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1、第七章万有引力与宇宙第七章万有引力与宇宙航行航行1行星的运动行星的运动课前前基基础认知知课堂堂重重难突破突破素养素养目目标定位定位随堂随堂训练素养目标定位目目标素素养养1.了解地心说和日心说的内容了解地心说和日心说的内容,能从人类对天体运动的认识过能从人类对天体运动的认识过程中程中,客观评价地心说和日心说的科学成就客观评价地心说和日心说的科学成就,形成正确的物理形成正确的物理观念。观念。2.掌握开普勒行星运动定律的内容掌握开普勒行星运动定律的内容,并能应用行星运动定律解并能应用行星运动定律解决行星运动的相关问题。决行星运动的相关问题。3.了解人们对行星运动的认识过程漫长复杂了解人们对行星运动的
2、认识过程漫长复杂,真理来之不易。真理来之不易。知知识概概览课前基础认知一、地心说和一、地心说和日心说日心说 微思考微思考1太阳太阳每天都是东升西落每天都是东升西落,这一现象是否说明太阳是这一现象是否说明太阳是绕着地球转的绕着地球转的,为什么为什么?提示提示:否。太阳是太阳系的中心否。太阳是太阳系的中心,地球绕太阳公转地球绕太阳公转,由于地球由于地球同时还在自转同时还在自转,所以造成了太阳东升西落的现象。所以造成了太阳东升西落的现象。二、二、开普勒定律开普勒定律 微思考微思考2下下图为行星绕太阳转动的示意图图为行星绕太阳转动的示意图,观察各行星的运观察各行星的运动轨迹动轨迹,它们是规则的圆形吗它
3、们是规则的圆形吗?它们的公转周期它们的公转周期:水星约水星约88日、日、金星约金星约225日、地球约日、地球约365日、火星约日、火星约687日、木星约日、木星约11.9年、年、土星约土星约29.7年、天王星约年、天王星约84.3年、海王星约年、海王星约165.3年年,据此猜测据此猜测行星绕太阳运动的周期与它们到太阳的距离有什么样的定性行星绕太阳运动的周期与它们到太阳的距离有什么样的定性关系关系?提示提示:不是。行星的运动轨迹不是规则的圆形不是。行星的运动轨迹不是规则的圆形,是椭圆。距是椭圆。距离太阳越远的行星绕太阳运动的周期越长。离太阳越远的行星绕太阳运动的周期越长。三、行星运动的处理三、行
4、星运动的处理1.轨道近似轨道近似:行星绕太阳运动的轨道十分接近行星绕太阳运动的轨道十分接近圆圆,太阳处太阳处在在圆心圆心。2.运动规律近似运动规律近似:对某一行星来说对某一行星来说,它绕太阳做圆周运动的它绕太阳做圆周运动的角速度角速度(或或线速度线速度)大小不变大小不变,即行星做即行星做匀速圆周匀速圆周运运动。动。3.周期定律近似周期定律近似:所有行星所有行星轨道半径轨道半径的三次方跟它的的三次方跟它的公转周期公转周期的二次方的比值都相等。的二次方的比值都相等。微微判断判断1.宇宙的中心是太阳宇宙的中心是太阳,所有行星都在绕太阳做匀速圆所有行星都在绕太阳做匀速圆周运动。周运动。()2.开普勒行
5、星运动定律仅适用于行星绕太阳的运动。开普勒行星运动定律仅适用于行星绕太阳的运动。()3.所有行星绕太阳运转的周期都是相等的。所有行星绕太阳运转的周期都是相等的。()4.地球围绕太阳的运动可近似看作圆周运动。地球围绕太阳的运动可近似看作圆周运动。()课堂重难突破一一对开开普勒行星运普勒行星运动定律的理解定律的理解重难归纳如图所示如图所示,地球沿椭圆形轨道绕地球沿椭圆形轨道绕太阳太阳运动运动,所处四个位置分别对应地球所处四个位置分别对应地球上上的的四个节气。根据开普勒行星四个节气。根据开普勒行星运动运动定律定律可以判定哪个节气地球绕可以判定哪个节气地球绕太阳太阳的的公转速度最大公转速度最大?提示提
6、示:在行星运动时在行星运动时,连接行星和太阳的连线连接行星和太阳的连线,在相等的时间在相等的时间内内,扫过同样大小的面积扫过同样大小的面积,故远日点速度小故远日点速度小,近日点速度大近日点速度大,所以所以冬至节气地球绕太阳的公转速度最大。冬至节气地球绕太阳的公转速度最大。典例剖析【例【例1】火星和木星沿各自的椭圆轨道绕太阳运行火星和木星沿各自的椭圆轨道绕太阳运行,根据开根据开普勒行星运动定律可知普勒行星运动定律可知()A.太阳位于木星运行轨道的中心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二次方等于它们
7、轨道半长轴火星与木星公转周期之比的二次方等于它们轨道半长轴之比的三次方之比的三次方D.相同时间内相同时间内,火星与太阳连线扫过的面积等于木星与太阳火星与太阳连线扫过的面积等于木星与太阳连线扫过的连线扫过的面积面积C解析解析:太阳位于木星运行轨道的一个焦点上太阳位于木星运行轨道的一个焦点上,选项选项A错误错误;火火星与木星绕太阳运行的轨道不同星与木星绕太阳运行的轨道不同,速度不可能始终相等速度不可能始终相等,选项选项B错误错误;“在相等的时间内在相等的时间内,行星与太阳连线扫过的面积相等行星与太阳连线扫过的面积相等”是对于同一颗行星而言的是对于同一颗行星而言的,不同的行星不同的行星,则不具有可比
8、性则不具有可比性,选项选项D错误错误;根据开普勒第三定律根据开普勒第三定律,对同一中心天体来说对同一中心天体来说,行星公转行星公转半长轴的三次方与其周期的二次方的比值为一定值半长轴的三次方与其周期的二次方的比值为一定值,选项选项C正正确。确。误区警示误区警示 1.开普勒行星运动定律是通过对行星运动的观察开普勒行星运动定律是通过对行星运动的观察结果总结而得出的规律结果总结而得出的规律,它们都是经验定律它们都是经验定律,而不是实验定律。而不是实验定律。2.开普勒行星运动定律也适用于月球绕地球的运动开普勒行星运动定律也适用于月球绕地球的运动,卫星卫星(或或人造卫星人造卫星)绕行星的运动。绕行星的运动
9、。3.开普勒第二定律描述的是同一行星离中心天体的距离不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。同一中心天体运动快慢的规律。学以致用1.(多选多选)下列说法正确的是下列说法正确的是()A.太阳系中的八大行星有一个共同的轨道焦点太阳系中的八大行星有一个共同的轨道焦点B.太阳系中的八大行星的轨道有的是圆形太阳系中的八大行星的轨道有的是圆形,并不都是椭圆并不都是椭圆C.行星的运动方向总是沿着轨道的切线方向行星的运动方向总是沿着轨道的切线方向D.行星的运动方向总是与它
10、和太阳的连线垂直行星的运动方向总是与它和太阳的连线垂直答案答案:AC解析解析:太阳系中的八大行星有一个共同的轨道焦点太阳系中的八大行星有一个共同的轨道焦点,就是太就是太阳阳,选项选项A正确正确;太阳系中的八大行星的轨道都是椭圆太阳系中的八大行星的轨道都是椭圆,选项选项B错误错误;行星的运动方向总是沿着轨道的切线方向行星的运动方向总是沿着轨道的切线方向,选项选项C正确正确;所有行星分别沿不同大小的椭圆轨道绕太阳运动所有行星分别沿不同大小的椭圆轨道绕太阳运动,运动方向运动方向为轨道上某一点切线方向为轨道上某一点切线方向,不一定与它和太阳的连线垂直不一定与它和太阳的连线垂直,选选项项D错误。错误。二
11、二开开普勒第三定律的普勒第三定律的应用用重难归纳1.在处理天体运动时在处理天体运动时,开普勒第三定律表述为开普勒第三定律表述为:所有行星轨道所有行星轨道的半长轴的半长轴a的三次方跟它的公转周期的三次方跟它的公转周期T的二次方的比都相等的二次方的比都相等,即即=k,常数常数k只与中心天体的质量有关只与中心天体的质量有关。据此可知据此可知,绕同一绕同一天体运动的多个天体天体运动的多个天体,轨道半长轴轨道半长轴a越大的天体越大的天体,其周期越长。其周期越长。2.用途用途(1)求周期求周期:两颗绕同一中心天体运动的行星或卫星两颗绕同一中心天体运动的行星或卫星,知道其知道其中一颗的周期及它们的半长轴中一
12、颗的周期及它们的半长轴(或半径或半径),可求出另一颗的周期。可求出另一颗的周期。(2)求半长轴求半长轴:两颗绕同一中心天体运动的行星或卫星两颗绕同一中心天体运动的行星或卫星,知道知道其中一颗的半长轴其中一颗的半长轴(或半径或半径)及它们的周期及它们的周期,可求出另一颗的半可求出另一颗的半长轴长轴(或半径或半径)。下下图图是是“金星凌日金星凌日”的示意图的示意图,观察图中地球、金星的位置观察图中地球、金星的位置,思考地球和金星谁的公转周期更长。思考地球和金星谁的公转周期更长。提示提示:地球。由题图可知地球。由题图可知,地球到太阳的距离大于金星到太地球到太阳的距离大于金星到太阳的距离阳的距离,根据
13、开普勒第三定律可得根据开普勒第三定律可得,地球的公转周期更长一地球的公转周期更长一些。些。典例剖析【例【例2】银河系中有两颗行星环绕某恒星运转银河系中有两颗行星环绕某恒星运转,从天文望远从天文望远镜中观察它们的运转周期之比为镜中观察它们的运转周期之比为27 1,则它们的轨道半长轴则它们的轨道半长轴之比是之比是()A.3 1B.9 1C.27 1D.1 9答案答案:B规律总结规律总结 应用应用开普勒第三定律的步骤开普勒第三定律的步骤(1)判断两个行星的中心天体是否相同判断两个行星的中心天体是否相同,只有对同一个中心天只有对同一个中心天体开普勒第三定律才体开普勒第三定律才成立成立。(2)明确题中给
14、出的周期关系或半径明确题中给出的周期关系或半径关系关系。学以致用2.开普勒的行星运动规律也适用于其他天体或人造卫星的开普勒的行星运动规律也适用于其他天体或人造卫星的运动规律运动规律,某一人造卫星绕地球做匀速圆周运动某一人造卫星绕地球做匀速圆周运动,其轨道半径其轨道半径为月球绕地球轨道半径为月球绕地球轨道半径的的,若月球绕地球运行的周期为若月球绕地球运行的周期为27天天,则此卫星运行的周期大约是则此卫星运行的周期大约是()A.14天天B.48天天C.816天天D.1620天天答案答案:B随堂训练1.关于行星绕太阳运动的下列说法正确的是关于行星绕太阳运动的下列说法正确的是()A.所有行星都在同一椭
15、圆轨道上绕太阳运动所有行星都在同一椭圆轨道上绕太阳运动B.行星绕太阳运动时行星绕太阳运动时,太阳位于行星轨道的中心处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离太阳越近的行星运动周期越长D.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比值都相等答案答案:D解析解析:所有行星围绕太阳运动的轨道都是椭圆所有行星围绕太阳运动的轨道都是椭圆,且太阳处在所且太阳处在所有椭圆的一个焦点上。运动的周期有椭圆的一个焦点上。运动的周期T与半长轴与半长轴a满足满足=k,选选项项A、B、C错误错误,D正确。正确。2.某行星绕太阳运行的椭
16、圆轨道如图所示某行星绕太阳运行的椭圆轨道如图所示,F1和和F2是椭圆轨道是椭圆轨道的两个焦点的两个焦点,行星在行星在A点的速率比在点的速率比在B点的大点的大,则太阳是位于则太阳是位于()A.BB.F1C.AD.F2答案答案:B解析解析:根据开普勒第二定律根据开普勒第二定律,对任意一个行星来说对任意一个行星来说,它与太阳的它与太阳的连线在相等时间内扫过的面积相等。行星在近日点速率大于连线在相等时间内扫过的面积相等。行星在近日点速率大于在远日点速率在远日点速率,即即A为近日点为近日点,B为远日点为远日点,太阳位于太阳位于F1,选项选项B正正确。确。3.太阳系有八大行星太阳系有八大行星,八大行星离地球的远近不同八大行星离地球的远近不同,绕太阳运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转的周期也不相同。下列反映周期与轨道半径关系的图像正图像正确确的是的是()答案答案:D4.木星的公转周期约为木星的公转周期约为12年年,若把地球到太阳的距离作为若把地球到太阳的距离作为1天天文单位文单位,则木星到太阳的距离约为则木星到太阳的距离约为()A.2天文单位天文单位B.4天文单位天文单位C.
