行星运动万有引力学案

1行星的运动、万有引力定律要点一、地心说与日心说要点诠释：1．地心说地球是宇宙的中心，并且静止不动，一切行星围绕地球做圆周运动．公元2世纪的希腊天文学家托勒密使地心说发展和完善起来，由于地心说能解释一些天文现象，又符合人们的日常经验(例如我们看到太阳从东边升起，从西边落下，就认为太阳在绕地球运动)，同时地心说也符合宗教神学关于地球是宇宙中心的说法，所以得到教会的支持，统治和禁锢人们的思想达一千多年之久．2．日心说16世纪，波兰天文学家哥白尼(1473～1543年)根据天文观测的大量资料，经过长达40多年的天文观测和潜心研究，提出“日心体系”宇宙图景．日心体系学说的基本论点有：(1)宇宙的中心是太阳，所有的行星都在绕太阳做匀速圆周运动．(2)地球是绕太阳旋转的普通行星，月球是绕地球旋转的卫星，它绕地球做匀速圆周运动，同时还跟地球一起绕太阳运动．(3)天穹不转动，因为地球每天自西向东自转一周，造成天体每天东升西落的现象．(4)与日地距离相比，其他恒星离地球都十分遥远，比日地间的距离大得多．随着人们对天体运动的不断研究，发现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、绕太阳运动的行星的位置，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简单了．因此日心说逐渐被越来越多的人所接受，真理最终战胜了谬误．注意：古代的两种学说都不完善，太阳、地球等天体都是运动的，鉴于当时自然科学的认识能力，日心说比地心说更先进，日心说能更完美地解释天体的运动．以后的观测事实表明，哥白尼日心体系学说有一定的优越性．但是，限于哥白尼时代科学发展的水平，哥白尼学说存在两大缺点：①把太阳当做宇宙的中心．实际上太阳仅是太阳系的中心天体，而不是宇宙的中心．②沿用了行星在圆形轨道上做匀速圆周运动的陈旧观念．实际上行星轨道是椭圆的，行星的运动也不是匀速的．要点二、开普勒发现行星运动定律的历史过程要点诠释：(1)丹麦天文学家第谷连续20年对行星的位置进行了精确的测量，积累了大量的数据．到1601年他逝世时，这些耗尽了他毕生心血获得的天文资料传给了他的助手德国人开普勒．(2)开普勒通过长时间的观察、记录、思考与计算，逐渐发现哥白尼把所有行星运动都看成是以太阳为圆心的匀速圆周运动似乎简单了一些，因为它与实际观察到的数据有着不小的出入．(3)开普勒承担了准确地确定行星轨道的任务，他仔细研究了第谷对行星位置的观测记录，经过四年多的刻苦计算，所得结果与第谷的观测数据至少有8′的角度误差，那么这不容忽视的8′可能就是人们认为行星绕太阳做匀速圆周运动所造成的．最后开普勒发现行星运行的真实轨道不是圆，而是椭圆，并于1609年发表了两条关于行星运动的定律．(4)开普勒在发表了第一定律和第二定律后，进一步研究了不同行星的运动之间的相互关系，在1619年又发表了行星运动的第三条定律．开普勒提出描述行星运动的规律，使人类的天文学知识提高了一大步，他被称为“创制天空法律者”．要点三、开普勒的行星运动定律要点诠释：(1)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．不同行星椭圆轨道则是不同的．开普勒第一定律说明了行星的运动轨道是椭圆，太阳在此椭圆的一个焦点上，而不是位于椭圆的中心．不同的行星位于不同的椭圆轨道上，而不是位于同一椭圆轨道，再有，不同行星的椭圆轨道一般不在2同一平面内．(2)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内扫过相等的面积．如图所示，行星沿着椭圆轨道运行，太阳位于椭圆的一个焦点上．如果时间间隔相等，即t2－t1＝t4－t3如，那么SA＝SB，由此可见，行星在远日点a的速率最小，在近日点b的速率最大．(3)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．若用a代表椭圆轨道的半长轴，T代表公转周期，即32akT(其中，比值k是一个与行星无关的常量)要点四、对行星运动规律的理解要点诠释：(1)开普勒第二定律可以用来确定行星的运行速率．如图所示，如果时间间隔相等，即t2－t1＝t4－t3，由开普勒第二定律，面积A＝面积B，可见离太阳越近，行星在相等时间内经过的弧长越长，即行星的速率就越大．(2)开普勒三定律不仅适用于行星，也适用于其他天体，例如对于木星的所有卫星来说，它们的32aT一定相同，但常量k的值跟太阳系各行星绕太阳运动的k值不同．以后将会证明，开普勒恒量k的值只跟(行星运动时所围绕的)中心天体的质量有关．(3)要注意长轴是指椭圆中过焦点与椭圆相交的线段，半长轴即长轴的一半，注意它和远日点到太阳的距离不同．(4)由于大多数行星绕太阳运动的轨道与圆十分接近，因此，在中学阶段的研究可以按圆周运动处理，这样开普勒三定律就可以这样理解：①大多数行星绕太阳运动的轨道十分接近圆，太阳处在圆心；②对某一行星来说，它绕太阳做圆周运动的速率不变，即行星做匀速圆周运动；③所有行星轨道半径的三次方跟它的公转周期的二次方的比值都相等，即32RkT．如绕同一中心天体运动的两颗行星的轨道半径分别为R1、R2，公转周期分别为T1、T2，则有33122212RRTT．要点五、太阳与行星间引力的推导要点诠释：3(1)假设地球以太阳为圆心做匀速圆周运动，那么太阳对地球的引力就为做匀速圆周运动的地球提供向心力．设地球的质量为m，运动线速度为v，地球到太阳的距离为r，太阳的质量为M．则由匀速圆周运动的规律可知2mvFr，①2rvT．②由①②得224mrFT．③又由开普勒第三定律32rTk，④由③④式得224mFkr，⑤即2mFr．⑥这表明：太阳对不同行星间的引力，跟行星的质量成正比，跟行星与太阳距离的平方成反比．(2)根据牛顿第三定律，力的作用足是相互的，且等大反向，因此地球对太阳的引力F′也应与太阳的质量成正比，且F′＝-F．即2MFr．⑦(3)比较⑥⑦式不难得出2MmFr，写成等式2MmFGr，式中G是比例系数，与太阳、行星无关．注意：在中学阶段只能将椭圆轨道近似成圆形轨道来推导引力公式，但牛顿是在椭圆轨道下推导引力表达式的．要点六、月—地检验要点诠释：(1)牛顿的思路：地球绕太阳运动是因为受到太阳的引力，人跳起后又能落回地球是因为人受到地球的引力．这些力是否是同一种力?是否遵循相同的规律?实践是检验真理的唯一标准，但在当时的条件下很难通过实验来验证，这就自然想到了月球．(2)月一地检验的基本思想：如果重力和星体间的引力是同一性质的力，都与距离的二次方成反比关系，那么月球绕地球做近似圆周运动的向心加速度就应该是地面重力加速度的1/3600，因为月心到地心的距离约为地球半径的60倍．(3)检验过程：牛顿根据月球的周期和轨道半径，计算出月球围绕地球做圆周运动的向心加速度232242.710m/sraT．—个物体在地面的重力加速度为g＝9.8m/s2，若把这个物体移到月球轨道的高度，根据开普勒第三定律可以导出3222211,,rraakarTTr而则．因为月心到地心的距离是地球半径的60倍，432212.7210m/s60ag．即其加速度近似等于月球的向心加速度的值．(4)检验结果：月球围绕地球做近似圆周运动的向心加速度十分接近地面重力加速度的1/3600，这个重要的发现为牛顿发现万有引力定律提供了有力的证据，即地球对地面物体的引力与天体间的引力，本质上是同一性质的力，遵循同一规律．要点七、万有引力定律要点诠释：1.内容自然界中任何两个物体都是相互吸引的，引力的方向沿两物体的连线，引力的大小F与这两个物体质量的乘积12mm成正比，与这两个物体间距离r的平方成反比。2.公式122mmFGr，其中G为万有引力常量，11226.6710/GNmkg3.适用条件适用于相距很远，可以看作质点的物体之间的相互作用。质量分布均匀的球体可以认为质量集中于球心，也可以用此公式计算，其中r为两球心之间的距离。4.重力与万有引力的关系在地球(质量为M)表面上的物体所受的万有引力F可以分解成物体所受的重力mg和随地球自转而做圆周运动的向心力F，其中2RMmGF，而2mrF。（1）当物体在赤道上时F、mg、F三力同向，此时F达到最大值2maxmRF，重力加速度达到最小值22minRRMGmFFg（2）当物体在两极的极点时，0F，此时重力等于万有引力Fmg，重力加速度达到最大值，此最大值为2maxRMGg。（3）因地球自转角速度很小，22mRRMmG，所以在一般情况下进行计算时认为2RMmGmg。【典型例题】类型一、对开普勒定律的考查例1、1990年4月25日，科学家将哈勃天文望远镜送上距地球表面约600km的高空，使得人类对宇宙中星体的观测与研究有了极大的进展．假设哈勃天文望远镜沿圆轨道绕地球运行．已知地球半径为6.4×106m，利用地球同步卫星与地球表面的距离为3.6×107m这一事实可得到哈勃天文望远镜绕地球运行的周期．以下数据中最接近其运行周期的是()A．0.6小时B．1.6小时C．4.0小时D．24小时例2、月球环绕地球运动的轨道半径约为地球半径的60倍，运行周期约为27天．应用开普勒定律计算：在赤道平面内离地多高时，人造地球卫星随地球一起转动，就像停留在天空中不动一样?(R地＝6400km)5举一反三【变式1】地球赤道上的物体A，近地卫星B（轨道半径等于地球半径），同步卫星C，若分别用rA、rB、rC；TA、TB、TC；vA、vB、vC；分别表示三者离地心距离，周期，线速度，则三者的大小关系，，；【变式2】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年类型二、太阳与行星间引力的考查例3、已知太阳光从太阳射到地球需要500s，地球绕太阳的公转周期约为3.2×107s，地球的质量约为6×1024kg，求太阳对地球的引力为多大?(结果保留一位有效数字)举一反三【变式】下列说法正确的是()A．在探究太阳对行星的引力规律时，我们引用了公式2mvFr，这个关系式实际上是牛顿第二定律，是可以在实验室中得到验证的B．在探究太阳对行星的引力规律时，我们引用了公式2rvT，这个关系式实际上是匀速圆周运动的一个公式，它是由速度的定义式得来的C．在探究太阳对行星的引力规律时，我们引用了公式32rkT，这个关系式是开普勒第三定律，是可以在实验室中得到证明的D．在探究太阳对行星的引力规律时，使用的三个公式，都是可以在实验室中得到证明的类型三、对万有引力定律的考查例4、如图所示，在一个半径为R，质量为M的均匀球体中，紧贴球的边缘挖去一个半径为2R的球形空穴后，剩余的阴影部分对位于球心和空穴中心连线上，与球心相距d的质点m的引力是多大？举一反三【变式】如图所示，一个质量为M的匀质实心球，半径为R．如果从球上挖去一个直径为R的球，6放在相距为d的地方．求下列两种情况下，两球之间的引力分别是多大?(1)从球的正中心挖去；(2)从与球面相切处挖去；并指出在什么条件下，两种计算结果相同?例5、地球赤道上的物体，由于地球自转产生的向心加速度223.3710m/sa，赤道上的重力加速度g＝9.77m/s2，试问：(1)质量为m的物体在地球赤道上所受地球的万有引力为多大?(2)要使在赤道上的物体由于地球的自转完全失去重力(完全失重)，地球自转的角速度应加快到实际角速度的多少倍?例6、宇航员站在一星球表面上某高处，沿水平方向抛出一个小球，经过时间t小球落到星球表面，测得抛出点与落地点之间的距离为L，若抛出时的初速度增大为原来的2倍，则抛出点与落地点之间的距离为3L．已知两落地点在同一水平面上，该星球的半径为R，万有引力常数为G，求该星球的质量M．