第七章 第一节 行星的运动-【创新教程】2025-2026学年高中物理必修第二册五维课堂教师用书word（人教版）

本讲义聚焦行星运动规律这一核心知识点，系统梳理地心说与日心说的主要内容及代表人物，深入解析开普勒三大定律（轨道为椭圆、相等时间扫过面积相等、半长轴三次方与周期二次方比值为常量），并阐述行星运动的近似处理方法（椭圆轨道近似为圆），构建从认识历程到规律应用的完整学习支架。 该资料以科学态度与责任为引领，通过地心说与日心说的发展展现人类认识自然的曲折性，结合探究导入（如地球四季速度、金星凌日周期问题）培养科学探究能力，借助典例赏析和针对训练强化科学思维（模型建构、科学推理）。课中辅助教师高效授课，课后助力学生回顾知识、强化练习，有效弥补学习盲点。

第一节　行星的运动 学 科 素 养 物理 观念 1.了解地心说与日心说的主要内容和代表人物． 2．理解开普勒行星运动定律，知道开普勒第三定律中k值的大小只与中心天体有关． 3．知道行星运动在中学阶段研究过程中的近似处理． 科学态 度与责 任　　 1.了解人类认识事物本质的曲折性并加深对行星运动的理解． 2．掌握人类认识自然规律的方法，感悟科学是人类进步不竭的动力. [知识梳理] 一、地心说和日心说　开普勒定律 1．地心说 (1)内容：　地球　是宇宙的中心，是静止不动的，太阳、月亮以及其他行星都绕地球运动． (2)代表人物：托勒密． 2．日心说 (1)内容：　太阳　是静止不动的，地球和其他行星都绕　太阳　运动． (2)代表人物：哥白尼． 3．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 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 公式：＝k，k是一个与行星　无关　的常量 二、行星运动的近似处理 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． [基础自测] 1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”) (1)宇宙的中心是太阳，所有行星都在绕太阳做匀速圆周运动． ( × ) (2)开普勒定律仅适用于行星绕太阳的运动．( × ) (3)所有行星绕太阳运转的周期都是相等的．( × ) (4)在中学阶段可认为地球围绕太阳做圆周运动． ( √ ) (5)行星的轨道半径和公转周期成正比．( × ) (6)公式＝k中的a可认为是行星的轨道半径．( √ ) 2．日心说的代表人物是(　　) A．托勒密　　　　　　　 B．哥白尼 C．布鲁诺 D．第谷 解析：B　[日心说的代表人物是哥白尼，布鲁诺是宣传日心说的代表人物．] 3．下述说法中正确的有(　　) A．一天24 h，太阳以地球为中心转动一周是公认的事实 B．由开普勒定律可知，各行星都分别在以太阳为圆心的各圆周上做匀速圆周运动 C．太阳系的八颗行星中，水星离太阳最近，由开普勒第三定律可知其运动周期最小 D．月球也是行星，它绕太阳一周需一个月的时间 解析：C　[地球以太阳为中心转动是公认的事实，故A错误；各行星都分别在以太阳为焦点，做椭圆运动，故B错误；由开普勒第三定律＝k可知：水星离太阳最近，则运动的周期最小，C正确；月球是地球的卫星，它绕地球一周需一个月的时间，故D错误．] 对开普勒行星运动定律的理解 ◆[探究导入] 1．如图所示是地球绕太阳公转及四季的示意图，由图可知地球在春分日、夏至日、秋分日和冬至日四天中哪一天绕太阳运动的速度最大？哪一天绕太阳运动的速度最小？ 提示：冬至日，夏至日．由图可知，冬至日地球在近日点附近，夏至日在远日点附近，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，夏至日地球绕太阳运动的速度最小． 2．如图所示是“金星凌日”的示意图，观察图中地球、金星的位置，地球和金星哪一个的公转周期更长？ 提示：地球．由题图可知，地球到太阳的距离大于金星到太阳的距离，根据开普勒第三定律可得，地球的公转周期更长一些． ◆[探究归纳] 定律 认识角度 理解 开普勒第 一定律 对空间分布的认识 各行星的椭圆轨道尽管大小不同，但太阳是所有轨道的一个共同焦点 不同行星的轨道是不同的，可能相差很大 开普勒第 二定律 对速度大小的认识 行星沿椭圆轨道运动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 三定律 对周期长短的认识 椭圆轨道半长轴越长的行星，其公转周期越长 该定律不仅适用于行星，也适用于其他天体 常数k只与其中心天体有关 ◆[典例赏析] [例1]　　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 B．行星绕太阳运动时，太阳位于行星轨道的中心处 C．行星在椭圆轨道上绕太阳运动的过程中，其速度与行星和太阳之间的距离有关，距离小时速度小，距离大时速度大 D．离太阳越近的行星运动周期越短 解析：D　[不同行星绕太阳运动时的椭圆轨道不同，但有一个共同的焦点，即太阳位置，A、B均错误；由开普勒第二定律知，行星离太阳距离小时速度大，距离大时速度小，C错误；运动的周期T与半长轴a满足＝k，D正确．] 开普勒行星运动定律的四点注意 (1)开普勒三定律是通过对行星运动的观察结果总结而得出的规律，它们都是经验定律． (2)开普勒行星运动定律是对行星绕太阳运动的总结，实践表明该定律也适用于其他天体的运动，如月球绕地球的运动，卫星(或人造卫星)绕行星的运动． (3)开普勒第二定律与第三定律的区别：前者揭示的是同一行星在距太阳不同距离时的运动快慢的规律，后者揭示的是不同行星运动快慢的规律． (4)绕同一中心天体运动的轨道分别为椭圆、圆的天体，k值相等，即＝＝k. ◆[针对训练] 1．某行星绕太阳运动的轨道如图所示，则以下说法不正确的是(　　) A．太阳一定在椭圆的一个焦点上 B．该行星在a点的速度比在b、c两点的速度都大 C．该行星在c点的速度比在a、b两点的速度都大 D．行星与太阳的连线在相等时间内扫过的面积是相等的 解析：C　[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，则A正确；每一个行星而言，太阳行星的连线在相同时间内扫过的面积相等，即近日点速度快，远日点速度慢，则B、D正确，C错误．] 2．(多选)关于卫星绕地球的运动，根据开普勒定律，我们可以推出的正确结论有(　　) A．人造地球卫星的轨道都是椭圆，地球在椭圆的一个焦点上 B．卫星绕地球运动的过程中，其速率与卫星到地心的距离有关，距离小时速率小 C．卫星离地球越远，周期越大 D．同一卫星绕不同的行星运动，的值都相同 解析：AC　[由开普勒第一定律知：所有地球卫星的轨道都是椭圆，且地球位于所有椭圆的公共焦点上，A正确；由开普勒第二定律知：卫星离地心的距离越小，速率越大，B项错误；由开普勒第三定律知：卫星离地球越远，周期越大，C正确；开普勒第三定律成立的条件是对同一行星的不同卫星有＝k，对于绕不同行星运动的卫星，常数k不同，D错误．] 开普勒第三定律的应用 ◆[探究导入] 如图所示是火星冲日的年份示意图，请思考 (1)观察图中地球、火星的位置，地球和火星谁的公转周期更长？ (2)已知地球的公转周期是一年，由此计算火星的公转周期还需要知道哪些数据？ (3)地球、火星的轨道可近似看成圆轨道，开普勒第三定律还适用吗？ 提示：(1)由题图可知，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得：火星的公转周期更长一些． (2)还需要知道地球、火星各自轨道的半长轴． (3)对于圆轨道，开普勒第三定律仍然适用，只是＝k中的半长轴a换成圆的轨道半径r. ◆[探究归纳] 1．适用范围：既适用于做椭圆运动的天体，也适用于做圆周运动的天体；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．用途 (1)求周期：两颗绕同一中心天体运动的行星或卫星，知道其中一颗的周期及它们的半长轴(或半径)，可求出另一颗的周期． (2)求半长轴：两颗绕同一中心天体运动的行星或卫星，知道其中一颗的半长轴(或半径)及它们的周期，可求出另一颗的半长轴(或半径)． 3．k值：表达式＝k中的常数k，只与中心天体的质量有关，如研究行星绕太阳运动时，常数k只与太阳的质量有关，研究卫星绕地球运动时，常数k只与地球的质量有关． ◆[典例赏析] [例2]　飞船沿半径为R的圆周绕地球运动，其周期为T.如果飞船要返回地面，可在轨道上某点A处，将速率降低到适当数值，从而使飞船沿着以地心为焦点的椭圆轨道运动，椭圆和地球表面在B点相切，如图所示．如果地球半径为R0，求飞船由A点运动到B点所需要的时间． [思路点拨]　分析该题的关键是： ①开普勒第三定律对圆轨道和椭圆轨道都适用． ②椭圆轨道的半长轴大小为. ③飞船由A点运动到B点的时间为其椭圆轨道周期的一半． [解析]　飞船沿椭圆轨道返回地面，由题图可知，飞船由A点到B点所需要的时间刚好是沿图中整个椭圆运动周期的一半，椭圆轨道的半长轴为，设飞船沿椭圆轨道运动的周期为T′ 根据开普勒第三定律有＝ 解得T′＝T＝ 所以飞船由A点到B点所需要的时间为 t＝＝. [答案]　 ●[一题多变] 上例中，飞船在半径为R的圆周轨道与椭圆轨道上运行时的周期之比为多少？ 提示：由＝k知，T∝. 则周期之比为＝. 应用开普勒第三定律的步骤 (1)判断两个行星的中心天体是否相同，只有对同一个中心天体开普勒第三定律才成立． (2)明确题中给出的周期关系或半径关系． (3)根据开普勒第三定律＝＝k列式求解． ◆[针对训练] 3．行星的运动可看作匀速圆周运动，则行星绕太阳运动的轨道半径R的三次方与周期T的平方的比值为常量，即＝k，下列说法正确的是(　　) A．公式＝k只适用于围绕太阳运行的行星 B．围绕同一星球运行的行星或卫星，k值不相等 C．k值与被环绕星球的质量和行星或卫星的质量都有关系 D．k值仅由被环绕星球的质量决定 解析：D　[公式＝k适用于所有环绕天体围绕中心天体的运动，故A错误；围绕同一星球运行的行星或卫星，k值相等；围绕不同星球运行的行星或卫星，k值不相等，故B错误；常数k是由中心天体质量决定的，即仅由被环绕星球的质量决定，故C错误，D正确．] 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.2006年，天文学家发现两颗冥王星的小卫星，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 解析：B　[据开普勒第三定律得：＝， T2＝天≈24.5天．] 课堂小结 知识脉络 1.开普勒第一定律指明行星绕太阳的轨道为椭圆轨道，而非圆轨道；第二定律可导出近日点速率大于远日点速率；第三定律指明了行星公转周期与半长轴间的定量关系． 2．近似处理时，可将行星绕太阳运动或卫星绕地球运动看作是匀速圆周运动，且对同一中心天体的行星或卫星，＝k中的k值均相同. [知识点一]　对开普勒定律的认识 1．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．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 解析：C　[太阳位于木星运行轨道的一个焦点上，A项错误；火星与木星轨道不同，在运行时速度不可能始终相等，B项错误；“在相等的时间内，行星与太阳连线扫过的面积相等”是对于同一颗行星而言的，不同的行星，则不具有可比性，D项错误；根据开普勒第三定律，对同一中心天体来说，行星公转半长轴的三次方与其公转周期的平方的比值为一定值，C项正确．] 2．关于行星运动的规律，下列说法符合史实的是(　　) A．开普勒在牛顿定律的基础上，导出了行星运动的规律 B．开普勒在天文观测数据的基础上，总结出了行星运动的规律 C．开普勒总结出了行星运动的规律，找出了行星按照这些规律运动的原因 D．开普勒总结出了行星运动的规律，发现了万有引力定律 解析：B　[开普勒在天文观测数据的基础上，总结出了行星运动的规律，故A错误，B正确；开普勒只是总结出了行星运动的规律，并没有找出行星按照这些规律运动的原因，C错误；牛顿在开普勒的行星运动规律的基础上，发现了万有引力定律，D错误．] 3. (多选)在天文学上，春分、夏至、秋分、冬至将一年分为春、夏、秋、冬四季．如图所示，从地球绕太阳的运动规律入手，下列判断正确的是(　　) A．在冬至日前后，地球绕太阳的运行速率较大 B．在夏至日前后，地球绕太阳的运行速率较大 C．春夏两季与秋冬两季时间相等 D．春夏两季比秋冬两季时间长 解析：AD　[冬至日前后，地球位于近日点附近，夏至日前后地球位于远日点附近，由开普勒第二定律可知近日点速率最大，选项A正确，B错误．春夏两季平均速率比秋冬两季平均速率小，又因所走路程基本相等，故春夏两季时间长．春夏两季一般在186天左右，而秋冬两季只有179天左右，选项C错误，D正确．] [知识点二]　开普勒定律的应用 4．关于开普勒第三定律＝k的理解，以下说法中正确的是(　　) A．该定律只适用于卫星绕行星的运动 B．若地球绕太阳运转的轨道的半长轴为R1，周期为T1，月球绕地球运转的轨道的半长轴为R2，周期为T2，则＝ C．k是一个与环绕天体无关的常量 D．T表示行星运动的自转周期 解析：C　[该定律除适用于卫星绕行星的运动，也适用于行星绕恒星的运动，故A错误；公式＝k中的k与中心天体质量有关，中心天体不同，k值不同，地球公转的中心天体是太阳，月球公转的中心天体是地球，k值是不一样的，故B错误；k是一个与环绕天体无关的常量，它与中心天体的质量有关，故C正确；T代表行星运动的公转周期，故D错误．] 5．(2018·全国卷Ⅲ)为了探测引力波，“天琴计划”预计发射地球卫星P，其轨道半径约为地球半径的16倍；另一地球卫星Q的轨道半径约为地球半径的4倍，P与Q的周期之比约为(　　) A．2∶1　　　　　　　 B．4∶1 C．8∶1 D．16∶1 解析：C　[由开普勒第三定律＝k得T＝， 所以＝＝＝，故C对，A、B、D错误．] 6．飞船围绕太阳在近似圆周的轨道上运动，若其轨道半径是地球轨道半径的9倍，则宇宙飞船绕太阳运行的周期是(　　) A．3年 B.9年 C．27年 D．81年 解析：C　[开普勒第三定律中的公式＝k，周期T＝，飞船围绕太阳在近似圆形的轨道上运动，若轨道半径是地球轨道半径的9倍，飞船绕太阳运行的周期是地球周期的27倍，即飞船绕太阳运行的周期是27年．故选C.] 7．天文学家观察哈雷彗星的周期为76年，离太阳最近的距离为8.9×1010 m，试根据开普勒第三定律计算哈雷彗星离太阳最远的距离．太阳系的开普勒常量k可取3.354×1018 m3/s2. 解析：彗星离太阳的最近距离和最远距离之和等于轨道半长轴的2倍，因此，只要求出轨道半长轴即可． 由开普勒第三定律知＝k，所以 a＝＝ m ≈2.68×1012 m. 彗星离太阳最远的距离为 2a－8.9×1010 m＝(2×2.68×1012－8.9×1010) m ≈5.27×1012 m. 答案：5.27×1012 m [合格考练] 1．关于日心说被人们所接受的原因，下列说法正确的是(　　) A．以地球为中心来研究天体的运动有很多无法解决的问题 B．以太阳为中心，许多问题都可以解决，行星运动的描述也变得简单了 C．地球是围绕太阳旋转的 D．太阳总是从东面升起，从西面落下 解析：B　[A说法是地心说受到挑战的原因，故A错误，B说法正确，C说法是地心说的重要内容，C说法错误，D说法是地心说的依据，D错误．] 2．(多选)下列说法中正确的是(　　) A．太阳系中的八大行星有一个共同的轨道焦点 B．太阳系中的八大行星的轨道有的是圆形，并不都是椭圆 C．行星的运动方向总是沿着轨道的切线方向 D．行星的运动方向总是与它和太阳的连线垂直 解析：AC　[太阳系中的八大行星绕太阳运动的轨道都是椭圆，而太阳位于八大行星椭圆轨道的一个公共焦点上，选项A正确．B错误；行星的运动是曲线运动，运动方向总是沿着轨道的切线方向，选项C正确；行星从近日点向远日点运动时．行星的运动方向和它与太阳连线的夹角大于90°，行星从远日点向近日点运动时，行星的运动方向和它与太阳连线的夹角小于90°，选项D错误．] 3．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(　　) 解析：D　[由＝k知r3＝kT2，D项正确．] 4．关于开普勒第二定律，正确的理解是(　　) A．行星绕太阳运动时，一定是匀速曲线运动 B．行星绕太阳运动时，它在近日点的线速度小于它在远日点的线速度 C．行星绕太阳运动时，由于角速度相等，故在近日点处的线速度小于它在远日点处的线速度 D．行星绕太阳运动时，由于它与太阳的连线在相等的时间内扫过的面积相等，故它在近日点的线速度大于它在远日点的线速度 解析：D　[根据开普勒第二定律可知选项D正确．] 5．关于开普勒对行星运动规律的认识，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 B．所有行星绕太阳运动的轨道都是圆 C．所有行星的轨道半长轴的二次方跟它的公转周期的三次方的比值都相同 D．所有行星的公转周期与行星的轨道半径都成正比 解析：A　[由开普勒第一定律知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，选项A正确，B错误；由开普勒第三定律知所有行星的轨道半长轴的三次方跟它的公转周期的二次方的比值都相等，选项C、D错误．] 6．(多选)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．彗星在近日点的角速度大于在远日点的角速度 C．彗星在近日点的向心加速度大于在远日点的向心加速度 D．若彗星周期为76年，则它的半长轴是地球公转半径的76倍 解析：ABC　[根据开普勒第二定律，为使相等时间内扫过的面积相等，则应保证近日点与远日点相比在相同时间内走过的弧长要大，因此在近日点彗星的线速度(即速率)、角速度都较大，选项A、B正确．而向心加速度a＝，在近日点，v大，R小，因此a大，选项C正确．根据开普勒第三定律＝k，则＝＝762，即r1＝r2，选项D错误．] [等级考练] 7．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点的大，则太阳是位于(　　) A．B　　 B．F1　　　 C．A　　 D．F2 解析：B　[根据开普勒第二定律，对任意一个行星来说，它与太阳的连线在相等时间内扫过相等的面积．行星在近日点速率大于在远日点速率，即A为近日点，B为远日点，太阳位于F1，故B正确．] 8．如图所示，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 解析：C　[由于r卫＝r月，T月＝27天，由开普勒第三定律＝，可得T卫＝1天，故选项C正确．] 9．两个质量分别是m1、m2的人造地球卫星，分别绕地球做匀速圆周运动，若它们的轨道半径分别是R1和R2，则它们的运行周期之比是多少？ 解析：所有人造卫星在绕地球运转时，都遵守开普勒第三定律．因此，对这两个卫星有＝，所以它们的运行周期之比＝. 答案： 10．一颗小行星，质量为m＝1.00×1021 kg，它的轨道半径是地球绕太阳运动的轨道半径的2.77倍，求它绕太阳运动一周所需要的时间． 解析：假设地球绕太阳运动的轨道半径为R0，则小行星绕太阳运动的轨道半径为R＝2.77 R0. 已知地球绕太阳运动的周期为T0＝365天，即T0＝31 536 000 s. 依据＝k可得：对地球绕太阳运动有：＝k 对小行星绕太阳运动有：＝k 联立上述两式解得：T＝·T0 将R＝2.77R0代入上式解得：T＝T0. 所以，该小行星绕太阳一周所用时间为： T＝T0＝1.45×108 s. 答案：1.45×108 s 学科网（北京）股份有限公司 $