7.1 行星的运动-2023-2024学年高一元创物理提前学+强基础（人教版2019必修第二册）

2023-2024学年 高一 元创物理 提前学 + 强基础 必修二第七章：万有引力与宇宙航行 第七章 万有引力与宇宙航行 1 行星的运动 核心目标 1. 了解人类对行星运动规律的认识历程，知道开普勒行星运动定律及其科学价值。 2. 知道行星绕太阳运动的原因，知道引力提供了行星绕太阳做匀速圆周运动的向心力。 【阅读+理解】----提前学知识要点 自远古以来，当人们仰望星空时，天空中壮丽璀璨的景象便吸引了他们的注意。智慧的头脑开始探索星体运动的奥秘。到了 17 世纪，牛顿以他伟大的工作把天空中的现象与地面上的现象统一起来，成功地解释了天体运行的规律。时至今日，上千颗人造地球卫星正在按照万有引力定律为它们 “设定”的轨道绕地球运转着。牛顿发现的万有引力定律取得了如此辉煌的成就，以至于阿波罗 8 号 从月球返航的途中，当地面控制中心问及“是谁在驾驶”的时候，宇航员回答：“我想现在是牛顿在驾驶。” 这一章我们将学习对人类智慧影响至为深远、在天体运动中起着决定性作用的万有引力定律，并了解它的发现历程和在人类开拓太空中的作用。 问题 不同行星都在各自的轨道上绕太阳运行，行星运行的轨道有怎样的特点？行星绕太阳运行的周期与距离太阳的远近是否存在某种关系？ 1. 开普勒定律 在古代，人们对于天体的运动存在着地心说和日心说两种对立的看法。地心说认为地球是宇宙的中心，是静止不动的，太阳、月球以及其他星体都绕地球运动。它符合人们的直接经验。日心说则认为太阳是静止不动的，地球和其他行星都绕太阳运动，似乎与人们的生活经验不相符合。经过长期论争，日心说战胜了地心说，最终被接受。无论地心说还是日心说，古人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。行星运动果真如此吗？ 德国天文学家开普勒用20年的时间研究了丹麦天文学家第谷的行星观测记录，发现如果假设行星的运动是匀速圆周运动，计算所得的数据与观测数据不符；只有假设行星绕太阳运动的轨道不是圆，而是椭圆，才能解释这种差别。他还发现了行星运动的其他规律。开普勒分别于 1609 年和 1619 年发表了他发现的下列规律，后人称为开普勒行星运动定律。 开普勒第一定律 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。 开普勒第一定律告诉我们：行星绕太阳运行的轨道严格来说不是圆而是椭圆；太阳不在椭圆的中心，而是在其中一个焦点上；行星与太阳间的距离是不断变化的。 做一做 绘制椭圆 可以用一条细绳和两只图钉来画椭圆。如图，把白纸铺在木板上，然后按上图钉。把细绳的两端系在图钉上，用一支铅笔紧贴着细绳滑动，使绳始终保持张紧状态。铅笔在纸上画出的轨迹就是椭圆，图钉在纸上留下的痕迹叫作椭圆的焦点。 保持绳长不变，当两焦点不断靠近时，椭圆形状如何变化？ 焦点重合时，半长轴转变为什么？ 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的面积相等（如图）。 开普勒第二定律告诉我们：当行星离太阳较近的时候，运行的速度较大，而离太阳较远的时候速度较小。 开普勒第三定律 所有行星轨道的半长轴的三次方跟它的公转周期的二次方的比都相等。 若用 a 代表椭圆轨道的半长轴，T 代表公转周期，开普勒第三定律告诉我们：＝k ，比值k是一个对所有行星都相同的常量。 实际上，行星的轨道与圆十分接近（如图），在中学阶段的研究中我们可按圆轨道处理。这样就可以说： 1.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 r 的三次方跟它的公转周期 T 的 二次方的比值都相等，即 ＝k。 科学漫步：人类对行星运动规律的认识 托勒密：地心宇宙 当我们远古的祖先惊叹星空的玄妙时，他们就开始试图破译日月星辰等天文现象的奥秘……那时，多数人都自然地认为，地球是静止不动的，太阳、月球和星星从头上飞过，地球是宇宙的中心。 我们的祖先发现，尽管所有星辰每日都要东升西落，但绝大多数星星的相互位置都几乎是固定的，几百年内不会发生肉眼可见的变化，它们是“恒星”。然而，水星、金星、火星、木星、 土星这五颗亮星则在众星的背景前移动，有的在几个星期中就能发现它的位置变化，所以它们叫作“行星”。 细心的观察表明，行星并非总向一个方向移动。大多数时间它相对于恒星由西向东移动， 但有时却要停下来，然后向西移动一段时间，随后又向东移动，这个现象叫作行星的逆行（如图）。 为了解释行星的逆行，古希腊人提出一个理论。这个理论认为每个行星都沿着圆运动，这个圆叫作 “本轮”，同时本轮的圆心又环绕着地球沿一个叫作“均轮”的大圆运动（如图 ）。这个理论在公元