行星的运动上课用很实用

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1、第六章第六章 万有引力万有引力与航天与航天在这个世界上，有两样东西是令人思考和肃然起敬的：在这个世界上，有两样东西是令人思考和肃然起敬的：一是我们头顶灿烂的星空，二是我们心中神圣的道德。一是我们头顶灿烂的星空，二是我们心中神圣的道德。 康德康德一一 行星的运动行星的运动_学习目标学习目标 ：1、知道地心说和日心说的基本内容。、知道地心说和日心说的基本内容。 2、学习开普勒三大定律，能用三大定、学习开普勒三大定律，能用三大定 律解决问题。律解决问题。 3、了解人类对行星的认识过程是漫长、了解人类对行星的认识过程是漫长 复杂的，真是来之不易的。复杂的，真是来之不易的。 地球地球地心说地心说(Geo

2、centric Universe) 地球位于宇宙的中心。地球位于宇宙的中心。 太阳、月亮和行星都在一太阳、月亮和行星都在一些以地球为中心的同心球壳中运行。些以地球为中心的同心球壳中运行。 “地心说”又称“地球中心说”、“地静说”。认为地球居于宇宙的中心静止不动，太阳、月球、行星和恒星都围绕地球运转的学说。这一学说最初为古希腊哲学家亚里士多德（前384前322）提出。公元140年前后，天文学家托勒密进一步发展了前人的学说，建立了宇宙地心说。十六世纪“日心说”创立之前，一千多年中，“地心说”一直占统治地位，并长期为教会所利用，宣称恒星天上面是最高天，也就是天神的住所。 托勒密的天体模型之所以能够流

3、行千年，是有它的优点和历史原因的。它的主要特点是： 1 绕着某一中心的匀角速运动，符合当时占主导思想的柏拉图的假设，也适合于亚里士多德的物理学，易于被接受。 2 用几种圆周轨道不同的组合预言了行星的运动位置，与实际相差很小，相比以前的体系有所改进，还能解释行星的亮度变化。 3 地球不动的说法，对当时人们的生活是令人安慰的假设，也符合基督教信仰。 在当时的历史条件下，托勒密提出的行星体系学说，是具有进步意义的。首先，它肯定了大地是一个悬空着的没有支柱的球体。其次，从恒星天体上区分出行星和日月是离我们较近的一群天体，这是把太阳系从众星中识别出来的关键性一步。地心说地心说(Geocentric Un

4、iverse) 地心说是长期盛行于古代欧洲的宇宙学说。它最初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亚里士多德在公元前三世纪提出，后来经由古希腊学者亚里士多德在公元前三世纪提出，后来经托勒密（托勒密（90-168）进一步发展而逐渐建立和完善起来。）进一步发展而逐渐建立和完善起来。由地心说没有反映行星运动的本质，经不起长时间的观测检验，后来为哥白尼“日心说”所推翻。“ “地心说地心说地心说地心说” ”行星运行图行星运行图行星运行图行星运行图日心说日心说(Solarcentric Universe) 尼古拉哥白尼（Copernicus Nicholas），波兰一位伟大的天文学家。他

5、以惊人的天才和勇气揭开了宇宙的秘密，奠定了近代天文学的基础。哥白尼以毕生的精力去进行天文研究，创立了天体运行论这一“自然科学的独立宣言”。他的这些成就使他成为了人类科学发展历史上最伟大的革命家之一。 约在公元前约在公元前260260年，古希腊天文学家阿利斯塔克最早提年，古希腊天文学家阿利斯塔克最早提出了日心说的观点。但真正发展并完善日心说的，是来自出了日心说的观点。但真正发展并完善日心说的，是来自波兰的哥白尼（波兰的哥白尼（1473-15431473-1543）。）。“ “日心说日心说日心说日心说” ”行星运行图行星运行图行星运行图行星运行图“日日日日心心心心说说说说”认认认认为为为为，太太太

6、太阳阳阳阳不不不不动动动动，处处处处于于于于宇宇宇宇宙宙宙宙的的的的中中中中心心心心，地地地地球球球球和和和和其其其其它它它它行行行行星星星星公公公公转转转转还还还还同同同同时时时时自自自自转转转转。“日日日日心心心心说说说说”对对对对天天天天体体体体的的的的描描描描述述述述大大大大为为为为简简简简化化化化，同同同同时时时时打打打打破破破破了了了了过过过过去去去去认认认认为为为为其其其其它它它它天天天天体体体体和和和和地地地地球球球球截截截截然然然然有有有有别别别别的界限，是一项真正的科学革命。的界限，是一项真正的科学革命。的界限，是一项真正的科学革命。的界限，是一项真正的科学革命。 由于哥白

7、尼的学说由于哥白尼的学说“日心说日心说”和宗教的主张是相反的，触犯了基和宗教的主张是相反的，触犯了基督教的教义，遭到了教会的反对。他的著作更是被列为禁书。为宣传督教的教义，遭到了教会的反对。他的著作更是被列为禁书。为宣传和捍卫这个学说，意大利学者布鲁诺被宗教裁判所活活烧死；伽利略和捍卫这个学说，意大利学者布鲁诺被宗教裁判所活活烧死；伽利略受到残酷的迫害，但真理是封锁不住的，哥白尼的学说后来得到了许受到残酷的迫害，但真理是封锁不住的，哥白尼的学说后来得到了许多科学家的继承和发展。多科学家的继承和发展。18821882年，罗马教皇不得不承认哥白尼的学说年，罗马教皇不得不承认哥白尼的学说是正确的。这

8、一光辉学说经过三个世纪的艰苦斗争，终于获得完全胜是正确的。这一光辉学说经过三个世纪的艰苦斗争，终于获得完全胜利并为社会所承认。后人把历史上这桩勇敢的壮举形容为：利并为社会所承认。后人把历史上这桩勇敢的壮举形容为：“哥白尼拦住了太阳，推动了地球。哥白尼拦住了太阳，推动了地球。”哥白尼天体运行论基本观点天体运行论基本观点1、不存在一个所有天体轨道或天体的共同的中心。、不存在一个所有天体轨道或天体的共同的中心。2、地球只是引力中心和月球轨道的中心，并不是宇宙的中心。、地球只是引力中心和月球轨道的中心，并不是宇宙的中心。 3、所有天体都绕太阳运转，宇宙的中心在太阳附近。、所有天体都绕太阳运转，宇宙的中

9、心在太阳附近。4、日地距离同天穹高度之比，就如同地球半径同日地距离之比一样、日地距离同天穹高度之比，就如同地球半径同日地距离之比一样渺小。地球到太阳的距离同天穹高度之比是微不足道的。渺小。地球到太阳的距离同天穹高度之比是微不足道的。5、在天空中看到的任何运动，都是地球运动引起的。、在天空中看到的任何运动，都是地球运动引起的。6、在空中看到的太阳运动的一切现象，都不是它本身运动产生的，、在空中看到的太阳运动的一切现象，都不是它本身运动产生的，而是地球运动引起的。地球带着大气层而是地球运动引起的。地球带着大气层,象其他行星一样围绕太阳旋象其他行星一样围绕太阳旋转。由此可见，地球同时进行几种运动。转

10、。由此可见，地球同时进行几种运动。7、人们看到的行星向前和向后运动，是由于地球运动引起的。地球、人们看到的行星向前和向后运动，是由于地球运动引起的。地球的运动足以解释人们在空中见到的各种现象了。的运动足以解释人们在空中见到的各种现象了。第谷的天文学观测第谷的天文学观测 哥白尼的宇宙体系动摇了基督教宇宙体系的根基，但它并没哥白尼的宇宙体系动摇了基督教宇宙体系的根基，但它并没有在天文测算的精确度上有多大的提高。近代早期最重要的观测有在天文测算的精确度上有多大的提高。近代早期最重要的观测工作是由丹麦的第谷（工作是由丹麦的第谷（1546-1601）进行的。）进行的。 第谷是卓越的天文仪器制造家，曾制造

11、过许多大型、精密的天文仪器。赤道式装置在欧洲的流行是与他的工作分不开的。他多年精心观测得到的资料，为开普勒发现行星运动三定律奠定了基础 。 开普勒（1571-1630）是继哥白尼之后第一个站出来捍卫太阳中心说、并在天文学方面有突破性成就的人物，被后世的科学史家称为“天空的立法者”。 开普勒出身贫寒，开普勒出身贫寒，4岁时患天花损坏岁时患天花损坏了视力，一只手落下残疾。他在用圆周运了视力，一只手落下残疾。他在用圆周运动模型对火星轨道的研究中，七十余次尝动模型对火星轨道的研究中，七十余次尝试所得的结果都与第谷的观测数据有至少试所得的结果都与第谷的观测数据有至少8 的角度偏差。开普勒对第谷数据的精确

12、的角度偏差。开普勒对第谷数据的精确性深信不疑，猜想行星的运动并非匀速圆性深信不疑，猜想行星的运动并非匀速圆周运动。人们长期以来视为真理的观念第周运动。人们长期以来视为真理的观念第一次受到了怀疑。此后，他经过多年的尝一次受到了怀疑。此后，他经过多年的尝试性计算，终于发现并先后发表了行星运试性计算，终于发现并先后发表了行星运动的三个定律。他也获得了动的三个定律。他也获得了“天空立法者天空立法者”的光荣称号。的光荣称号。开普勒开普勒-天空立法者天空立法者第第第第 谷（丹麦）谷（丹麦）谷（丹麦）谷（丹麦）开普勒（德国）开普勒（德国）开普勒（德国）开普勒（德国）四年多的刻苦计算四年多的刻苦计算二十年的精

13、心观测二十年的精心观测否定否定1919种假设种假设 行星轨道为椭圆行星轨道为椭圆若是匀速圆若是匀速圆周运动周运动怎么回事怎么回事呢呢8分的误差分的误差 所有的行星围绕太阳运动的轨道都是所有的行星围绕太阳运动的轨道都是所有的行星围绕太阳运动的轨道都是所有的行星围绕太阳运动的轨道都是椭圆，太阳处在所有椭圆的一个焦点上。椭圆，太阳处在所有椭圆的一个焦点上。椭圆，太阳处在所有椭圆的一个焦点上。椭圆，太阳处在所有椭圆的一个焦点上。 a aF FF F地球地球地球地球太阳太阳太阳太阳开普勒第一定律开普勒第一定律开普勒第一定律开普勒第一定律( ( ( (轨道定律轨道定律轨道定律轨道定律) ) ) ) 开普勒

14、行星运行三定律开普勒行星运行三定律开普勒第二定律开普勒第二定律开普勒第二定律开普勒第二定律( (面积定律面积定律面积定律面积定律) ) 对于每一个行星而言，太阳和行星的对于每一个行星而言，太阳和行星的对于每一个行星而言，太阳和行星的对于每一个行星而言，太阳和行星的连线在相等的时间内扫过相同的面积。连线在相等的时间内扫过相同的面积。连线在相等的时间内扫过相同的面积。连线在相等的时间内扫过相同的面积。离太阳近时速度快，离太阳近时速度快，离太阳近时速度快，离太阳近时速度快，离太阳远时速度慢。离太阳远时速度慢。离太阳远时速度慢。离太阳远时速度慢。开普勒第三定律开普勒第三定律开普勒第三定律开普勒第三定律

15、( (周期定律周期定律周期定律周期定律) ) 所有行星的轨道的半长轴的三次方跟所有行星的轨道的半长轴的三次方跟所有行星的轨道的半长轴的三次方跟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。公转周期的二次方的比值都相等。公转周期的二次方的比值都相等。公转周期的二次方的比值都相等。 比值比值比值比值k k k k是与行星无关而是与行星无关而是与行星无关而是与行星无关而只与太阳有关的恒量。只与太阳有关的恒量。只与太阳有关的恒量。只与太阳有关的恒量。【问题】：【问题】：第一定律说明了行星运动轨第一定律说明了行星运动轨 迹的形状，那不同的行星绕迹的形状，那不同的行星绕 大阳运行时椭圆轨道

16、相同吗大阳运行时椭圆轨道相同吗? 【牢记】：【牢记】：不同行星绕太阳运行的椭圆不同行星绕太阳运行的椭圆 轨道不一样，但这些轨道有轨道不一样，但这些轨道有 一个共同的焦点，即太阳所一个共同的焦点，即太阳所 处的位置。处的位置。 【问题】：【问题】：公式中公式中 的比例的比例 系数系数k可能与谁有关？可能与谁有关？ 【牢记】：【牢记】：k与中心天体与中心天体(太阳太阳)有关有关 太阳系九大行星绕太阳运动的情景 1、开普勒定律不仅适用于行星绕太阳运、开普勒定律不仅适用于行星绕太阳运 动，同时它适用于所有的天体运动。动，同时它适用于所有的天体运动。 只不过对于不同的中心天体，只不过对于不同的中心天体，

17、 中的中的 k值不一样。值不一样。扩展及注意扩展及注意 如金星绕太阳的如金星绕太阳的太阳的太阳的是一样的，因为它们的中心是一样的，因为它们的中心与地球绕太阳的与地球绕太阳的的，因为它们的中心天体不一样。的，因为它们的中心天体不一样。 与地球绕与地球绕天体一样，均是太阳。但月球绕地球天体一样，均是太阳。但月球绕地球运动的运动的是不一样是不一样近日点近日点远日点远日点补充知识补充知识因为地轴方向恒指向北极星方向，在近日点时，因为地轴方向恒指向北极星方向，在近日点时，太阳直射南回归线（冬至），在远日点时，太太阳直射南回归线（冬至），在远日点时，太阳直射北回归线（夏至）。在春分和秋分时候阳直射北回归线

18、（夏至）。在春分和秋分时候太阳直射赤道。所以春夏比秋冬时间长，但因太阳直射赤道。所以春夏比秋冬时间长，但因为地球轨道接近于圆，所以相差不了几天。为地球轨道接近于圆，所以相差不了几天。 例例例例1 1、第一次揭示行星运动规律的科学家是、第一次揭示行星运动规律的科学家是、第一次揭示行星运动规律的科学家是、第一次揭示行星运动规律的科学家是_，他是在他是在他是在他是在_的观测资料的基础上总结出来的。的观测资料的基础上总结出来的。的观测资料的基础上总结出来的。的观测资料的基础上总结出来的。 例例例例3 3、木星绕太阳运动的周期为地球绕太阳周期的、木星绕太阳运动的周期为地球绕太阳周期的、木星绕太阳运动的周

19、期为地球绕太阳周期的、木星绕太阳运动的周期为地球绕太阳周期的1212倍，那么，倍，那么，倍，那么，倍，那么， 木星绕太阳运动轨道的半长轴是地球绕太阳木星绕太阳运动轨道的半长轴是地球绕太阳木星绕太阳运动轨道的半长轴是地球绕太阳木星绕太阳运动轨道的半长轴是地球绕太阳运动轨道的半长轴的运动轨道的半长轴的运动轨道的半长轴的运动轨道的半长轴的 倍。倍。倍。倍。 例例例例2 2、开普勒行星运动三定律不仅适用于行星绕太阳、开普勒行星运动三定律不仅适用于行星绕太阳、开普勒行星运动三定律不仅适用于行星绕太阳、开普勒行星运动三定律不仅适用于行星绕太阳的运动，也适用于卫星绕地球的运动。如果一颗人造地的运动，也适用于

20、卫星绕地球的运动。如果一颗人造地的运动，也适用于卫星绕地球的运动。如果一颗人造地的运动，也适用于卫星绕地球的运动。如果一颗人造地球卫星沿椭圆轨道运动，它在离地球最近的位置（近地球卫星沿椭圆轨道运动，它在离地球最近的位置（近地球卫星沿椭圆轨道运动，它在离地球最近的位置（近地球卫星沿椭圆轨道运动，它在离地球最近的位置（近地点）和最远的位置（远地点），哪点的速度比较大？点）和最远的位置（远地点），哪点的速度比较大？点）和最远的位置（远地点），哪点的速度比较大？点）和最远的位置（远地点），哪点的速度比较大？ 答：答：答：答： 。开普勒开普勒第谷第谷近地点近地点 例例例例4 4、地球同步通讯卫星需要、地

21、球同步通讯卫星需要、地球同步通讯卫星需要、地球同步通讯卫星需要“ “静止静止静止静止” ”在赤道上在赤道上在赤道上在赤道上空的某一点，因此它的运行周期必须与地球自转周空的某一点，因此它的运行周期必须与地球自转周空的某一点，因此它的运行周期必须与地球自转周空的某一点，因此它的运行周期必须与地球自转周期相同。请估算：同步通讯卫星离地心的距离大约期相同。请估算：同步通讯卫星离地心的距离大约期相同。请估算：同步通讯卫星离地心的距离大约期相同。请估算：同步通讯卫星离地心的距离大约是月心离地心距离的几分之一？（提示：月球绕地是月心离地心距离的几分之一？（提示：月球绕地是月心离地心距离的几分之一？（提示：月

22、球绕地是月心离地心距离的几分之一？（提示：月球绕地球公转的周期大约是球公转的周期大约是球公转的周期大约是球公转的周期大约是2727天。）天。）天。）天。） 答：答：答：答： 。 例例例例5 5 5 5、飞船沿半径为、飞船沿半径为、飞船沿半径为、飞船沿半径为R R的圆周的圆周的圆周的圆周绕地球运动，其周期为绕地球运动，其周期为绕地球运动，其周期为绕地球运动，其周期为T T，如果，如果，如果，如果飞船要返回地面，飞船要返回地面，飞船要返回地面，飞船要返回地面， 可在轨道上可在轨道上可在轨道上可在轨道上的某点的某点的某点的某点A A处，将速率减小到适当处，将速率减小到适当处，将速率减小到适当处，将速

23、率减小到适当数值，数值，数值，数值， 从而使飞船沿着以地心从而使飞船沿着以地心从而使飞船沿着以地心从而使飞船沿着以地心为焦点的椭圆轨道运动，为焦点的椭圆轨道运动，为焦点的椭圆轨道运动，为焦点的椭圆轨道运动， 椭圆椭圆椭圆椭圆和地球表面在和地球表面在和地球表面在和地球表面在B B点相切，如图所点相切，如图所点相切，如图所点相切，如图所示。示。示。示。 如果地球半径为如果地球半径为如果地球半径为如果地球半径为R R0 0 0 0，求飞，求飞，求飞，求飞船由船由船由船由A A点到点到点到点到B B点所需的时间。点所需的时间。点所需的时间。点所需的时间。 答：答：答：答： 。R0地 球R例例6 6：地

24、球公转一周为：地球公转一周为365365天，已知金星与太阳的平天，已知金星与太阳的平均距离是地球与太阳平均距离的均距离是地球与太阳平均距离的0.720.72倍，那么金星倍，那么金星公转一周需要多少年？公转一周需要多少年？开普勒三大定律的近似处理开普勒三大定律的近似处理 行星绕太阳运动轨道是圆，太阳处行星绕太阳运动轨道是圆，太阳处 在圆心上。在圆心上。 对某一行星来说，它绕太阳做圆周对某一行星来说，它绕太阳做圆周 运动的角速度（或线速度）不变，运动的角速度（或线速度）不变， 即行星做匀速圆周运动。即行星做匀速圆周运动。 所有行星的轨道半径的三次方跟它所有行星的轨道半径的三次方跟它 的公转周期的平方的比值都相等。的公转周期的平方的比值都相等。 k水=3.361018K金=3.351018K地=3.311018K火=3.361018亚里士多德提出地心说托勒密完善地心说开普勒发现了行星运动定律第谷测量了精确的数据哥白尼提出日心说