第三章 1.天体运动-【金版新学案】2024-2025学年新教材高一物理必修第二册同步课堂高效讲义教师用书word（教科版2019）

1．天体运动 【素养目标】　1．了解人类对行星运动规律的认识历程，知道地心说和日心说。2．知道开普勒行星运动定律，掌握行星运行的轨道特点和运动规律。3．能用开普勒行星运动定律分析一些简单的行星运动问题。 知识点一　地心说与日心说　开普勒行星运动定律 [情境导学]　太阳每天都东升西落，这一现象是否说明太阳是绕着地球转的？为什么？ 提示：否。地球绕太阳公转，由于地球本身还存在自转，造成了太阳东升西落的现象。 (阅读教材P58－P60完成下列填空) 1．地心说：公元150年前后，古希腊学者托勒密构建了地心宇宙体系。他认为地球位于宇宙的中心，是静止不动的，其他天体围绕地球转动。 2．日心说：1543年，波兰天文学家哥白尼提出了日心说，认为地球和别的行星一样，围绕太阳运行，只有太阳固定在这个体系的中心。 3．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 开普勒第二定律 从太阳到行星的连线在相等的时间内扫过相等的面积 开普勒第三定律 行星轨道半长轴的三次方与公转周期的二次方的比是一个常量 公式：＝k，k是一个与行星无关的常量 [问题探究]　地球自转的同时绕太阳公转，从而造成四季变换，如图为地球绕太阳运动的示意图及北半球春分、夏至、秋分、冬至时地球所在的位置。 (1)太阳是否在轨道中心？夏至、冬至时地球到太阳的距离是否相等？ (2)地球在近日点速度大还是远日点速度大？ (3)为什么一年之内秋、冬两季比春、夏两季要少几天？ 提示：(1)地球绕太阳运动的轨道为椭圆，太阳不在轨道中心，而在轨道的焦点上。夏至、冬至时地球到太阳的距离不相等，夏至时地球离太阳远些。 (2)近日点速度大。 (3)地球在冬天要经过近日点，夏天要经过远日点，由开普勒第二定律可知，地球在冬天比在夏天运动得快一些，从题图可看出春分到秋分的春、夏两季地球与太阳连线所扫过的面积比秋分到次年春分的秋、冬两季地球与太阳连线所扫过的面积大，即一年之内秋、冬两季比春、夏两季要少几天。 (2023·重庆渝北高一期末)关于开普勒行星运动定律，下列说法正确的是(　　) A．所有行星绕太阳运动的轨道都是椭圆，太阳处在椭圆的中心 B．地球和太阳的连线与火星和太阳的连线在相等时间内扫过的面积相等 C．开普勒第三定律的表达式＝k中的T代表行星的自转周期 D．开普勒行星运动定律既适用于行星绕太阳的运动，也适用于卫星绕行星的运动 答案：D 解析：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，故A错误；根据开普勒第二定律可知，同一行星与太阳的连线在相等的时间内扫过相等的面积，但不同的行星扫过的面积不等，故B错误；开普勒第三定律的表达式＝k中的T代表行星的公转周期，故C错误；开普勒行星运动定律既适用于行星绕太阳的运动，也适用于卫星绕行星的运动，故D正确。 学生用书↓第58页 开普勒行星运动定律的理解 定律 描述角度 理解 开普勒第一定律 轨迹空间 (1)行星绕太阳运动的轨道严格来说不是圆而是椭圆，不同行星的轨道是不同的 (2)太阳不在椭圆的中心，在所有行星轨道的一个焦点上 开普勒第二定律 速度大小 (1)行星离太阳越近时，速度越大，在近日点速度最大；行星靠近太阳时速度增大 (2)行星离太阳越远时，速度越小，在远日点速度最小；行星远离太阳时速度减小 开普勒 第三定律 周期长短 (1)公式：＝k，k是一个对所有行星都相同的物理量，即k是与行星无关的常量 (2)椭圆轨道半长轴越长的行星，其公转周期越长 针对练1.对于开普勒行星运动定律的理解，下列说法中正确的是(　　) A．第谷进行了长期观测，记录了大量数据，通过对数据研究总结得出了行星运动定律 B．根据开普勒第一定律，行星围绕太阳运动的轨迹是圆，太阳处于圆心位置 C．根据开普勒第二定律，行星距离太阳越近，其运动速度越大；距离太阳越远，其运动速度越小 D．根据开普勒第三定律，行星围绕太阳运行的轨道半长轴跟它公转周期成正比 答案：C 解析：第谷进行了长期观测，记录了大量数据，开普勒通过对数据研究总结得出了行星运动定律，故选项A错误；根据开普勒第一定律可知，行星围绕太阳运动的轨迹是椭圆，太阳处于椭圆的一个焦点上，故选项B错误；根据开普勒第二定律可知，行星距离太阳越近，其运动速度越大，距离太阳越远，其运动速度越小，故选项C正确；根据开普勒第三定律可知，行星围绕太阳运行的轨道半长轴的三次方跟它公转周期的二次方成正比，故选项D错误。 针对练2.(2023·重庆长寿高一统考期末)关于开普勒对行星绕太阳运动的描述，下列说法正确的是(　　) A．所有的行星都在同一椭圆轨道上绕太阳运动 B．行星从近日点向远日点运动时，速率逐渐增大 C．行星绕太阳运动时，太阳处在椭圆的一个焦点上 D．离太阳越远的行星，公转周期越短 答案：C 解析：每个行星都在各自的椭圆轨道上绕太阳运动，故A错误；根据开普勒第二定律可知，行星在近日点的速率大于远日点的速率，所以行星从近日点向远日点运动时，速率逐渐减小，故B错误；根据开普勒第一定律可知，行星绕太阳运动时，太阳处在椭圆的一个焦点上，故C正确；根据开普勒第三定律＝k可知，离太阳越远的行星，公转周期越长，故D错误。故选C。 知识点二　开普勒行星运动定律的应用 [问题探究]　火星和地球绕太阳运转的轨道都是椭圆，太阳处在椭圆的一个焦点上，已知火星公转轨道的半长轴比地球的大。请思考： (1)地球和火星，谁的公转周期更长？ (2)根据地球的公转周期计算火星的公转周期，还需要知道什么数据？ 提示：(1)根据开普勒第三定律＝k可知，火星的轨道半长轴大，所以火星的公转周期长。 (2)根据＝k可知，要计算火星的公转周期，除了要知道地球的公转周期，还要知道地球和火星绕太阳公转的轨道半长轴。 角度一　开普勒第二定律的应用 (2023·广西桂林高一期中)某行星绕太阳运行的椭圆轨道如图所示，F1和F2是椭圆轨道的两个焦点，行星在A点的速率比在B点的速率大，则太阳是位于(　　) A．F2 B．A C．F1 D．B 答案：C 解析：根据开普勒第一定律可知，太阳在行星轨道的焦点上，根据开普勒第二定律可知，行星在近日点的速率较大，故F1处是太阳的位置，故A、B、D错误，C正确。 角度二　开普勒第三定律的应用 (多选)如图所示，海王星绕太阳沿椭圆轨道运动，P为近日点，Q为远日点，M、N为轨道短轴的两个端点，运行的周期为T0，若只考虑海王星和太阳之间的相互作用，则海王星在从P经过M、Q到N的运动过程中(　　) A．海王星运行轨道半长轴的三次方与其运行周期的平方之比等于月球绕地球运行轨道半长轴的三次方与其运行周期的平方之比 B．海王星在Q点的速率大于P点的速率 学生用书↓第59页 C．从P到M所用时间小于 D．从P到Q阶段，速率逐渐变小 答案：CD 解析：海王星运行围绕的中心天体是太阳，而月球运行围绕的中心天体是地球，中心天体不同，运行轨道半长轴的三次方与其运行周期的平方之比就不同，故A错误；Q点距太阳较P点更远，由开普勒第二定律知，海王星在Q点的速率小于P点的速率，故B错误；海王星在PM段的平均速率大于MQ段的平均速率，则PM段所用的时间小于MQ段所用的时间，所以海王星从P到M所用的时间小于，故C正确；由开普勒第二定律可知，海王星从近日点P到远日点Q阶段，速率逐渐变小，故D正确。 1．当比较一个行星在椭圆轨道不同位置的速度大小时，选用开普勒第二定律；当比较或计算两个行星的周期问题时，选用开普勒第三定律。 2．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我们也可以按圆轨道处理，且把行星绕太阳的运动看作是匀速圆周运动，这时椭圆轨道的半长轴取圆轨道的半径。 针对练1.(2023·湖南长沙联考)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．彗星在近日点的向心加速度小于在远日点的向心加速度 C．若彗星的运行周期为75年，则它的半长轴是地球公转半径的75倍 D．彗星在近日点的角速度小于在远日点的角速度 答案：A 解析：由开普勒第二定律可知，在相等时间内，太阳和运动着的行星的连线所扫过的面积是相等的，所以v近>v远、ω近>ω远，故A正确，D错误；由a＝可知，a近>a远，故B错误；由开普勒第三定律得＝，当T彗＝75T地时，r彗＝r地≠75r地，故C错误。 针对练2.(2023·四川成都高一校考期末)地球公转轨道的半长轴在天文学上常用来作为长度单位，叫作天文单位，用来量度太阳系内天体与太阳的距离(这只是个粗略的说法。在天文学中，“天文单位”有严格的定义，用符号AU表示)。已知火星公转轨道的半长轴是1.5 AU，则下列说法正确的是(　　) A．火星的公转周期为地球公转周期的倍 B．火星的公转周期为地球公转周期的倍 C．夏至时，地球处于远日点，公转线速度最大 D．夏至时，地球处于近日点，公转线速度最小 答案：A 解析：根据开普勒第三定律得＝，可知火星的公转周期与地球的公转周期之比为＝＝＝，故A正确，B错误；夏至时，地球处于远日点，根据开普勒第二定律可知，公转线速度最小，故C、D错误。 1．下列说法正确的是(　　) A．行星的运动和地球上物体的运动遵循不同的规律 B．物体在转弯时一定受到力的作用 C．月球绕地球运动时受到地球的引力和向心力的作用 D．物体沿光滑斜面下滑时受到重力、斜面的支持力和下滑力的作用 答案：B 解析：行星的运动和地球上物体的运动遵循同样的规律，A错误；物体在转弯时做的是曲线运动，根据物体做曲线运动的条件可知，一定受到力的作用，B正确；月球绕地球运动时受到地球的引力，此引力充当向心力，并不是受到地球的向心力，C错误；物体沿光滑斜面下滑时受到重力、斜面的支持力，并没有下滑力，D错误。 2．(粤教版教材P75T2改编)如图所示，地球沿椭圆形轨道绕太阳运动，所处四个位置分别对应北半球的四个节气。根据开普勒行星运动定律可以判定，地球绕太阳公转速度最小的节气是(　　) A．春分 B．夏至 C．秋分 D．冬至 答案：B 解析：根据开普勒第二定律可知，相同时间内行星与太阳的连线扫过的面积相等，夏至时地球与太阳的连线最长，所以速度最小，故选B。 3．(鲁科版教材P92T2)在太阳系中，火星和木星沿各自的椭圆轨道绕太阳运行。根据开普勒行星运动定律可知(　　) A．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C.火星与木星公转周期之比的平方等于它们轨道半长轴之比的立方 D．在相同时间内，火星与太阳连线扫过的面积等于木星与太阳连线扫过的面积 答案：C 解析：太阳位于木星运行轨道的焦点位置，选项A错误；根据开普勒第二定律可知，木星和火星绕太阳运行速度的大小不是始终相等，离太阳较近点速度较大，较远点速度较小，选项B错误；根据开普勒第三定律可知，木星与火星公转周期之比的平方等于它们轨道半长轴之比的立方，选项C正确；根据开普勒第二定律可知，相同时间内，火星与太阳连线扫过的面积相等，但是不等于木星与太阳连线扫过的面积，选项D错误。 4．如图所示，某行星绕太阳逆时针运动，轨道上有a、b、c、d四个对称点，若行星运动周期为T，则行星(　　) A．从b到d的时间tbd＝ B．从a到c的时间tac＝ C．从d经a到b的时间tdb大于从b经c到d的时间tbd D．从a到b的时间tab> 答案：B 解析：根据开普勒第二定律可知，在相等时间内，太阳和行星的连线所扫过的面积都是相等的，行星逆时针运动，从b到d行星与太阳的连线扫过的面积大于从d到b行星与太阳的连线扫过的面积，所以tbd>，tdb<，同理可知tac＝，tab<，则A、C、D错误，B正确。 课时测评12　天体运动 (时间：30分钟　满分：60分) (本栏目内容，在学生用书中以独立形式分册装订！) (选择题1－11题，每题4分，共44分) 1．(2022·广西桂林高一期中)关于开普勒第三定律，所有行星绕太阳运动，轨道半长轴的三次方与公转周期的平方的比值是个定值k，下列说法中正确的是(　　) A．k只与太阳有关，与行星本身无关 B．k只与行星本身有关，与太阳无关 C．k与行星本身和太阳均有关 D．k与行星本身和太阳均无关 答案：A 解析：根据开普勒第三定律可知，常量k只与太阳有关，而与行星本身无关，故选A。 2．(2023·温州高一检测)开普勒被誉为“天空的立法者”。关于开普勒行星运动定律，下列说法正确的是(　　) A．太阳系的行星绕太阳做匀速圆周运动 B．同一行星在绕太阳运动时，在近日点的速度小于在远日点的速度 C．绕太阳运行的多颗行星中，距离太阳越远的行星运行周期越大 D．地球在宇宙中的地位独特，太阳和其他行星都围绕着它做圆周运动 答案：C 解析：根据开普勒第一定律可知，太阳系的行星沿椭圆轨道绕太阳运动，故A、D错误；根据开普勒第二定律可知，行星在远日点速度小，在近日点速度大，故B错误；根据开普勒第三定律可知，离太阳越远，轨道半长轴越大，行星的公转周期越大，故C正确。 3．中国某科幻电影中，为了让地球逃离太阳系，人们在地球上建造特大功率发动机，使地球完成一系列变轨操作。地球在椭圆轨道Ⅰ上运行到远日点B变轨，进入椭圆轨道Ⅱ。在椭圆轨道Ⅱ上运行到B点……最终摆脱太阳束缚。对于该逃离过程，下列轨道示意图可能正确的是(　　) 答案：A 解析：根据开普勒第一定律可知，太阳在椭圆轨道的一个焦点上，由题意可知B点是椭圆轨道的远日点，地球在做离心运动，A正确，B、C、D错误。 4．长期以来“卡戎星(Charon)”被认为是冥王星唯一的卫星，它的公转轨道半径r1＝19 600 km，公转周期T1＝6.39天。后来，天文学家发现冥王星还有别的卫星，其中一颗的公转半径r2＝48 000 km，则它的公转周期T2最接近于(　　) A．15天 B．25天 C．35天 D．45天 答案：B 解析：根据开普勒第三定律，有＝，解得T2＝＝ 天≈24.5天，故B正确。 5．某人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动，其轨道半径为月球绕地球运转半径的，设月球绕地球运动的周期为27天，则此卫星的运转周期大约是(　　) A．天 B．天 C．1天 D．9天 答案：C 解析：由于r卫＝r月，T月＝27天，由开普勒第三定律有＝，解得T卫＝1天，故选项C正确。 6．(2022·四川仁寿高一期中)太阳系有八大行星，八大行星离地球的远近不同，绕太阳运转的周期也不相同。下列反映公转周期与行星轨道半长轴的关系图像中正确的是(　　) 答案：D 解析：根据开普勒第三定律＝k可知，r3＝kT2，故选D。 7．两颗人造卫星A、B绕地球做圆周运动，公转周期之比为TA∶TB＝1∶8，则轨道半径之比为(　　) A．4 B． C．2 D． 答案：B 解析：A、B两卫星都绕地球做圆周运动，则＝。又已知TA∶TB＝1∶8，解得＝，选项B正确。 8．(2023·郑州高一检测)如图所示，B为沿椭圆轨道绕地球运行的卫星，椭圆轨道的半长轴为a，运行周期为TB；C为沿圆轨道绕地球运动的卫星，圆轨道的半径为r，运行周期为TC。下列说法或关系式正确的是(　　) A．地球位于B卫星轨道的一个焦点上，位于C卫星轨道的圆心上 B．卫星B和卫星C运动的速度大小均不变 C．＝，该比值的大小与地球无关 D．＝，该比值的大小不仅与地球有关，还与太阳有关 答案：A 解析：由开普勒第一定律可知，地球位于B卫星轨道的一个焦点上，位于C卫星轨道的圆心上，A正确；由开普勒第二定律可知，B卫星绕地球运动时速度大小不断变化，C卫星绕地球做匀速圆周运动，B错误；由开普勒第三定律可知＝＝k，该比值的大小仅与地球有关，与太阳无关，则C、D错误。 9．某卫星运行轨道为如图所示的绕地球E运动的椭圆轨道，地球E位于椭圆的一个焦点上。轨道上标记了某卫星经过相等时间间隔Δt＝(T为卫星的公转周期)的位置。下列说法中正确的是(　　) A．面积S1>S2 B．卫星在轨道A点的速度小于B点的速度 C．T2＝Ca3，其中C为常数，a为椭圆半长轴 D．T2＝Cb3，其中C为常数，b为椭圆半短轴 答案：C 解析：根据开普勒第二定律可知S1＝S2，卫星在近地点A点的速度最大，故A、B错误；根据开普勒第三定律可知T2＝Ca3，其中C为常数，a为椭圆半长轴，故C正确，D错误。 10．如图所示，某行星沿椭圆轨道运行，远日点离太阳的距离为a，近日点离太阳的距离为b，过远日点时行星的速率为va，过近日点时的速率vb为(　　) A．vb＝va B．vb＝va C．vb＝va D．vb＝va 答案：C 解析：若行星从轨道的A点经足够短的时间t运动到A′点，则与太阳的连线扫过的面积可看作扇形，其面积SA＝。若行星从轨道的B点也经时间t运动到B′点，则与太阳的连线扫过的面积SB＝，根据开普勒第二定律得＝，即vb＝va，C正确。 11．“九星连珠”的示意图如图所示。若太阳系八大行星公转轨道可近似看作圆轨道，地球与太阳之间平均距离约为1.5亿千米，结合下表可知，火星与太阳之间的平均距离约为(　　) 行星 水星 金星 地球 火星 木星 土星 公转周期/年 0.241 0.615 1.0 1.88 11.86 29.5 A．1.2亿千米 B．2.3亿千米 C．4.6亿千米 D．6.9亿千米 答案：B 解析：由题表知T地＝1年，T火＝1.88年，由＝得r火＝≈2.3亿千米，故B正确。 12．(8分)月球绕地球运动的轨道半径约为地球半径的60倍，运行周期约为27天，应用开普勒第三定律计算：在赤道平面内离地面多高时，人造地球卫星可随地球一起转动，就像停留在天空中不动一样？(已知R地＝6.4×103 km) 答案：3.63×104 km 解析：人造卫星停在空中不动，即运行周期T＝1天，又＝，R地＝6.4×103 km，R月＝60R地，T月＝27天，T＝1天，可得该卫星距地面高度H＝R－R地≈3.63×104 km。 13．(8分)如图所示，地球的公转轨道接近圆，但彗星的运动轨道则是一个非常扁的椭圆，天文学家哈雷曾经在1682年跟踪过一颗彗星，他算出这颗彗星轨道的半长轴约等于地球轨道半径的18倍，并预言这颗彗星将每隔一定时间就会出现，哈雷的预言得到证实，该彗星被命名为哈雷彗星。哈雷彗星最近出现的时间是1986年，请你根据开普勒第三定律估算它下次飞近地球是哪一年？ 答案：2062年 解析：将地球的公转轨道近似看成圆形轨道，其周期为T1，半径为r1；哈雷彗星的周期为T2，轨道半长轴为r2，则根据开普勒第三定律有＝，因为r2＝18r1，T1＝1年，可知哈雷彗星的周期为T2＝×T1≈76.4年。所以它下次飞近地球是在2062年。 学生用书↓第60页 学科网（北京）股份有限公司 $$