7.1 行星的运动 课件-2024-2025学年高一下学期物理人教版（2019）必修第二册

第7章 万有引力与宇宙航行 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？ 7.1 行星的运动 新课导入 学习任务一 早期科学家对天体运动的研究 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欧多克斯在公元前三世纪提出，后来经托勒密（90-168）进一步发展而逐渐建立和完善起来。 由于地球的自转，我们在地球上看到天上的星星，感觉上都是绕地球运动，太阳与月亮也一样，这样人们就很容易得出，地球是宇宙的中心，太阳、月亮及所有的星星都是绕地球转动的。这就是地心说。 1、地心说(Geocentric Universe) 托 勒 密 地 心 说 地球是宇宙的中心,并且静止不动,一切行星围绕地球做圆周运动 随着天文观测不断进步，“地心说”暴露出许多问题。逐渐被波兰天文学家哥白尼(1473-1543)提出的“日心说”所取代。 波兰天文学家哥白尼经过近四十年的观测和计算，于1543年出版了“天体运行论”正式提出“日心说”。 2.日心说(heliocentric theory) 日 心 说 太阳是宇宙的中心,并且静止不动,一切行星都围绕太阳做圆周运动。 哥白尼 ■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（1546-1601）进行的。 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 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 ，因为不管是“地心说”还是“日心说”，都 把天体运动看得很神圣，认为天体运动必然是 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8′的角度误差.当时公认 的第谷的观测误差不超过2′,开普勒想，天体 运动很可能不是匀速圆周运动.在这个大胆思 路下，开普勒又经过四年多的刻苦计算，先后 否定了19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 尼的“日心说”是正确的.并总结为行星运动 三定律。 ■开普勒的天文学观测 [物理观念]西方对行星运动规律的认识历程中的关键节点. 学习任务一 例1 人类认识行星运动规律的曲折过程给我们的启示:从地心说的直接经验开始,到日心说的转变,不是简单的参考系的变化,而是人类思想的一次重大解放,从此人类的视野超越了地球,走向了宇宙.关于科学家和他们的贡献,下列说法中与物理学的发展史不相符的是(　) A.古希腊科学家托勒密提出了地心说,认为地球是静止不动的,太阳、月亮和星星从人类头顶飞过,地球是宇宙的中心 B.波兰天文学家哥白尼发表著作《天体运行论》,提出日心说,预示了地心宇宙论的终结 C.德国天文学家开普勒对他的导师第谷观测的行星数据进行了多年研究,得出了行星运动三大定律 D.波兰天文学家哥白尼提出了日心说,为此被烧死在罗马的鲜花广场,为科学付出了生命的代价 学习任务一 D [解析]哥白尼提出了日心说,但被烧死在罗马鲜花广场的科学家是布鲁诺,D错误. 学习任务一 代表学说 内容 局限性 地心说 地球是宇宙的中心,且是静止不动的,太阳、月亮以及其他行星都绕地球运动 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,但计算所得的数据和丹麦天文学家第谷的观测数据不符 日心说 太阳是宇宙的中心,且是静止不动的,地球和其他行星都绕太阳运动 开普勒第一定律 椭圆定律：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。 学习任务二 对开普勒第一、二定律的理解 学习任务二 1. 椭圆定律：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。 半长轴 a o 焦点1 半短轴 b 焦点2 （1）行星绕太阳运动的轨道不是圆，是椭圆; （2）太阳不在椭圆的中心，而是在其中一个焦点上; (3）行星与太阳的距离是不断变化的. 面积定律：对任意一个行星，它与太阳的连线在相等的时间内扫过的面积相等。 若经相同时间t，行星先后走过1-2的轨迹和3-4的轨迹，因为两块阴影部分的面积相等，故行星离太阳较近的时候（1-2）运行速度较大，而离太阳较远的时候（3-4）速度较小。 开普勒第二定律 学习任务二 对开普勒第一、二定律的理解 学习任务二 例2 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.太阳位于木星椭圆轨道的中心 B.火星和木星绕太阳运行速度的大小始终相等 C.太阳在火星与木星公转的椭圆轨道的同一个焦点上 D.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 学习任务二 C 学习任务二 [解析]太阳位于木星椭圆轨道的焦点上,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,在离太阳较近时速度较大,离太阳较远时速度较小,选项B错误; 根据开普勒第一定律可知,太阳相对所有的行星轨道的位置是不变的,太阳在所有行星的轨道的同一个焦点上,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. 1.行星绕太阳运动的轨道都是椭圆,但一般接近圆,为简化运算,一般把天体的运动当作匀速圆周运动来研究,椭圆的半长轴即为圆半径. 2.根据开普勒第二定律可知,行星在近日点时的速度最大,在远日点时的速度最小,所以行星从近日点到远日点的过程是减速过程,从远日点到近日点的过程是加速过程. 3.开普勒行星运动定律不仅适用于行星绕太阳的运动,也适用于卫星绕行星的运动,卫星绕月球的运动同样满足卫星和月球的连线在相等时间内扫过的面积相等. 学习任务二 周期定律：所有行星的轨道的半长轴的三次方跟它的公转周期的二次方的比值都相等。 （1）表达式： （2）a 代表椭圆轨道的半长轴， T 代表的公转周期； （3）k 是一个对所有行星都相同的常数 （k 的大小与行星无关，只与中心天体的 质量有关；若中心天体不同，则 k 不同）。 开普勒第三定律 学习任务三 开普勒第三定律的应用 学习任务三 （1）行星绕太阳运动的轨道十分接近圆， 太阳处在圆心； 近似处理方法： （2）行星做匀速圆周运动； （3）所有行星轨道半径 r 的三次方与它 公转周期 T 的二次方的比值都相等， 即 学习任务三 开普勒第三定律的应用 学习任务三 [物理建模] 备注：不同的环绕系统，k值不同,且仅与中心天体的质量有关。 中学里的近似处理 实际上，行星的轨道与圆十分接近（图 7.1-3），在中学阶段的研究中我们可按圆轨道处理。 [科学思维]图是太阳的八大行星示意图,观察图中地球、金星和海王星的位置,试分析: (1)　　　　离太阳最远,　　　　绕太阳运动的公转周期最长.(均选填“地球”“金星”或“海王星”)  (2)金星与地球都在绕太阳运转,那么金星公转周期比地球公转周期　　　　(选填“长”“短”或“相等”).  学习任务三 短 海王星 　海王星　 例3 [2023·南宁二中月考] 某行星和地球绕太阳公转的轨道均可视为圆.每过N年,该行星与地球的距离最近,如图所示.该行星与地球的公转半径之比为 (　) A. B. C. D. 学习任务三 [解析]由=k,可知轨道半径小的地球,周期小,转得快,地球要多转动一圈才能再次与行星的距离最近,但是它们运动的总时间相等.T地=1年,故地球N年转N圈,所以有 NT地=(N-1)T行,由开普勒第三定律可知,联立解得,选项B正确. B 1.开普第三定律是一个普适定律,不仅适用于太阳系,对具有中心天体的引力系统(如行星—卫星系统)都成立.即:围绕同一个中心天体运动的几个绕行天体,轨道半长轴的三次方与周期的平方的比值相等. 2.开普勒第三定律关系式=k中,k为与中心天体质量有关的常数,因此不同中心天体的绕行天体不满足该定律. 学习任务二 $$