2019-2020学年新教材高中物理 第七章 万有引力与宇宙航行 第1节 行星的运动课件 新人教版必

课标要求第七章万有引力与宇宙航行第1节行星的运动1．了解人类对行星运动规律的认识过程。2．了解观察在认识行星运动规律中的作用。3．知道开普勒行星运动定律及其科学价值。4．了解开普勒第三定律中k值的大小只与中心天体有关。一、地心说与日心说1．填一填内容局限性地心说_____是宇宙的中心，而且是静止不动的，太阳、月亮以及其他行星都绕地球运动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、最和谐的匀速圆周运动日心说____是宇宙的中心，且是静止不动的，地球和其他行星都绕太阳运动地球太阳2．判一判(1)地心说认为地球是宇宙的中心。()(2)日心说认为太阳是静止不动的。()(3)地心说是错误的而日心说是正确的。()√√×3．想一想太阳每天都是东升西落，这一现象是否说明太阳是绕着地球转的，为什么？提示：太阳是太阳系的中心，地球绕太阳公转，由于地球同时还在自转，所以造成了太阳东升西落的现象。二、开普勒定律1．填一填(1)开普勒第一定律①内容：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上。②图示：焦点(2)开普勒第二定律①内容：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相等。②图示：面积(3)开普勒第三定律①内容：所有行星轨道的跟它的公转周期的二次方的比都相等，即a3T2＝k。②图示：半长轴的三次方2．判一判(1)宇宙的中心是太阳，所有行星都在绕太阳做匀速圆周运动。()(2)围绕太阳运动的行星的速率是一成不变的。()(3)行星运动的轨道半长轴越长，行星的周期越长。()××√3．选一选关于开普勒行星运动定律的描述，下列说法中正确的是()A．所有行星的轨道的半长轴的三次方跟公转周期的二次方的比值都相等B．所有行星绕太阳运动的轨道都是圆，太阳处在圆心上C．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D．行星绕太阳运动的速度大小不变解析：由开普勒第三定律知：绕同一中心天体运行的所有行星的轨道的半长轴的三次方跟公转周期的二次方的比值都相等，选项A错误；开普勒第一定律的内容为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，选项B错误，C正确；由开普勒行星运动定律知所有行星分别沿不同的椭圆轨道绕太阳运动，对每一个行星而言，行星与太阳的连线在相等的时间内扫过的面积相等，可知行星绕太阳运动的速度大小是变化的，选项D错误。答案：C开普勒行星运动定律的说明和意义[学透用活]1．开普勒第一定律(1)说明：尽管各行星的轨道大小不同，但它们的共同规律是所有行星都沿椭圆轨道绕太阳运动，太阳则位于所有椭圆的一个公共焦点上，如图所示。(2)意义：否定了行星圆形轨道的说法，建立了正确的轨道理论，给出了太阳的准确位置。2．开普勒第二定律(1)说明：行星靠近太阳时速度增大，远离太阳时速度减小。近日点速度最大，远日点速度最小，如图所示。(2)意义：描述了行星在其轨道上运行时，线速度的大小不断变化，并阐明了速度大小变化的数量关系。3．开普勒第三定律(1)说明：揭示了周期与轨道半长轴之间的关系，椭圆轨道半长轴越长的行星，其公转周期越大；椭圆轨道半长轴越短的行星，其公转周期越小。(2)意义：表达式a3T2＝k中的k值与行星无关，只与太阳有关。不同星系具有不同的常数，且常数由中心天体决定。[典例1][多选]如图所示是行星m绕恒星M运动情况的示意图，下列说法正确的是()A．速度最大点是A点B．速度最小点是C点C．m从A到B做减速运动D．m从B到A做减速运动[解析]由开普勒第二定律可知离恒星越近行星速度越大，而离恒星越远行星速度越小，故A点速度最大，B点最小，由A至B行星速度减小，由B到A则速度增大，故A、C正确，B、D错误。[答案]AC[规律方法]（1）开普勒行星运动定律是对行星绕太阳运动规律的总结，它也适用于其他天体的运动。（2）要注意开普勒第二定律描述的是同一行星离中心天体的距离不同时的运动快慢规律，开普勒第三定律描述的是不同行星绕同一中心天体运动快慢的规律。[对点练清]1．16世纪，哥白尼根据天文观测的大量资料，经过多年的潜心研究，提出“日心说”的如下四个基本论点，这四个基本论点目前不存在缺陷的是()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，其他恒星离地球都十分遥远，比日地间的距离大很多解析：开普勒三定律指出，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。行星在椭圆轨道上运动的周期T和半长轴a的关系为a3T2＝k(常量)，整个宇宙是在不停地运动的。所以目前只有D中的观点不存在缺陷。答案：D2．下列关于行星绕太阳运动的说法中，正确的是()A．所有行星都在同一椭圆轨道上绕太阳运动B．行星绕太阳运动时，太阳位于行星轨道的中心处C．离太阳越近的行星运动周期越长D．所有行星轨道的半长轴的三次方跟公转周期的二次方的比值都相等解析：由开普勒行星运动定律可知所有行星轨道都是椭圆，太阳位于椭圆轨道一个焦点上，行星在椭圆轨道上运动的周期T和半长轴a满足a3T2＝k(常量)，对于同一中心天体，k不变，故A、B、C都错误，D正确。答案：D3．理论和实践证明，开普勒行星运动定律不仅适用于太阳系中的天体运动，而且对一切天体(包括卫星绕行星的运动)都适用。对于开普勒第三定律的公式a3T2＝k，下列说法正确的是()A．公式只适用于轨道是椭圆的运动B．公式中的T为天体的自转周期C．公式中的k值，只与中心天体有关，与绕中心天体公转的行星(或卫星)无关D．若已知月球与地球之间的距离，根据开普勒第三定律公式可求出地球与太阳之间的距离解析：开普勒第三定律不仅适用于行星绕太阳的运动，也适用于卫星绕行星的运动，所以也适用于轨道是圆的运动，故A错误；公式中的T是行星(或卫星)的公转周期，B错误；公式中的k与中心天体的质量有关，与绕中心天体旋转的行星(或卫星)无关，故C正确；月球绕地球运动，地球绕太阳运动，不是同一个中心天体，公式中的k与中心天体的质量有关，已知月球与地球之间的距离，无法求出地球与太阳之间的距离，故D错误。答案：C天体运动规律及分析方法[学透用活]1．天体的运动可近似看成匀速圆周运动：天体虽做椭圆运动，但它们的轨道一般接近圆。中学阶段我们在处理天体运动问题时，为简化运算，一般把天体的运动当作圆周运动来研究，并且把它们视为做匀速圆周运动，椭圆的半长轴即为圆半径。2．在处理天体运动时，开普勒第三定律表述为：天体轨道半径r的三次方跟它的公转周期T的二次方的比值为常数，即r3T2＝k。据此可知，绕同一天体运动的多个天体，轨道半径r越大的天体，其周期越长。3．天体的运动遵循牛顿运动定律及匀速圆周运动规律，与一般物体的运动在应用这两个规律上没有区别。4．公式r3T2＝k，对于同一中心天体的不同行星k的数值相同，对于不同的中心天体的行星k的数值不同。[典例2]飞船沿半径为R的圆周绕地球运动，其周期为T。如果飞船要返回地面，可在轨道上某点A处，将速率降低到适当数值，从而使飞船沿着以地心为焦点的椭圆轨道运动，椭圆和地球表面在B点相切，如图所示。如果地球半径为R0，求飞船由A点运动到B点所需要的时间。[解析]飞船沿椭圆轨道返回地面，由题图可知，飞船由A点到B点所需要的时间刚好是沿图中整个椭圆运动周期的一半，椭圆轨道的半长轴为R＋R02，设飞船沿椭圆轨道运动的周期为T′。根据开普勒第三定律有R3T2＝R＋R023T′2。解得T′＝TR＋R02R3＝R＋R0T2RR＋R02R。所以飞船由A点到B点所需要的时间为t＝T′2＝R＋R0T4RR＋R02R。[答案]R＋R0T4RR＋R02R[规律方法]开普勒第三定律的应用应用开普勒第三定律可分析行星的周期、半径，应用时可按以下步骤分析：(1)首先判断两个行星的中心天体是否相同，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。[对点练清]1．行星绕恒星的运动轨道如果是圆形，那么它轨道半径r的三次方与运行周期T的平方的比为常量，设r3T2＝k，则常量k的大小()A．只与恒星的质量有关B．与恒星的质量及行星的质量有关C．只与行星的质量有关D．与恒星的质量及行星的速度有关解析：r3T2＝k，比值k是一个与行星无关的常量，只由恒星自身决定，A正确。答案：A2．太阳系有八大行星，八大行星离地球的远近不同，绕太阳运转的周期也不相同。下列反映周期与轨道半径关系的图像中正确的是()解析：由开普勒第三定律a3T2＝k，近似处理有R3T2＝k，即R3＝kT2，D正确。答案：D3．木星的公转周期约为12年，如把地球到太阳的距离作为1天文单位，则木星到太阳的距离约为()A．2天文单位B．4天文单位C．5.2天文单位D．12天文单位解析：木星、地球都环绕太阳按椭圆轨道运动，近似计算时可当成圆轨道处理，因此它们到太阳的距离可当成是绕太阳公转的轨道半径，根据开普勒第三定律r木3T木2＝r地3T地2得r木＝3T木2T地2·r地＝31212×1≈5.2天文单位。答案：C一、八大行星绕太阳运动的有关数据(科学思维)[选自鲁科版教材P80“科学书屋”]行星天体质量m/kg周期T/a到太阳的平均距离d/×106km椭圆轨道的偏心率e偏心率e＝0.3时的椭圆水星(Mercury)3.20×10230.257.93.340.206金星(Venus)4.88×10240.6108.23.350.007a3T2/×1024km3·a－2行星天体质量m/kg周期T/a到太阳的平均距离d/×106km椭圆轨道的偏心率e偏心率e＝0.3时的椭圆地球(Earth)5.98×10241.0149.63.350.017火星(Mars)6.42×10231.9227.93.350.093木星(Jupiter)1.90×102711.9778.33.350.048a3T2/×1024km3·a－2行星天体质量m/kg周期T/a到太阳的平均距离d/×106km椭圆轨道的偏心率e偏心率e＝0.3时的椭圆土星(Saturn)5.68×102629.514273.340.056天王星(Uranus)8.68×102584.028693.350.047海王星(Neptune)1.03×1026164.844863.340.009a3T2/×1024km3·a－2[注]a是年的单位符号。偏心率e是椭圆扁平程度的量度，等于椭圆两焦点间的距离与长轴长度的比值。圆是椭圆的特例，偏心率为0。请思考：(1)行星离太阳越远，行星运行的周期越大还是越小？与行星的质量大小有关系吗？(2)各行星a3T2的大小有何关系？(3)各行星椭圆轨道的偏心率e最大为0.206，说明什么问题？[提示](1)行星离太阳越远，行星运行的周期越大，与行星的质量大小无关。(2)由表中数据可以看出，各行星a3T2的大小是相等的。(3)各行星椭圆轨道的偏心率e最大为0.206，说明可以把各行星的运动近似看作匀速圆周运动来处理。二、典题好题发掘，练典题做一当十[选自鲁科版教材P84第5题]曾经有人用木星的直径作为量度单位，测量了木星卫星的轨道半径。如图所示，他发现木卫一的周期是1.8天，距离木星中心4.2个木星单位，而木卫四的周期是16.7天。请预测木卫四距离木星中心的距离。解析：木卫一和木卫四都是木星的卫星，由开普勒第三定律可知，r13T12＝r43T42，代入数据得：4.231.82＝r4316.72，解得r4＝18.5。答案：18.5个木星单位