2020版高中物理 第六章 万有引力与航天 1 行星的运动课件 新人教版必修2

第六章万有引力与航天1.行星的运动1.古代对行星运动规律的认知:(1)地心说:_____是宇宙的中心,是_________的,太阳、月亮以及其他行星都绕_____运动。(2)日心说:_____是静止不动的,地球和其他行星都绕_____运动。地球静止不动地球太阳太阳(3)局限性:都把天体的运动看得很神圣,认为天体的运动必然是最完美、最和谐的_____________,而与丹麦天文学家第谷的观测数据不符。匀速圆周运动2.开普勒行星运动规律:任务驱动地球绕太阳在椭圆轨道上运动时,近日点的速度大还是远日点的速度大?提示:近日点的速度大。定律内容、公式图示开普勒第一定律所有行星绕太阳运动的轨道都是_____,太阳处在椭圆的一个_____上开普勒第二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的_________椭圆焦点面积相等定律内容、公式图示开普勒第三定律所有行星的轨道的________的三次方跟它的__________的二次方的比值都相等公式:____=k,k是一个与_____无关的常量半长轴公转周期行星32aT主题一古代对行星运动规律的认知【问题探究】1.如图是“地心说”的示意图。“地心说”的基本观点是什么?提示:(1)地心说是长期盛行于古代欧洲的宇宙学说。它最初由古希腊学者欧多克斯提出,后经亚里士多德、托勒密进一步发展而逐渐建立和完善起来。(2)托勒密认为,地球处于宇宙中心静止不动;从地球向外,依次有月球、水星、金星、太阳、火星、木星和土星,在各自的圆轨道上绕地球运转。2.如图是“日心说”的示意图。“日心说”的基本观点是什么?提示:哥白尼的日心说的主要观点有:(1)太阳是宇宙的中心,并且静止不动;水星、金星、火星、木星、土星五颗行星和地球一样,都在圆形轨道上匀速率地绕太阳公转。(2)月球是地球的卫星,它在以地球为中心的圆轨道上,每月绕地球转一周,同时跟地球一起绕太阳公转;地球每天自转一周,天穹实际上不转动,因地球自转才出现日月星辰每天东升西落的现象。3.“地心说”和“日心说”哪个更正确?试举例说明。提示:“日心说”更正确。“日心说”之所以能够战胜“地心说”是因为很多“地心说”不能解释的现象而“日心说”能说明,就是说“日心说”比“地心说”更科学、更接近事实。例如,若地球不运动,昼夜交替是太阳绕地球运动形成的,那么每天的情况就应是相同的,而事实上,每天白天的长短不同,冷暖不同。“日心说”则能说明这种情况:白昼是地球自转形成的,而四季是地球绕太阳公转形成的。限于当时的科学发展水平,哥白尼的“日心说”也有缺点和错误,这就是:①认为太阳是宇宙的中心,实际上,太阳只是太阳系中的一个中心天体,不是宇宙的中心;②沿用了行星在圆轨道作匀速圆周运动的旧观念,实际上行星轨道是椭圆的,运动速度的大小也不是恒定的。【探究总结】项目学说代表人物现象分析联系地心说托勒密(1)地球是宇宙的中心,是静止不动的(2)太阳、月亮以及其他行星都绕地球运动从天体运动的规律来看,日心说比地心说前进了一大步,但是日心说也不是绝对正确的日心说哥白尼(1)宇宙的中心是太阳,所有行星都绕太阳近似做匀速圆周运动(2)地球是绕太阳旋转的行星,月球是绕地球旋转的卫星,绕地球近似做匀速圆周运动,月球还跟地球一起绕太阳旋转(3)天体不动,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【典例示范】(多选)16世纪,哥白尼根据天文观测的大量资料,经过40多年的天文观测和潜心研究,提出“日心体系”宇宙图景,即“日心说”的如下基本论点,这四个基本论点目前看存在缺陷的是()A.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B.地球是绕太阳做匀速圆周运动的行星,月球是绕地球做匀速圆周运动的卫星,它绕地球运动的同时还跟地球一起绕太阳运动C.天穹不转动,因为地球每天自西向东转一周,造成天体每天东升西落的现象D.与日地距离相比,恒星离地球都十分遥远,比日地间的距离大得多【解析】选A、B、C。所有行星围绕太阳运动的轨道都是椭圆,太阳处在所有椭圆轨道的一个焦点上;行星在椭圆轨道上运动的周期T和轨道半长轴r满足=恒量,故所有行星实际并不是在做匀速圆周运动,整个宇宙是在不停运动的,A、B、C符合题意;与日地距离相比,其他恒星离地球都十分遥远,故D不符合题意。32rT【探究训练】1.(2019·广州高一检测)关于“日心说”被人们接受的原因是()A.以地球为中心来研究天体的运动有很多无法解决的问题B.以太阳为中心,许多问题都可以解决,行星的运动的描述也变得简单了C.地球是围绕太阳转的D.太阳总是从东面升起从西面落下【解析】选B。“地心说”比较符合人们的日常生活经验(太阳从东面升起,在西面落下,好像太阳绕地球运动),同时也符合宗教神学教义关于地球是宇宙中心的说法。但随着对天体运动的深入研究,发现“地心说”对天体运动的描述不仅复杂而且问题很多,“日心说”对行星运动的描述却变得简单,而且许多问题都可以解决,因此“日心说”逐渐被越来越多的人接受。2.关于地球和太阳,下列说法中正确的是()A.地球是围绕太阳沿椭圆轨道运转的B.太阳总是从东面升起,从西面落下,所以太阳围绕地球运转C.由于地心说符合人们的日常经验,所以地心说是正确的D.地球是围绕太阳做匀速圆周运动的【解析】选A。开普勒发现地球沿椭圆轨道围绕太阳运转,选项A正确,选项D错误;地球围绕太阳运转,选项B错误;地心说是错误的,选项C错误。主题二开普勒行星运动规律【问题探究】1.如图,a、b分别是远日点和近日点,试根据开普勒第二定律分析行星在近日点和远日点附近运动时速度哪个较大,哪个较小?提示:根据开普勒第二定律,行星与太阳的连线在相等的时间内扫过的面积相等,就可判断行星在近日点附近运动时速度较大而在远日点附近运动时速度较小。2.开普勒第三定律中的k值与什么有关?提示:k值是由中心天体本身决定的常量,也就是说,在中心天体不同的系统里k值是不同的,在中心天体相同的系统里k值是相同的。3.实际上,行星的轨道与圆十分接近,在中学阶段的研究中我们按圆轨道处理,试结合下表,分析行星运动的相似情况。椭圆轨道圆轨道开普勒第一定律所有行星绕太阳运动的轨道都是_____,太阳处在椭圆的一个_____上行星绕太阳运动的轨道十分接近圆,太阳处在_____开普勒第二定律对任意一个行星来说,它与太阳的连线在_____的时间内扫过_____的面积某一个行星绕太阳做圆周运动的角速度不变,即行星做_____圆周运动椭圆焦点圆心相等相等匀速椭圆轨道圆轨道开普勒第三定律所有行星的轨道的_______的三次方跟它的_________的二次方的比值都相等,即_______所有行星轨道_____的三次方跟它的公转周期的二次方的比值都相等,即_____半长轴公转周期32akT半径32rkT【探究总结】1.第三定律反映了行星公转周期跟轨道半长轴之间的依赖关系。椭圆轨道半长轴越长的行星,其公转周期越大;反之,其公转周期越小。2.在图中,半长轴是AB间距的一半,T是公转周期,其中常数k与行星无关,只与太阳有关。3.对=k中k的含义的理解:k是由中心天体决定的,中心天体不同则k值不同。例如:地球围绕太阳运动,k是由中心天体太阳决定的;月球围绕地球运动,k是由中心天体地球决定的,而这两个常量是不同的。32aT【典例示范】(2019·衡水高一检测)继美国发射的可重复使用的运载火箭后,印度称正在设计可重复使用的宇宙飞船,预计将在2030年发射成功。假设某飞船沿半径为R的圆周绕地球飞行,其周期为T,地球半径为R0。该飞船要返回地面时,可在轨道上某点A处将速率降到适当数值,从而沿着以地心为焦点的椭圆轨道运动,椭圆与地球表面的B点相切,如图所示。求该飞船由A点运动到B点所需的时间。【解题指南】解答本题时应注意以下两点:(1)开普勒定律虽是对太阳行星系统而言的,但该定律也适用于地球卫星系统。(2)明确题目中圆周运动对应的周期与半径关系,椭圆运动对应的周期与半长轴的关系。【解析】飞船返回时间为椭圆运行周期T′的一半,而椭圆的长半轴为R′=(R+R0),由开普勒第三定律可得所以t=T′=答案:123322RRTT12302R2(1)T8R。302R2(1)T8R【规律方法】应用开普勒第三定律分析行星公转的周期、半径的步骤(1)判断中心天体是否相同,只有对同一个中心天体开普勒第三定律才成立。(2)明确题中给出的周期关系或半径关系。(3)根据开普勒第三定律列式求解。【探究训练】1.(2019·庆阳高一检测)关于开普勒行星运动定律,下列说法正确的是()A.所有的行星都绕太阳做圆周运动B.对任意一个行星它与太阳的连线在相等时间内扫过相等的面积C.在=k中,k是与太阳无关的常量D.开普勒行星运动定律仅适用于行星绕太阳运动32aT【解析】选B。所有行星围绕太阳运动的轨道都是椭圆,太阳处在椭圆的一个焦点上;故A错误;对任意一个行星,它与太阳的连线在相等时间内扫过相等的面积;故B正确;在=k中,k是与太阳质量有关的常量;故C错误;开普勒行星运动定律不仅适用于行星绕太阳运动,还适用于宇宙中其他卫星绕行星的运动;故D错误。32aT2.火星和木星沿各自的椭圆轨道绕太阳运行,根据开普勒行星运动定律可知()A.太阳位于木星运行轨道的中心B.火星和木星绕太阳运行速度的大小始终相等C.火星与木星公转周期之比的平方等于它们轨道半长轴之比的立方D.相同时间内,火星与太阳连线扫过的面积等于木星与太阳连线扫过的面积【解析】选C。开普勒第一定律的内容为:所有行星分别沿不同的椭圆轨道绕太阳运动,太阳处于椭圆的一个焦点上,故A错误;由开普勒第二定律:对每一个行星而言,太阳与行星的连线在相同时间内扫过的面积相等,行星在此椭圆轨道上运动的速度大小不断变化,故B错误;若行星的公转周期为T,则=k,常量k与行星无关,与中心天体有关,故C正确;开普勒第二定律是对同一个行星而言的,故D错误。32aT3.(2018·全国卷Ⅲ)为了探测引力波,“天琴计划”预计发射地球卫星P,其轨道半径约为地球半径的16倍,另一地球卫星Q的轨道半径约为地球半径的4倍,P与Q的周期之比约为()A.2∶1B.4∶1C.8∶1D.16∶1【解析】选C。据开普勒第三定律,故选C。3PP3QQTR8TR14.(2019·石家庄高一检测)长期以来“卡戎星(Charon)”被认为是冥王星唯一的卫星,它的公转轨道半径r1=19600km,公转周期T1=6.39天。2006年3月,天文学家新发现两颗冥王星的小卫星,其中一颗的公转轨道半径r2=48000km,则它的公转周期T2最接近于()A.15天B.25天C.35天D.45天【解题指南】解答本题时应从以下两点进行分析:(1)能熟练使用开普勒第三定律来分析相关问题。(2)数学运算不要出错。【解析】选B。由开普勒第三定律可知T2=6.39≈24.5天,B项正确。33122212rrTT348000()19600【课堂小结】