2019-2020学年高中物理 第六章 第1节 行星的运动课件 新人教版必修2

第六章万有引力与航天第1节行星的运动第六章万有引力与航天1．了解地心说与日心说的主要内容和代表人物．2．理解开普勒行星运动定律，知道开普勒第三定律中k值的大小只与中心天体有关．(重点)3．知道行星运动在中学阶段研究过程中的近似处理．一、地心说与日心说1．地心说___________是宇宙的中心，且是静止不动的，太阳、月亮以及其他行星都绕___________运动．2．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___________运动．地球地球太阳太阳3．两种学说的局限性两种学说都认为天体的运动必然是最完美、最和谐的___________运动，而这和丹麦天文学家___________的观测数据不符．匀速圆周第谷二、开普勒行星运动定律定律内容公式或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___________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_________________椭圆椭圆焦点相等的面积定律内容公式或图示开普勒第三定律所有行星的轨道的___________的三次方跟它的公转___________的二次方的比值都___________公式：a3T2＝k，k是一个与行星_______的常量半长轴周期相等无关三、行星运动的近似处理1．行星绕太阳运动的轨道十分接近圆，太阳处在___________．2．行星绕太阳做___________运动．3．所有行星___________的三次方跟它的公转周期的二次方的比值都相等，即___________．圆心匀速圆周轨道半径r3T2＝k判一判(1)行星绕太阳运动一周的时间内，它离太阳的距离是变化的．()(2)地球绕太阳运动的速度是不变的．()(3)公式a3T2＝k，只适用于轨道是椭圆的运动．()(4)太阳系中所有天体的运动都可看做匀速圆周运动．()(5)8大行星的运动轨迹近似为一系列的同心圆．()(6)行星的轨道半径越大，其公转周期就越长．()√×××√√做一做如图所示是行星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B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做减速运动提示：选C．由开普勒第二定律可知，近日点时行星运行速度最大，因此，A、B错误；行星由A向B运动的过程中，行星与恒星的连线变长，其速度减小，故C正确，D错误．想一想太阳每天东升西落，这一现象是否说明太阳绕着地球运动呢？为什么？提示：不能．太阳是太阳系的中心，地球等行星绕太阳运动．太阳东升西落，是因为地球的自转．对开普勒三定律的理解1．第一定律(轨道定律)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．否定了行星圆形轨道的说法，建立了正确的轨道理论，给出了太阳准确的位置．2．第二定律(面积定律)揭示了某个行星运行速度的大小与到太阳距离的关系．行星靠近太阳时速度大，远离太阳时速度小．近日点速度最大，远日点速度最小．3．第三定律(周期定律)第三定律反映了行星公转周期跟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；反之，其公转周期越小．在右图中，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．(多选)下列关于开普勒对于行星运动规律认识的说法中，正确的是()A．所有行星绕太阳运动的轨道都是椭圆B．所有行星绕太阳运动的轨道都是圆C．所有行星的轨道的半长轴的二次方跟公转周期的三次方的比值都相同D．所有行星都是在靠近太阳时速度变大[解析]由开普勒第一定律知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，所以A正确，B错误．由开普勒第三定律知所有行星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，故C错误．根据开普勒第二定律，行星在椭圆轨道上靠近太阳运动时，速度越来越大，D正确．[答案]AD(1)开普勒三定律是对行星绕太阳运动的总结，实践表明开普勒三定律也适用于其他天体的运动，如月球绕地球的运动，卫星(或人造卫星)绕行星的运动．(2)开普勒第二定律与开普勒第三定律的区别：前者揭示的是同一行星在距太阳不同距离时的运动快慢的规律，后者揭示的是不同行星运动快慢的规律．(多选)哈雷彗星绕太阳运动的轨道是比较扁的椭圆，下列说法中正确的是()A．彗星在近日点的速率大于在远日点的速率B．彗星在近日点的角速度大于在远日点的角速度C．彗星在近日点的向心加速度大于在远日点的向心加速度D．若彗星周期为76年，则它的公转轨道的半长轴是地球公转半径的76倍解析：选ABC.根据开普勒第二定律，为使相等时间内扫过的面积相等，则应保证近日点与远日点相比在相同时间内走过的弧长要大．因此在近日点彗星的线速度(即速率)、角速度都较大，故A、B正确．而向心加速度a＝v2R，在近日点，v大，R小，因此a大，故C正确．根据开普勒第三定律a3T2＝k，则a31a32＝T21T22＝762，即a1＝35776a2，故D错误．对开普勒三定律的应用1．对开普勒行星运动定律的理解(1)开普勒行星运动定律不仅适用于行星绕太阳运转，也适用于卫星绕着地球运转．(2)开普勒第三定律中，k值仅与该系统的中心天体有关而与周围绕行的星体无关．(3)开普勒行星运动定律是根据行星运动的观察结果而总结归纳出来的规律，每一条都是经验定律．2．中学阶段对天体运动的处理方法由于大多数行星绕太阳运动的轨道与圆十分接近，因此，在中学阶段的研究中可以按圆周运动处理，且是匀速圆周运动，这时椭圆轨道的半长轴取圆轨道的半径．命题视角1对开普勒第二定律的应用1970年4月24日，我国发射了第一颗人造卫星，其近地点高度是h1＝439km，远地点高度是h2＝2384km，则近地点处卫星的速率是远地点处卫星速率的多少倍(已知R地＝6400km)?[思路点拨]本题根据圆周运动知识无法求解，但根据开普勒第二定律可以求出．特别是运用数学极限知识分析求解．[解析]设一段很短的时间为Δt，近地点在B点，当Δt很小时，卫星和地球的连线扫过的面积可按三角形面积进行计算，如图所示，即ABC︵、MPN︵都可视为线段．由开普勒第二定律得SABCF＝SMPNF，即12v1Δt(R＋h1)＝12v2Δt(R＋h2)所以v1v2＝R＋h2R＋h1代入数值后得v1v2＝1.28.[答案]1.28命题视角2对开普勒第三定律的应用地球到太阳的距离为水星到太阳距离的2．6倍，那么地球和水星绕太阳运转的线速度之比为多少？[思路点拨]由开普勒第三定律先求出周期之比，然后由圆周运动有关公式计算．[解析]设地球绕太阳的运行周期为T1，水星绕太阳的运行周期为T2，根据开普勒第三定律有R31T21＝R32T22①因地球和水星绕太阳做匀速圆周运动，故有T1＝2πR1v1②T2＝2πR2v2③由①②③式联立求解得v1v2＝R2R1＝12.6＝12.6＝513＝6513.[答案]6513涉及椭圆轨道运动周期的问题，在中学物理中，常用开普勒第三定律求解．但该定律只能用在绕同一中心天体运动的星体之间，如绕太阳转的两行星之间或绕地球转的两卫星之间均可用，但一颗行星和一颗卫星比较时不能用开普勒第三定律．开普勒第三定律不仅适用于椭圆轨道的行星运动，也适用于圆轨道的行星运动．假设某飞船沿半径为R的圆周绕地球运行，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．解析：飞船沿半径为R的圆周绕地球运行时，可认为其半长轴a＝R，飞船沿椭圆轨道运行时，设其周期为T′，轨道半长轴a′＝12(R＋R0)，由开普勒第三定律得a3T2＝a′3T′2，所以，飞船从A点运动到B点所需的时间t＝12T′＝281＋R0RT.答案：281＋R0RT3232行星运动与圆周运动的综合应用在应用开普勒运动定律求解问题时，要注意以下几点：1．开普勒定律不仅适用于行星绕着太阳运行，也适用于卫星绕着地球运行，不过比例式中的k值是不相同的．2．开普勒定律是总结行星运动的观察结果而得出来的规律，它们都是经验定律．因此，开普勒定律涉及几何学、运动学等方面的内容．3．由于行星的椭圆轨道都跟圆十分接近，所以在中学阶段的研究中可以按圆处理．因此，可以认为：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角速度(或线速度)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a3T2＝k．4．求解问题时，常常用到圆周运动规律(如v＝ωr，F＝mv2r，a＝v2r＝ω2r等)或几何知识．(多选)太阳系中的第二大行星——土星的卫星众多，目前已发现达数十颗．下表是有关土卫五和土卫六两颗卫星的一些参数．则两卫星相比较，下列判断正确的是()卫星距土星的距离/km半径/km质量/kg发现者发现年代土卫五5270007652．49×1021卡西尼1672土卫六122200025751．35×1023惠更斯1655A．土卫五的公转周期较小B．土卫六的转动角速度较大C．土卫六的向心加速度较小D．土卫五的公转速度较大[思路点拨]比较同一个行星的两颗卫星的运动情况，其方法与比较太阳的任意两颗行星的运动情况的方法一样，卫星本身的大小、形状与其运动快慢无关．[解析]筛选所给的信息，其重要信息是：卫星离土星的距离，设其运动轨道是圆形的，且做匀速圆周运动，根据开普勒第三定律：轨道半径的三次方与公转周期的平方的比值相等，得A正确．土卫六的周期较大，则由匀速圆周运动的知识得：土卫六的角速度较小，故B错误．根据匀速圆周运动的向心加速度公式a＝ω2r＝2πT2r及开普勒第三定律r3T2＝k，得a＝4π2T2r＝4π2·r3T2·1r2＝4π2·k·1r2，可知轨道半径大的卫星向心加速度小，故C正确．由于v＝2πrT＝2πr3T2·1r＝2πk·1r，由推理可知，轨道半径小的卫星，其运动速度大，故D正确．[答案]ACD“北斗”卫星定位系统由地球静止轨道卫星(同步卫星)、中轨道卫星和倾斜同步卫星组成．地球静止轨道卫星和中轨道卫星都在圆轨道上运行，它们距地面的高度分别约为地球半径的6倍和3．4倍，下列说法中正确的是()A．静止轨道卫星的周期约为中轨道卫星的2倍B．静止轨道卫星的线速度大小约为中轨道卫星的2倍C．静止轨道卫星的角速度大小约为中轨道卫星的17D．静止轨道卫星的向心加速度大小约为中轨道卫星的17解析：选A.设中轨道卫星的周期和轨道半径分别为T1、R1，静止轨道卫星的周期和轨道半径分别为T2、R2，地球半径为R，则R1＝4.4R、R2＝7R.由开普勒第三定律可知T21R31＝T22R32，即T2T1＝R32R31≈2，A正确；线速度由v＝2πRT可知v2v1≈0.8，B错误；角速度由ω＝2πT可知ω2ω1＝12，C错误；向心加速度由a＝4π2T2R可知a2a1≈0.4，D错误．