生在地球位于太阳和月球之间，地球的影子投射到月球表面上时关键观察无论月食发生在什么时间，什么位置，地球投在月球上的影子边缘总是呈现圆弧形如果地球是方形或其他形状，那么它投射的影子边缘也会呈现相应的形状只有球体才能在各个角度都投射出圆形的影子互动实验模拟月食实验准备需要一盏明亮的灯（代表太阳）、一个球体（代表地球）、一块平板（代表假设的平地球）和一个白色屏幕（代表月球）实验过程将灯固定在一侧，在灯和屏幕之间分别放置球体和平板，观察它们在屏幕上投下的影子形状观察结果当我们旋转球体时，无论从哪个角度，它在屏幕上投下的影子边缘始终是圆弧形；而平板在不同角度投下的影子形状会发生明显变化观察现象二海上升帆古代航海家发现了一个奇特的现象•当船只从远处驶来时，人们最先看到的是桅杆顶部和船帆•随着船只靠近，才能逐渐看到船身和船底•同样，当船只远去时，船身和船底先消失，最后看到的是桅杆顶部这种现象只能用地球表面弯曲来解释—地球的曲率使远处的船底部被遮挡动手模拟帆船实验球面实验平面实验将小船放在地球仪的远端，观察者位于近实验材料将小船放在泡沫块一端，观察者位于另一端慢慢移动小船靠近观察者，记录观察到一个小船模型、一个泡沫块（代表平面）、端慢慢移动小船靠近观察者，记录观察到的现象一个地球仪（代表球面）和一个小相机或眼的现象睛（代表观察者）实验结论只有球体才显示出这种效果平面结果球面结果在平面上，无论距离多远，我们总能同时看到船的全部（只是变小了）在球面上，远处的船只是部分可见的•船体整体出现在视野中•先看到顶部（桅杆和船帆）•没有部分被遮挡•船体被地球曲率遮挡•随着距离缩短，完整船体逐渐显现观察现象三星空变化当我们在地球表面向南或向北移动时，天空中可见的星星会发生变化•北半球可以看到北极星，而南半球则看不到•南半球可以看到南十字星，北半球则看不到•赤道附近能看到的星空景象与两极地区大不相同这种变化只能由地球的球形来解释—不同纬度的观测者面对不同方向的天空小组讨论通过改变纬度观察星星高度现象描述当我们从北向南旅行时，北极星的高度在天空中会逐渐降低到达赤道时，北极星正好在地平线上继续向南，北极星会消失在地平线以下讨论问题为什么会出现这种现象？如果地球是平的，从不同位置观察星空会有什么不同？如果地球是球形的，这种观察结果是否符合预期？结论这种观察现象完美符合地球为球形的模型在球面上，观察者站立位置的切线决定了他所看到的地平线，从而影响可见的星空范围地圆说的历史案例麦哲伦环球航行1费迪南德·麦哲伦于1519年开始了人类历史上第一次环球航行，虽然他本人在途中遇难，但他的船队成功于1522年返回起点这次航行具有决定性的历史意义•证明了地球确实是可以环绕一周的封闭曲面•证实了东西方向航行最终会回到起点•为地球是球形提供了直接证据麦哲伦地图及路线展示麦哲伦的环球航行路线清晰地展示了地球的球形特性他的船队从西班牙出发，一直向西航行，最终从东方返回起点这条航线穿越了大西洋、太平洋和印度洋，证明了地球表面是连续的，没有边缘，并且是一个封闭的曲面航海和地球形状关系1导航技术的发展航海家们发展出了基于地球球形的导航技术，利用天体观测确定位置和方向他们使用六分仪测量天体高度，并将其与地球的经纬度系统联系起来2海图的绘制随着对地球形状认识的加深，航海家们绘制出越来越精确的海图这些海图考虑了地球表面的曲率，帮助船只准确导航3环球航行的证据麦哲伦之后，更多的船只完成了环球航行每一次成功的环球航行都进一步证实了地球是一个完整的球体比较行走在平面球面回到原点/平面行走球面行走在平面上，如果要回到起点，必须改变在球面上，即使一直沿直线（大圆路方向，走一个封闭的路径（如正方形或径）行走，最终也会回到起点圆形）无需改变方向，只要走够足够远的距如果一直沿直线行走，永远不会回到起离，就会环绕地球一周回到出发点点，而是会越走越远现代认知地球并非完美球体随着测量技术的进步，科学家发现地球实际上不是一个完美的球体，而是•两极稍扁地球的极地半径比赤道半径短约21公里•赤道略鼓赤道周长比经线周长长约67公里这种形状在科学上被称为旋转椭球体或椭球体，是地球自转运动导致的结果真实地球形状地球椭球体示意——地球的真实形状是一个略微扁平的椭球体，这种形状是由于地球自转产生的离心力导致的虽然这种扁平程度在肉眼观察下并不明显（如果地球缩小到一个乒乓球大小，其表面的凹凸不平甚至比乒乓球还要平滑），但在精确的科学测量中却非常重要地球形状测量中国古代《周髀算经》中国古代也有对地球大小的测量尝试《周髀算经》记载了早期中国天文学家使用影子长度变化推算天体距离和大小的方法尽管当时的主流观点仍是天圆地方，但这些测量方法展示了古代中国人对天文观测的精确性和系统性思维，为后世测量地球提供了重要思路古希腊埃拉托斯特尼测地球周长观察发现公元前3世纪，埃拉托斯特尼注意到夏至日正午时，在埃及的阿斯旺，太阳光可以直射井底，而在亚历山大，同一时刻太阳光与垂线有一个角度推理过程他认为这种差异是由地球表面的曲率造成的测量这个角度约为

7.2°，相当于圆周的1/50计算结果已知两地距离约5000埃及斯塔迪亚，乘以50得到地球周长约25万斯塔迪亚，换算为现代单位约40000公里，与实际值非常接近互动实验测地球半径我们可以用简单的工具模拟埃拉托斯特尼的实验

1.在两个相距已知的南北方向地点

2.同一天同一时间测量竖直杆的影子长度

3.利用影子长度计算太阳光线与垂线的夹角差

4.根据角度差和距离计算地球周长这个实验展示了如何用简单工具和数学原理测量地球这样的巨大天体证据汇总地球是球形的月食影子地球投在月球上的影子始终是圆弧形，表明地球是球形的帆船消失现象远处船只先见桅杆后见船身，证明地球表面是弯曲的星空高度变化不同纬度观察到的星空不同，北极星高度随纬度变化环球航行麦哲伦船队向西航行最终从东方返回，证明地球是封闭曲面地球照片时代的巨大突破1961年4月12日，人类历史上第一位宇航员尤里·加加林进入太空，首次从太空中观察地球他惊叹道我看到地球是蓝色的地球是多么美丽啊！随后，各国太空计划拍摄了越来越多地球的照片，这些真实影像彻底结束了关于地球形状的争论，直接证明了地球确实是一个在太空中悬浮的球体蓝色星球图片欣赏1968年，阿波罗8号宇航员拍摄了著名的地出照片，展示了从月球表面看到的地球升起的景象1972年，阿波罗17号拍摄了著名的蓝色弹珠照片，这是人类第一次看到完整照亮的地球全貌这些照片带来的视觉冲击彻底改变了人类对地球的认识，让我们直观地看到地球确实是一个美丽的蓝色球体人造卫星眼中的地球现代气象卫星和观测卫星能够连续拍摄地球，提供了大量地球形状的直接证据•卫星能够实时拍摄地球不同部分•卫星轨道覆盖全球，证实地球没有边缘•卫星图像展示了地球的曲率和球形特征这些卫星图像已经成为我们日常生活的一部分，如天气预报和地图应用中的卫星图像地球的扁球数据千米千米千米千米12,75612,71340,07540,008赤道直径极地直径赤道周长极圈周长地球在赤道处的直径约为12,756公地球从北极到南极的直径约为地球赤道的周长约为40,075公里，地球经线的周长约为40,008公里，是地球最宽的部分12,713公里，比赤道直径短43公是所有经线圈中最长的里，比赤道周长短67公里里为什么会是扁球？地球的扁球形状是由于自转产生的离心力导致的•地球每24小时自转一周•自转产生离心力，最大值出现在赤道•赤道处的物质受到向外的拉力•两极没有离心力作用•在重力和离心力的共同作用下，地球形成了两极稍扁、赤道略鼓的形状科学名词解释地球椭球体地球椭球体地球赤道半径地球极半径描述地球近似形状的数学模型，是一种从地球中心到赤道表面的距离，约为从地球中心到北极或南极表面的距离，旋转椭球体不同的测量标准使用不同6,

378.137公里这是地球椭球体的长半约为6,

356.752公里这是地球椭球体的的椭球体参数，例如WGS84椭球体是轴短半轴GPS系统使用的标准地球的地形表面除了整体的椭球形状外，地球表面还有各种地形特征•海洋覆盖了地球表面约71%的面积•陆地上有高山、平原、峡谷等地形•最高点珠穆朗玛峰海拔8,848米•最深点马里亚纳海沟深度约11,034米但这些地形起伏相对于地球整体尺寸来说非常小，就像橙子皮上的凹凸一样现实地球的土豆形大地水准面——如果考虑地球内部质量分布不均匀导致的重力变化，地球的形状更接近于一个土豆•大地水准面表示重力等势面的形状•受地下密度差异影响，呈现不规则突起和凹陷•偏离标准椭球体最大约100米•对高精度测量和导航系统至关重要把地球模型带回家材料准备准备泡沫球或橡皮泥、彩色笔或颜料、参考地图、牙签或小旗子制作过程将泡沫球涂上蓝色代表海洋，然后根据地图画出大陆轮廓并涂上绿色和棕色标出重要地理位置和自己的家乡模型展示完成后，可以用模型展示地球的自转、公转，以及不同地区的昼夜交替现象地球仪及其用途地球仪是地球形状的缩小模型，能够直观展示地球的球形特性•准确展示各大洲、国家的相对位置和大小•展示经纬度网格系统•避免了平面地图的变形问题•可以模拟地球的自转和公转•帮助理解昼夜交替和四季变化地图与地球形状将球面的地球表示在平面地图上，必然会产生变形•无法将球面完全展平而不产生撕裂或变形•不同的地图投影方式会产生不同类型的变形•可能变形的要素包括面积、形状、距离、方向•没有一种投影能够同时保持所有要素不变形不同投影的地球地图对比墨卡托投影等积投影罗宾逊投影保持方向和形状，但极地区域面积严重放大保持面积比例，但形状和方向发生变形在形状和面积之间取得平衡的折衷方案实际应用地球形状与航空航海地球的球形特性对航空航海路线有重要影响•最短距离不是直线，而是大圆航线•大圆是球面上两点间的最短路径•在平面地图上，大圆航线通常表现为弯曲线•例如北京到纽约的航线会经过北极附近与地球形状GPS精确的参考椭球GPS系统使用WGS84参考椭球体作为地球形状的数学模型这个模型精确定义了地球的大小、形状和坐标系统三维定位原理GPS通过测量接收器到多颗卫星的距离，在三维空间中确定位置这个过程必须考虑地球的曲率和形状高精度要求为了达到米级甚至厘米级的定位精度，GPS系统必须精确考虑地球的椭球体形状和局部重力异常地球形状与重力场地球的形状与其重力场密切相关•地球的大地水准面是重力等势面•静止的海面近似呈现这个形状•垂直于当地重力方向的平面•由于地球内部质量分布不均，形状呈现微小起伏•现代卫星重力测量可以精确绘制这种形状各种天体的形状对比地球与月球木星小行星地球和月球都近似球形，但地球自转更快，赤道自转速度非常快，赤道隆起明显，扁率约为10%质量小，不足以形成球体，呈现不规则形状隆起更明显为什么大型天体都成球形？自然界中大质量天体倾向于形成球形，原因在于•万有引力物质相互吸引，向中心聚集•势能最小化球形是物质分布的最低能量状态•压力平衡内部压力与重力达到平衡当天体质量足够大时，其引力足以克服物质的内聚力，使物质重新排列成球形通常直径超过1000公里的天体都趋于球形小实验用水和油模拟球形天体原理解释实验过程表面张力使液体倾向于最小化表面积，对于材料准备在水中滴入油滴，观察油滴在水中自发形成给定体积，球形具有最小表面积类似地，需要一个透明容器、水、食用油和酒精也球形；或观看宇航员在太空站中释放水滴，万有引力使大质量天体趋于球形可以用太空站失重环境中的水滴实验视频进水滴在失重环境中形成完美球形的视频行演示学以致用地球形状与生活气候分布水流走向通信技术地球的球形和倾斜自转轴导致太阳辐射地球的自转产生科里奥利力，影响洋流卫星通信、全球定位系统和长距离通信不均匀分布，形成不同气候带赤道接和大气环流方向北半球的流体倾向于网络设计都必须考虑地球的曲率和形收最多阳光，两极最少，这直接影响了向右偏转，南半球则向左偏转，影响天状，以确保信号覆盖和精确导航全球气候模式气系统复习与思考题如果地球是方的，会怎样？你还能想到什么证明地球是球形的其他行星都是什么形状？为什么？方法？想象地球是一个巨大的立方体，角落和边缘太阳系中的其他行星是什么形状？它们的形会有怎样的重力？水会如何分布？生物会如除了课上提到的证据外，你能想到其他可以状与自转速度有什么关系？为什么小行星常何适应？日出日落会有什么不同？证明地球是球形的现象或实验吗？常是不规则形状？拓展阅读宇航员如何描述地球从太空中看，地球就像一颗闪闪发光的蓝色宝石，悬浮在漆黑的宇宙中你会感受到它的脆弱和珍贵，以及所有人类共同生活在这个美丽星球上的命运共同体意识—杨利伟，中国首位航天员我们的星球是一个蓝色的点，一个孤独的蓝点，在宇宙广阔的黑暗中在这个点上，我们的欢乐和痛苦，我们的千百个宗教、意识形态和经济学说，我们所有的猎人与觅食者，英雄与懦夫，文明的创造者与毁灭者，所有生活在爱与恐惧中的年轻情侣，所有的父母、满怀希望的孩子们、发明家与探险家...都存在于这尘埃般的一粒之上—卡尔·萨根，美国天文学家互动问答你还想用什么方法证明地球是球形？除了我们学习的证据外，现代科学还有许多方法可以证明地球是球形的•高空气球拍摄可以看到地平线的弧度•飞机航线长距离飞行需要考虑地球曲率•卫星轨道卫星能够围绕地球运行•通信传输长距离通信需要考虑地球曲率•星座变化南北半球看到的星座不同你还能想到其他方法吗？本课核心内容回顾1古代认识天圆地方观念与早期观察局限2证据积累月食影子、帆船现象、星空变化等观察证据3测量尝试埃拉托斯特尼等人对地球大小的测量4航海验证麦哲伦环球航行直接证明地球是封闭曲面5现代认知地球是略微扁平的椭球体，赤道略鼓、两极稍扁6太空观测宇航员和卫星拍摄的地球照片提供直接证据总结与展望通过本课的学习，我们了解了•地球的真实形状是略微扁平的椭球体•人类对地球形状的认识经历了漫长的科学探索历程•观察、实验和推理是科学探索的重要方法•地球形状的认识对航海、航空、通信等领域有重要应用在后续课程中，我们将继续探索宇宙的奥秘，了解太阳系中的其他行星以及更广阔的宇宙天体。