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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6-1 6-1 行星的运动行星的运动行星的运动行星的运动太太阳阳系系示示意意图图地心说是长期盛行于古代欧洲的宇宙学说。它最初由古希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腊学者欧多克斯欧多克斯在公元前三世纪提出，后来经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。 由于地球的自转，我由于地球的自转，我们在地球上看到天上的星们在地球上看到天上的星星，感觉上都是绕地球运星，感觉上都是绕地球运动，太阳与月亮也一样，动，太阳与月亮也一样，这样人们就很容易得出，这样人们就很
2、容易得出，地球是宇宙的中心，太阳、地球是宇宙的中心，太阳、月亮及所有的星星都是绕月亮及所有的星星都是绕地球转动的。这就是地心地球转动的。这就是地心说。说。1 1、地心说、地心说(Geocentric (Geocentric UniverseUniverse) ) 托托 勒勒 密密地地心心说说 地球是宇宙的中心地球是宇宙的中心, ,并且静止不并且静止不动动, ,一切行星围绕地球做圆周运动一切行星围绕地球做圆周运动 随着天文观测随着天文观测不断进步，不断进步，“地心说地心说”暴露出许多问题。暴露出许多问题。逐渐被波兰天文学家逐渐被波兰天文学家哥白尼哥白尼(1473-1543)提提出的出的“日心说日
3、心说”所取所取代。代。 波兰天文学家哥波兰天文学家哥白尼经过白尼经过近四十年近四十年的的观测和计算，于观测和计算，于1543年出版了年出版了“天体运行天体运行论论”正式提出正式提出“日心日心说说”。 2 2、日心说、日心说(heliocentric theory)(heliocentric theory) 日日心心说说 太阳是宇宙的中心太阳是宇宙的中心, ,并且静止不动并且静止不动, ,一切行星都围绕太阳做圆周运动。一切行星都围绕太阳做圆周运动。哥白尼哥白尼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
4、测算的精确度上有多大的提高。近代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工作是由丹麦的早期最重要的观测工作是由丹麦的第谷（第谷（1546-1601）进行的。进行的。仙后座的新星爆发仙后座的新星爆发德国的物理学家开普勒继承和总结了他的导师德国的物理学家开普勒继承和总结了他的导师第谷的全部观测资料及观测数据，也是以行星第谷的全部观测资料及观测数据，也是以行星绕太阳做匀速圆周运动的模型来思考和计算的绕太阳做匀速圆周运动的模型来思考和计算的，因为不管是，因为不管是“地心说地心说”还是还是“日心说日心说”，都，都把天体运动看得很神圣，认为天体运动必然是把天体运动看得很神圣，认为天体
5、运动必然是最完美、最和谐的匀速圆周运动。但结果总是最完美、最和谐的匀速圆周运动。但结果总是与第谷的观测数据有与第谷的观测数据有88的角度误差的角度误差. .当时公认当时公认的第谷的观测误差不超过的第谷的观测误差不超过2,2,开普勒想，天体开普勒想，天体运动很可能不是匀速圆周运动运动很可能不是匀速圆周运动. .在这个大胆思在这个大胆思路下，开普勒又经过四年多的刻苦计算，先后路下，开普勒又经过四年多的刻苦计算，先后否定了否定了1919种设想，最后终于计算出行星是绕太种设想，最后终于计算出行星是绕太阳运动的，并且运动轨迹为椭圆，证明了哥白阳运动的，并且运动轨迹为椭圆，证明了哥白尼的尼的“日心说日心说
6、”是正确的是正确的. .并总结为行星运动并总结为行星运动三定律。三定律。开普勒开普勒的天文学观测的天文学观测开普勒开普勒开开普普勒勒第第一一定定律律 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3 3、开普勒三定律、开普勒三定律做一做做一做o焦点焦点焦点焦点半长轴半长轴a椭圆上某点到两个焦椭圆上某点到两个焦点的距离之和与椭圆点的距离之和与椭圆上另一点到两焦点的上另一点到两焦点的距离之和有什么关系距离之和有什么关系?保证椭圆的周长不变保证椭圆的周长不变,当椭圆的形状变圆时当椭圆的形状变圆时,两焦点两焦点间的距
7、离会如何变化间的距离会如何变化?半长轴半长轴a的长度呢的长度呢?开普勒开普勒开开普普勒勒第第二二定定律律 对于每一个行星而言，太阳和行星的对于每一个行星而言，太阳和行星的连线在相等的时间内扫过相等的面积连线在相等的时间内扫过相等的面积3 3、开普勒三定律、开普勒三定律开普勒第一定律（轨道定律）开普勒第一定律（轨道定律） 所有行星分别在大小不同的椭圆轨道上绕太阳所有行星分别在大小不同的椭圆轨道上绕太阳运动，太阳是在这些椭圆的其中一个焦点上。运动，太阳是在这些椭圆的其中一个焦点上。开普勒第二定律（面积定律）开普勒第二定律（面积定律） 太阳和行星的连线在相等的时间内扫过相等的太阳和行星的连线在相等的
8、时间内扫过相等的面积。即近日点速率最大，远日点速率最小。面积。即近日点速率最大，远日点速率最小。行星轨道行星轨道焦点焦点太阳太阳 开普勒自发表了第开普勒自发表了第一、二定律后，又过了一、二定律后，又过了十年，经过更加艰苦的十年，经过更加艰苦的努力，在数字的海洋里努力，在数字的海洋里提炼出了联系各行星轨提炼出了联系各行星轨道的第三定律。道的第三定律。 3 3、开普勒三定律、开普勒三定律k水=3.361018K金=3.351018K地=3.311018K火=3.361018a a3 3/T/T2 2=k=k开普勒第三定律（周期定律）开普勒第三定律（周期定律）开普勒第三定律（周期定律）开普勒第三定律
9、（周期定律） 开普勒定律的得出为牛顿发现开普勒定律的得出为牛顿发现开普勒定律的得出为牛顿发现开普勒定律的得出为牛顿发现万有万有万有万有引力定律引力定律引力定律引力定律打下了坚实的基础打下了坚实的基础打下了坚实的基础打下了坚实的基础开普勒第一定律（轨道定律）开普勒第一定律（轨道定律） 所有行星分别在大小不同的椭圆轨道上绕太阳所有行星分别在大小不同的椭圆轨道上绕太阳运动，太阳是在这些椭圆的其中一个焦点上。运动，太阳是在这些椭圆的其中一个焦点上。开普勒第二定律（面积定律）开普勒第二定律（面积定律） 太阳和行星的连线在相等的时间内扫过相等的太阳和行星的连线在相等的时间内扫过相等的面积。即近日点速率最大
10、，远日点速率最小。面积。即近日点速率最大，远日点速率最小。开普勒第三定律（周期定律）开普勒第三定律（周期定律） 所有行星的椭圆轨道的半长轴所有行星的椭圆轨道的半长轴的三次方与周期的平方成正比的三次方与周期的平方成正比。即有即有: a13：a23=T12：T22注意注意: k: k的大小与行星无关，的大小与行星无关，只与太只与太阳有关。阳有关。 或或: a3/T2=k短短短短轴轴轴轴长轴长轴长轴长轴3 3、开普勒三定律、开普勒三定律2、金星与地球都在绕太阳运转、金星与地球都在绕太阳运转,那么金星那么金星上的一天肯定比上的一天肯定比24小时短吗小时短吗?1、海王星离太阳、海王星离太阳“最远最远”，
11、绕太阳运动，绕太阳运动的公转周期最长，对吗？的公转周期最长，对吗？3、实际上，多数行星的轨道与圆十分接实际上，多数行星的轨道与圆十分接近，那么近，那么开普勒三定律开普勒三定律又当如何表述呢？又当如何表述呢？观察八大行星图后请思考观察八大行星图后请思考:行行 星星轨道半长轴轨道半长轴a(10a(106 6km)km)轨道半短轴轨道半短轴b(10b(106 6km)km)水星水星57.957.956.756.7金星金星108.2108.2108.1108.1地球地球149.6149.6149.5149.5火星火星227.9 227.9 226.9226.9木星木星778.3778.3777.477
12、7.4土星土星1427.01427.01424.81424.8八大行星轨道数据表1、多数行星绕太阳运动的轨道十分接近、多数行星绕太阳运动的轨道十分接近圆，太阳处在圆心；圆，太阳处在圆心；2、对某一行星来说，它绕太阳做圆周运动、对某一行星来说，它绕太阳做圆周运动的角速度（或线速度大小）不变，即行星的角速度（或线速度大小）不变，即行星做匀速圆周运动；做匀速圆周运动；3、所有行星轨道半径的三次方跟它的公、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。转周期的二次方的比值都相等。简化模型后的开普勒三定律开普勒三定律：1 1、开普勒第一定律（、开普勒第一定律（轨道定律轨道定律） 所有行星绕
13、太阳的运动的轨道都是椭圆，太阳所有行星绕太阳的运动的轨道都是椭圆，太阳处在椭圆的一个焦点上。处在椭圆的一个焦点上。2 2、开普勒第二定律（、开普勒第二定律（面积定律面积定律）对任意一个行星来说，它与太阳的连线在相等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相等的面积。的时间内扫过相等的面积。3 3、开普勒第三定律（、开普勒第三定律（周期定律周期定律） 所有行星的椭圆轨道的所有行星的椭圆轨道的半长轴半长轴的三的三次方跟次方跟公转周期公转周期的平方的比值都相等的平方的比值都相等 k k 的大小与行星无关，的大小与行星无关，的大小与行星无关，的大小与行星无关，只与太阳质量有关。只与太阳质量
14、有关。只与太阳质量有关。只与太阳质量有关。短短短短轴轴轴轴长轴长轴长轴长轴小结小结a1、关于行星绕太阳运动的下列说法中正确的是（、关于行星绕太阳运动的下列说法中正确的是（ ） A、所有行星都在同一椭圆轨道上绕太阳运动。、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。、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。、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、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。的二次方的比值都相等。D3 3、关于开普勒定律，下列说法正确的是（关于
15、开普勒定律，下列说法正确的是（ ）A.A.开普勒定律是根据长时间连续不断的、对行星位置开普勒定律是根据长时间连续不断的、对行星位置观测记录的大量数据，进行计算分析后获得的结论观测记录的大量数据，进行计算分析后获得的结论B.B.根据开普勒第二定律，行星在椭圆轨道上绕太阳运根据开普勒第二定律，行星在椭圆轨道上绕太阳运动的过程中，其速度随行星与太阳之间距离的变化动的过程中，其速度随行星与太阳之间距离的变化而变化，距离小时速度大，距离大时速度小而变化，距离小时速度大，距离大时速度小C.C.行星绕太阳运动的轨道，可以近似看做为圆，即可行星绕太阳运动的轨道，可以近似看做为圆，即可以认为行星绕太阳做匀速圆周
16、运动以认为行星绕太阳做匀速圆周运动D.D.开普勒定律，只适用于太阳系，对其他恒星系不适开普勒定律，只适用于太阳系，对其他恒星系不适用；行星的卫星（包括人造卫星）绕行星的运动，用；行星的卫星（包括人造卫星）绕行星的运动，是不遵循开普勒定律的是不遵循开普勒定律的ABC 3 3、地球绕太阳的运行轨道是椭圆，因而地球与太阳地球绕太阳的运行轨道是椭圆，因而地球与太阳之间的距离随季节变化。冬至这天地球离太阳最近之间的距离随季节变化。冬至这天地球离太阳最近，夏至最远。下列关于地球在这两天绕太阳公转速，夏至最远。下列关于地球在这两天绕太阳公转速度大小的说法中，正确的是度大小的说法中，正确的是 （ ）A A地球
17、公转速度是不变的地球公转速度是不变的B B冬至这天地球公转速度大冬至这天地球公转速度大C C夏至这天地球公转速度大夏至这天地球公转速度大D D无法确定无法确定 B4 4、关于行星的运动说法正确的是（、关于行星的运动说法正确的是（ ）A A、行星半长轴越长，自转周期越大、行星半长轴越长，自转周期越大B B、行星半长轴越长，公转周期越大、行星半长轴越长，公转周期越大C C、水星半长轴最短，公转周期最大、水星半长轴最短，公转周期最大D D、冥王星半长轴最长，公转周期最大、冥王星半长轴最长，公转周期最大BD5、行星绕恒星的运动轨道如果是圆形，那么运行周期、行星绕恒星的运动轨道如果是圆形，那么运行周期T
18、的平方与轨道半径的平方与轨道半径r的三次方的比为常数，设的三次方的比为常数，设T2/r3=k,则则常数常数k的大小的大小( ) A . 只与恒星的质量有关只与恒星的质量有关 B. 与恒星的质量及行星的的质量有关与恒星的质量及行星的的质量有关 C. 只与行星的质量有关只与行星的质量有关 D. 与恒星的质量及行星的的速度有关与恒星的质量及行星的的速度有关 小结：小结： R3/T2=k，无论是对于不同行星绕太阳转还是，无论是对于不同行星绕太阳转还是 对于不同卫星绕同一个行星转，都是合适的，对于不同卫星绕同一个行星转，都是合适的， 只是只是k值不同，值不同，k与行星或卫星无关，仅与中与行星或卫星无关，
19、仅与中 心天体有关。心天体有关。A6 6、已知木星绕太阳的公转周期是地球绕太阳、已知木星绕太阳的公转周期是地球绕太阳公转周期的公转周期的1212倍，则木星轨道半长轴是地球倍，则木星轨道半长轴是地球轨道半长轴的多少倍？轨道半长轴的多少倍？根据开普勒第三定律有根据开普勒第三定律有一、形似沙漏的五彩星一、形似沙漏的五彩星云云 这是一团距离地这是一团距离地球球3000光年的星云，光年的星云，学名为学名为Mz3。与其它。与其它星云有所不同的是：星云有所不同的是：该星云看上去就像是该星云看上去就像是一只一只“沙漏沙漏”，中间窄，中间窄，两头宽两头宽(平常发现的其平常发现的其它星云通常为圆形它星云通常为圆形
20、)。星云两头不时冒出泡星云两头不时冒出泡泡。这种现象令天文泡。这种现象令天文学家惊奇不已学家惊奇不已。 “最酷最炫最酷最炫”的太空图片的太空图片1二、让无数人倾倒的二、让无数人倾倒的狮子座流星雨狮子座流星雨11月显身的狮子月显身的狮子座流星雨让无数人为座流星雨让无数人为之倾倒。这次流星雨之倾倒。这次流星雨多而密，天文迷借此多而密，天文迷借此机会许完了整个世际机会许完了整个世际的心愿。的心愿。“最酷最炫最酷最炫”的太空图片的太空图片2三、绚烂、神秘的极三、绚烂、神秘的极光光由于太阳活动频由于太阳活动频繁，美国北部几个州繁，美国北部几个州的居民难得地见到了的居民难得地见到了平常只出现在南北极平常只
21、出现在南北极的美丽极光。极光绚的美丽极光。极光绚烂、神秘，那些希望烂、神秘，那些希望远离人类喧嚣的天文远离人类喧嚣的天文迷恨不得乘极光离开迷恨不得乘极光离开地球。地球。 “最酷最炫最酷最炫”的太空图片的太空图片3 四四 、 怒怒 气气 冲冲 冲冲 的的 太太 阳阳千千万万别别去去惹惹“太太阳阳公公公公”，他他烦烦着着呢呢。太太阳阳风风暴暴平平均均11年年爆爆发发一一次次，太太阳阳释释放放出出能能量量最最旺旺的的耀耀斑斑，太太阳阳风风暴暴图图片片的的确确很很美美，但但千千万万别别跑跑到到操操场场上上看看太太阳阳、找找耀耀斑斑，因因为为“太太阳阳公公公公”怒怒气气未未消消，他他灼灼热热的的“目目光
22、光”会会让你的眼睛很受伤。让你的眼睛很受伤。“最酷最炫最酷最炫”的太空图片的太空图片五、饱经风霜的五、饱经风霜的“爱神爱神”小小行星行星既然被取名为既然被取名为“Eros”，“爱神爱神”小行星在人们的小行星在人们的心中是一个漂亮、干净的心中是一个漂亮、干净的形象。但登陆形象。但登陆“爱神爱神”的的Shoemaker号探测器发回号探测器发回的照片却告诉我们，情况的照片却告诉我们，情况并非如此。照片显示，行并非如此。照片显示，行星表面布满了坑洞星表面布满了坑洞这这些坑洞是由火山爆发以及些坑洞是由火山爆发以及小行星相撞形成。小行星相撞形成。 “最酷最炫最酷最炫”的太空图片的太空图片六、火星上的日出美
23、景六、火星上的日出美景来看看日出美景。来看看日出美景。这可不是普通的日出景这可不是普通的日出景色，而是火星上的日出色，而是火星上的日出景色。天文艺术家利用景色。天文艺术家利用电脑软件和有关数据创电脑软件和有关数据创作了这幅图片，图中显作了这幅图片，图中显示的是示的是“火星大峡谷火星大峡谷”的的3D外形结构，有人认为外形结构，有人认为“火星大峡谷火星大峡谷”是由冰川是由冰川或水流腐蚀形成。或水流腐蚀形成。 “最酷最炫最酷最炫”的太空图片的太空图片七、并不那么明亮的七、并不那么明亮的慧星慧星今年九月，深空今年九月，深空一号探测器成功接近一号探测器成功接近这颗叫做这颗叫做“Borrelly”的彗星，
24、并拍得数十的彗星，并拍得数十张彗核图片。通过对张彗核图片。通过对照片的分析，天文学照片的分析，天文学家们初步得出结论：家们初步得出结论：慧星比人类想象中要慧星比人类想象中要暗淡得多，可能是太暗淡得多，可能是太阳系中最暗的星。阳系中最暗的星。“最酷最炫最酷最炫”的太空图片的太空图片八、让人看了做恶梦的八、让人看了做恶梦的“鬼头星鬼头星云云”该图是哈勃望远镜拍摄的该图是哈勃望远镜拍摄的“鬼头星云鬼头星云”照片。照片。NGC 2080是是“鬼头星云鬼头星云”的学术名，它位于的学术名，它位于剑鱼座剑鱼座30星云南方的一条恒星星云南方的一条恒星诞生区。诞生区。“鬼头星云鬼头星云”的颜色和的颜色和形状十分
25、怪异，就象形状十分怪异，就象“双目炯炯双目炯炯”的的“鬼头鬼头”。天文学家认为，从。天文学家认为，从“鬼头鬼头”中散发出来的红光和蓝中散发出来的红光和蓝光其实是邻近的恒星对氢气加光其实是邻近的恒星对氢气加热而形成，绿光来自灼热的氧热而形成，绿光来自灼热的氧气，中心的白色区域是三种颜气，中心的白色区域是三种颜色光的组合。两只色光的组合。两只“鬼眼鬼眼”是温是温度极高的氢气和氧气区。度极高的氢气和氧气区。“最酷最炫最酷最炫”的太空图片的太空图片九九、笼笼罩罩在在沙沙尘尘阴阴霾霾中中的的火火星星这这是是两两幅幅摄摄于于不不同同时时间间的的火火星星图图片片。左左边边的的一一幅幅摄摄于于今今年年七七月月
26、火火星星离离地地球球最最近近时时，当当时时火火星星正正对对着着太太阳阳，星星球球被被照照得得通通亮亮，山山脉脉沟沟壑壑清清晰晰可可见见；右右边边的的一一幅幅摄摄于于今今年年九九月月初初，那那时时，火火星星上上的的沙沙尘尘暴暴已已经经肆肆虐虐了了近近两两个个月月，整整个个火火星星笼笼罩罩在在一一片片沙沙尘尘阴阴霾霾之之中中。幸幸亏亏地地球球上上没没有有出出现现这样的沙尘暴！这样的沙尘暴！“最酷最炫最酷最炫”的太空图片的太空图片十、经历暴风雨的十、经历暴风雨的木星木星看这幅由木星探测看这幅由木星探测器发回地球的照片：器发回地球的照片：木星上正经历暴风木星上正经历暴风雨。在图片中，暴雨。在图片中，暴风雨地点被标以较风雨地点被标以较醒目的颜色；插入醒目的颜色；插入的黑白小图则表明的黑白小图则表明木星上还有闪电。木星上还有闪电。“最酷最炫最酷最炫”的太空图片的太空图片
