3.1 认识天体运动 课件 -2025-2026学年高一下学期物理粤教版必修第二册

第三章　万有引力定律 第一节　认识天体运动 学习目标 1.了解地心说和日心说.(物理观念) 2.理解开普勒定律.(物理观念) 3.能利用开普勒第三定律分析问题,理解公式 中k的决定因素.(科学思维) 基础落实·必备知识全过关 一、从地心说到日心说 1.地心说 地球是静止不动的,位于　　　　的中心,太阳、月亮以及其他行星都绕地球运动.以天文学家　　　　为代表人物.  2.日心说 太阳是　　　　的中心,地球和其他行星都围绕　　　　运动.由波兰天文学家　　　　提出.  宇宙 托勒密 宇宙 太阳 哥白尼 二、开普勒定律 定律 内容 公式或图示 开普勒第一定律 所有行星围绕太阳运动的轨道都是椭圆,太阳处在椭圆的一个 　　　　上  开普勒第二定律 　　　　　 同一个轨道 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  (vA>vC) 焦点 相等 定律 内容 公式或图示 开普勒第三定律 　　　　　不同的轨道 所有行星的轨道　　　　的三次方与它　　　 　的二次方之比都相等  公式: ,k是一个与行星无关的常量,取决于太阳的质量 半长轴 公转周期 情境链接 漆黑的夜空,繁星点点,那是广袤宇宙中一个个的天体.它们都是围绕地球运动的吗? 提示 不是. 教材拓展 开普勒是使用数学公式表达物理定律并获得成功的人之一.阅读教材第53~54页,还可以查阅相关文献,了解开普勒发现行星运动规律的过程,他的研究方法精髓是什么? 提示 精确的科学观测与严密的数学推理相结合. 易错辨析 (1)太阳系中所有行星的运动速率是不变的.(　　) (2)太阳系中轨道半径大的行星其运动周期也长.(　　) (3)行星绕太阳运动一周的时间内,它离太阳的距离是变化的.(　　) × 提示 行星近日点速率大,远日点速率小. √ √ 重难探究·能力素养全提升 探究点一　开普勒定律的理解 导学探究 地球绕太阳公转时的示意图如图所示,思考并探究下面的问题: 由图可知地球在春分日、夏至日、秋分日和冬至日四天中哪天绕太阳运动的速度最大? 提示 冬至日.由题图可知,冬至日地球在近日点附近,由开普勒第二定律可知,冬至日地球绕太阳运动的速度最大. 知识归纳 1.开普勒第一定律 (1)认识:开普勒第一定律告诉我们,尽管各行星的轨道大小不同,但它们的共同规律是所有行星都沿椭圆轨道绕太阳运动,太阳则位于所有椭圆的一个公共焦点上,开普勒第一定律又叫椭圆轨道定律,如图所示. (2)意义:建立了正确的轨道理论,给出了太阳准确的位置. 2.开普勒第二定律 (1)认识:行星靠近太阳时速度增大,远离太阳时速度减小.近日点速度最大,远日点速度最小,开普勒第二定律又叫面积定律,如图所示. (2)意义:描述了行星在其轨道上运行时,线速度大小不断变化的情况,并阐明了速度大小变化的数量关系. 3.开普勒第三定律 (1)认识:开普勒第三定律揭示了周期与轨道半长轴之间的关系,椭圆轨道半长轴越长的行星,其公转周期越大;反之,其公转周期越小.因此开普勒第三定律又叫周期定律,如图所示. (2)意义:比例常数k与行星无关,只与太阳有关,因此定律具有普遍性,即不同星系具有不同的常数,且常数是由中心天体决定的. 典例剖析 【例题1】 二十四节气代表着地球在公转轨道上的二十四个不同的位置.从天体物理学可知,地球沿椭圆轨道绕太阳运动,如图所示的四个位置分别对应我国的四个节气,以下关于地球的运行正确的说法是(　　) A.冬至时地球公转速度最小 B.从夏至到秋分的时间大于地球公转周期的四分之一 C.地球做匀速率椭圆轨道运动 D.地球绕太阳运行方向是顺时针方向 B 解析 因为地球在近日点最快,远日点最慢,冬至时地球在近日点,所以冬至时地球公转速度最大,故A错误;因为地球在近日点最快,远日点最慢,地球从夏至到秋分的时间大于地球公转的周期的四分之一,故B正确;地球绕太阳做椭圆轨道运动,不是匀速率,地球在近日点最快,远日点最慢,故C错误;由题图可知地球绕太阳运行方向(正对纸面)是逆时针方向,故D错误. 对点演练 1.有关开普勒定律,结合示意图,下列说法正确的是(　　) A.太阳既是火星轨道的焦点,又是地球轨道的焦点 B.地球靠近太阳的过程中,运行速度的大小不变 C.在相等时间内,火星和太阳的连线扫过的面积与 地球和太阳的连线扫过的面积相等 D.火星绕太阳运行一周的时间比地球绕太阳运行一周用的时间短 A 解析 根据开普勒第一定律可知,所有的行星围绕太阳运行的轨道都是椭圆,太阳处在所有椭圆的一个焦点上,故A正确;根据开普勒第二定律可知,对同一个行星而言,行星与太阳的连线在相同时间内扫过的面积相等,即行星在此椭圆轨道上运行的速度大小不断变化,离太阳越近速率越大,所以地球靠近太阳的过程中,运行速率将增大,故B、C错误;根据开普勒第三定律可知,所有行星的轨道的半长轴的三次方与它公转周期的二次方的比值都相等.由于火星轨道的半长轴比较大,所以火星绕太阳运行一周的时间比地球的长,故D错误. 探究点二　开普勒定律的计算应用 导学探究 火星冲日年份示意图如图所示,观察图中地球、火星的位置,思考地球和火星哪个公转周期更长. 提示 由图可知,地球到太阳的距离小于火星到太阳的距离,根据开普勒第三定律可知,火星的公转周期更长一些. 知识归纳 1.开普勒定律的适用范围 (1)既适用于做椭圆运动的天体,也适用于做圆周运动的天体. (2)既适用于绕太阳运动的天体,也适用于绕其他中心天体运动的天体. 2.近似处理:由于行星的椭圆轨道都跟圆近似,因此在近似计算中可以认为,行星都以太阳为圆心做匀速圆周运动. 典例剖析 B 角度1开普勒第三定律的计算问题 【例题2】 天问一号探测器成功发射,由长征五号遥四运载火箭直接送入地火转移轨道,与地球、火星共同绕太阳公转①,并逐渐远离地球,飞向火星,其运行轨道如图所示.若地球到太阳的平均距离为1 Au(天文单位)②,火星到太阳的平均距离为1.5 Au③,则天问一号在地火转移椭圆轨道上运行的周期约为(　　)  A.0.8年 B.1.4年 C.2.2年 D.2.6年 教你析题 教你破题 获取题干关键信息 构建物理模型:行星运动模型 读取题干 获取信息 ① 地球、火星具有相同的中心天体 ② 将椭圆轨道近似看成圆轨道,半径即椭圆的半长轴 ③ 火星轨道的半长轴 易错点拨　应用开普勒第三定律分析天体问题需注意:公式 ,对于同一中心天体的不同行星k的数值相同,对于不同的中心天体的行星k的数值不同. 对点演练 C 2.(2025广西阶段练习)哈雷彗星是约每76年环绕太阳一周的周期彗星,肉眼可见,哈雷彗星上一次回归在1986年,下一次回归将在2061年.如图所示,哈雷彗星和另一个行星A围绕太阳运动的轨道分别为椭圆和圆,若已知哈雷彗星的运动周期为T,其轨道长轴为2a,行星A的轨道半径为R,则行星A的运动周期为(　　) A.T B.T C.T D.T 解析 由开普勒第三定律可得,故行星A的运动周期为TA=T,故选C. 角度2开普勒第二定律的计算问题 【例题3】 某行星沿椭圆轨道运动,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,则过近日点时行星的速率为 (　　) D 解析 由开普勒第二定律可知,行星与太阳的连线在相等时间内扫过的面积相等,设行星在近日点和远日点都经过极短时间Δt,由扫过的面积相等得 方法技巧　如图所示,如果时间间隔相等,由开普勒第二定律可知,阴影部分面积相等.如果时间间隔足够小,由扇形面积公式 . 3.(多选)“天问一号”着陆火星前环绕火星运行的椭圆轨道如图所示,O点为火星所在位置,P点为近火点,Q点为远火点,MN为轨道的对称轴,已知OP=x、OQ=y,则“天问一号”(　　) A.由P到N的时间小于由N到Q的时间 B.由P经N到Q的时间小于由Q经M到P的时间 C.在M、P两点的速度大小相等 D.在P、Q两点的速度大小之比为y∶x 对点演练 AD 解析 由开普勒第二定律可知,“天问一号”离火星越近速度越大,越远速度越小,因此由P到N的时间小于由N到Q的时间,A正确;由对称性可知,由P经N到Q的时间等于由Q经M到P的时间,B错误;P点为近火点,M点到火星的距离大于P点到火星的距离,“天问一号”离火星越近速度越大,因此在M、P两点的速度大小不相等,C错误;由开普勒第二定律可得,整理解得vP∶vQ=y∶x,D正确. 学以致用·随堂检测全达标 1 2 3 1.(开普勒定律的理解)对于宇宙天体和开普勒定律的理解,下列说法正确的是(　　) A.太阳是宇宙的中心,处于静止状态,地球及其他行星都绕太阳运动 B.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 C.行星距离太阳越近,其运动速率越小 D.行星围绕太阳运动的轨道半径跟它公转周期成正比 B 1 2 3 解析 由开普勒第一定律可知,所有行星绕太阳做椭圆运动,太阳不是宇宙的中心,太阳围绕银河系中心旋转,故A错误;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B正确;根据开普勒第二定律,行星距离太阳越近,其运动速率越大,故C错误;根据开普勒第三定律,行星围绕太阳运动的轨道半径的三次方跟它公转周期的二次方成正比,故D错误. 1 2 3 2.(开普勒定律的理解)关于开普勒行星运动的公式 ,以下理解不正确的是(　　) A.k是一个与行星无关的常量 B.T表示行星运动的自转周期 C.T表示行星运动的公转周期 D.a是指半长轴,粗略计算时可以表示半径 B 解析 k是一个与行星无关的常量,只与中心天体(太阳)的质量有关,故A正确,不符合题意;T表示行星运动的公转周期,故B错误,符合题意,C正确,不符合题意;a是指半长轴,若椭圆轨道近似圆,粗略计算时可以表示半径,故D正确,不符合题意. 1 2 3 B 3.(开普勒定律的计算应用)(2025广东阶段练习)上海天文台将人工智能和大数据技术应用于小行星的观测,发现了五颗新的超短周期行星,它们的轨道周期都小于1天,其中编号为Kepler-879c的行星是迄今为止发现的最短周期行星.已知太阳半径为R,地心距日心215R,若Kepler-879c的轨道周期约为12小时,则结合所学知识,可估算其轨道半径约为(　　) A.1.5R B.2.7R C.3.7R D.4.5R 1 2 3 解析 由开普勒第三定律可知,可得Kepler-879c的轨道半径约为r=r地=×215R≈2.7R,故选B. =k =k 解析 “天问一号”做椭圆运动的半长轴为r天=(1 Au+1.5 Au)=1.25 Au,根据开普勒第三定律,可得,地球公转周期为T地=1年,解得T天≈1.4年,故选B. 选择规律:=k 列出关系式: =k A.va B.va C.va D.va ·b·vbΔt=·a·vaΔt,解得vb=va,故选D. S=lr可知, vPxΔt=vQyΔt =k $