第三章 第1节 天体运动（课件PPT）-【新课程学案】2025-2026学年高中物理必修第二册（教科版）

该高中物理课件聚焦开普勒行星运动定律，系统梳理人类对行星运动规律的认识历程，从地心说、日心说到开普勒三定律，通过任务驱动（如比较季节时间）和问题辨析搭建学习支架，帮助学生逐步理解行星轨道、运动快慢及周期规律。 其亮点在于以核心素养为引领，融合物理观念（轨道特点、周期规律）、科学思维（模型建构如椭圆近似为圆、推理论证）和科学态度与责任（中国古代天文成就）。通过高考真题、分层训练及跨教材素材（如粤教版讨论题），落实关键能力，学生能提升应用与探究能力，教师可高效开展素养导向教学。

第三章　万有引力定律 必修第二册 1 天体运动 第 1 节 核心素养导学 物理 观念 (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的内容，掌握行星运行的轨道特点和运动规律。 科学 思维 理解并能应用开普勒行星运动定律解答有关问题。 续表 科学态度 与责任 (1)认识到科学研究一般从最基本的观念开始，凭借对现象的观测、模型的构建以及模型与事实之间的偏差，不断修正原有的观念和模型，使其逐步接近真实，获得物理规律。 (2)知道科学包含大胆的想象和创新，尊重客观事实，坚持实事求是科学研究的基本态度和社会责任。 [四层]学习内容1 落实必备知识 [四层]学习内容2 强化关键能力 01 02 CONTENTS 目录 [四层]学习内容3 · 4 浸润学科素养和核心价值 课时跟踪检测 03 04 [四层]学习内容1 落实必备知识 一、地心说与日心说 1.地心说：_______位于宇宙的中心，是静止不动的，太阳、月球以及其他天体都绕_____转动。 2.日心说：_____是静止不动的，地球和其他行星都绕_____转动。 地球 太阳 太阳 地球 二、开普勒行星运动定律 定律 内容 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_____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_____ 焦点 面积 开普勒 第三定律 (1)行星轨道半长轴的三次方与公转_____的二次方的比是一个常量。(又称“周期定律”) (2)表达式：_____=k(用r代表椭圆轨道的半长轴，T代表公转周期) 二、开普勒行星运动定律 周期 1.如下图甲、乙分别表示行星运动的不同学说。 甲、乙各表示什么学说? 提示:甲表示地心说，乙表示日心说。 2.如图所示，为太阳系中八大行星绕太阳的运动示意图，请对以下结论作出判断： (1)太阳是行星运行轨道的中心，各行星绕太阳做匀速圆周运动。( ) (2)开普勒第三定律公式=k中的k值，对于所有行星(或卫星)都相等。( ) × × (3)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。( ) (4)开普勒总结出了行星运动的规律并找出了行星按照这些规律运动的原因。( ) √ × [四层]学习内容2 强化关键能力 新知学习(一)　对开普勒定律的理解 如图所示为地球绕太阳的运行轨道及对应的四个节气。 请根据曲线运动的特点比较秋冬两季和春夏两季对应的时间，哪两季更长一些。 任务驱动 提示：春夏两季对应时间更长。 开普勒第一定律 行星运动的轨道 重点释解 (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，而是在其中的一个焦点上，太阳的位置是所有行星轨道的一个共同焦点。 (3)行星与太阳间的距离是不断变化的。 2.开普勒第二定律 行星运动的快慢 (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。 (3)“从太阳到行星的连线在相等的时间内扫过相等的面积”是对同一颗行星来说的，不同的行星之间则无法比较。 3.开普勒第三定律 行星运动的周期 (1)公式：=k，k是一个对所有行星都相同的物理量，由中心天体太阳决定，与行星无关。 (2)椭圆轨道半长轴越长的行星，其公转周期越长；反之，则公转周期越短。 1.(多选)如图所示，对开普勒第一定律的理解， 下列说法中正确的是 (　　) A.在行星绕太阳运动一周的时间内，它离太阳的距离是不变的 B.在行星绕太阳运动一周的时间内，它离太阳的距离是变化的 C.某个行星绕太阳运动的轨道一定是在某一固定的平面内 D.某个行星绕太阳运动的轨道一定不在一个固定的平面内 针对训练 √ √ 解析：根据开普勒第一定律的内容可以判定：行星绕太阳运动的轨道是椭圆，有时远离太阳，有时靠近太阳，所以它离太阳的距离是变化的，选项A错误，B正确；行星围绕着太阳运动，运动的轨道都是椭圆，所以某个行星绕太阳运动的轨道一定是在某一固定的平面内，选项C正确，D错误。 2.关于行星运动的规律，下列说法符合史实的是 (　　) A.第谷总结出了行星按照椭圆轨道运行的规律 B.开普勒在牛顿运动定律的基础上，导出了行星运动的规律 C.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 D.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 √ 解析:开普勒在第谷观测数据的基础上，总结出了行星运动的规律，与牛顿运动定律无联系，选项A、B错误，C正确；开普勒总结出了行星运动的规律，但没有找出行星按照这些规律运动的原因，选项D错误。 3.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.轨道半长轴越短的行星运动周期越短 √ 解析: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与太阳之间距离小时速度大，距离大时速度小，C错误；运动的周期T与半长轴r满足=k，D正确。 新知学习(二)　开普勒定律的应用 1.行星运动的近似处理 重点释解 定律 近似处理方法 开普勒 第一定律 行星绕太阳运动的轨道十分接近圆，太阳处在圆心 开普勒 第二定律 对某一行星来说，它绕太阳做圆周运动的角速度(或线速度)大小不变，即行星做匀速圆周运动 开普勒 第三定律 所有行星的轨道半径r的三次方跟它的公转周期T的二次方的比值都相等，表达式为=k 2.开普勒第三定律的应用 (1)椭圆轨道——如彗星的运动 知道了彗星的周期，就可以由开普勒第三定律计算彗星轨道的半长轴长度。反之，知道了彗星轨道的半长轴也可以求出彗星的周期。 (2)近似圆轨道——如行星的运动 知道了行星到太阳的距离，就可以由开普勒第三定律计算或比较行星绕太阳运行的周期。反之，知道了行星的周期，也可以计算或比较其到太阳的距离。 [典例]　(2025·云南高考)国际编号为192391的小行星绕太阳公转的周期约为5.8年，该小行星与太阳系内八大行星几乎在同一平面内做圆周运动。规定地球绕太阳公转的轨道半径为1 AU，八大行星绕太阳的公转轨道半径如下表所示。忽略其他行星对该小行星的引力作用，则该小行星的公转轨道应介于 (　　) 典例体验 行星 水星 金星 地球 火星 木星 土星 天王星 海王星 轨道半径R/AU 0.39 0.72 1.0 1.5 5.2 9.5 19 30 A.金星与地球的公转轨道之间 B.地球与火星的公转轨道之间 C.火星与木星的公转轨道之间 D.天王星与海王星的公转轨道之间 √ [解析]　根据开普勒第三定律可知=，其中r地=1 AU，T地=1年，T行=5.8年，代入解得r行≈3.23 AU，可知该小行星的公转轨道应介于火星与木星的公转轨道之间。故选C。 /方法技巧/ 应用开普勒第三定律解题的步骤 (1)首先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列式求解。 1.如图是行星绕太阳运行的示意图，下列说法正确的是 (　　) A.速率最大点是B点 B.速率最小点是C点 C.行星从A点运动到B点做减速运动 D.行星从A点运动到B点做加速运动 针对训练 √ 解析:由开普勒第二定律知行星与太阳的连线在相等的时间内扫过的面积相等，A点为近日点，速率最大，B点为远日点，速率最小，故选项A、B错误；行星由A点到B点的过程中，离太阳的距离越来越远，所以行星的速率越来越小，故选项C正确，D错误。 2.(2025·攀枝花高一期末)“鹊桥二号”中继卫星由长征八号遥三运载火箭在海南文昌航天发射场成功发射，与“鹊桥”二号一同发射的还有两颗通信技术试验星“天都一号”“天都二号”，与“鹊桥二号”一起组成一个月球通信、导航和遥感网络。“鹊桥二号”“天都一号”“天都二号”绕月轨道近月点高度均为200 km，远月点高度分别为16 000 km、4 000 km、9 000 km。设“鹊桥二号”“天都一号”“天都二号”绕月飞行的周期分别为T1、T2、T3，则下列关系中正确的是 (　　) A.T1>T3>T2　　　　 B.T1>T2>T3 C.T3>T1>T2 D.T2>T1>T3 √ 解析:根据开普勒第三定律=k可知，半长轴a越大，周期T越大；“鹊桥二号”半长轴最大，周期最大，“天都一号”半长轴最短，周期最小，故T1>T3>T2。 [四层]学习内容3 · 4 浸润学科素养和核心价值 1.(选自粤教版教材“讨论与交流”)某行星在近日点到太阳的距离为a，在远日点到太阳的距离为b，过近日点时行星的速率为va，过远日点时的速率vb约为多少?(提示：计算足够短的时间内行星与太阳连线扫过的面积) ◉科学思维——开普勒第二定律的应用 一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养 提示：取极短时间Δt，由开普勒第二定律可知，太阳与行星的连线在Δt时间内扫过的面积相等，有：a·va·Δt=b·vb·Δt。解得：vb= va。 2.(选自粤教版教材“资料活页”)中国是世界上天文学起步最早、发展最快的国家之一，在世界天文学发展史上占据重要地位。我国古代天文学的成就主要包括三个方面：天象观测、仪器创制和历法编订。 在天象观测方面，我国有世界上最早最完整的天象记载，无论是对太阳、月亮、行星、彗星等天体，还是对日食、月食、太阳黑子、日珥、流星雨等罕见天象，都有着历史悠久而丰富的记载，且记录精确、描述详尽。这些记载至今仍有很高的科学价值。 ◉科学态度与责任——中国古代天文学的成就 在仪器创制方面，我国古代创造性地设计和制 造了许多精巧的观察和测量仪器。西周时期，天文 学家用圭表度量日影长度，确定冬至、夏至等一年 的二十四个节气，以指导农牧业生产。东汉的张衡(78—139)创制了利用流水作为动力的水运浑象(俗称“浑天仪”)。元代的郭守敬(1231—1316)先后创制和改进了十多种天文仪器，如简仪、高表和仰仪等。 在历法编订方面，我国古代历法不仅包括节气 的推算、每月日数的分配、月和闰月的安排等，还 包括日食、月食发生时刻的计算和预报、五大行星 位置的推算和预报等。1281年实施的《授时历》，采用365.242 5日作为一个回归年的长度。这个数值与现今世界上通用的公历值相同，比西方早了300年。 继承我国古代天文学者的科学精神，再创我国天文学的新辉煌，是我们应有的担当。 1.自古以来，当人们仰望星空时，天空中壮丽璀璨的景象便吸引了人们的注意，人类用智慧的头脑不断地探索星体运动的奥秘。下列对星体运动认识的叙述中符合现代认识观点的是 (　　) A.人们观测到太阳每天都要东升西落，这说明地球是静止不动的，是宇宙的中心 B.人们观测到行星绕太阳做圆周运动，这说明太阳是静止不动的，是宇宙的中心 二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值 C.人们认为天体的运动是神圣的，因此天体的运动是最完美、最和谐的匀速圆周运动 D.开普勒通过对第谷大量观测数据的深入研究，得出了行星绕太阳运动的轨道是椭圆的结论 √ 解析：在太阳系中，包括地球在内的所有的行星都绕太阳运转，故太阳是太阳系的中心，而在整个宇宙中，太阳也在不断绕着其他天体运转，故太阳不是宇宙的中心，A、B错误；开普勒通过对第谷大量观测数据的深入研究，得出了行星绕太阳运动的轨道是椭圆的结论，C错误，D正确。 2.著名科学家钱学森同志是我国发展“两弹一星” 的元勋功臣。1980年10月14日，中国科学院紫金山 天文台发现了一颗绕太阳运行的小行星，2001年12 月21日，经国际小行星中心和国际小行星命名委员会批准，这颗小行星被命名为“钱学森星”，以表彰这位“两弹一星”的功臣对我国科技事业做出的卓越贡献。若将地球和“钱学森星”绕太阳的运动都看成匀速圆周运动，它们的运行轨道如图所示。已知“钱学森星”绕太阳运行一周的时间约为3.4年，设地球绕太阳运行的轨道半径为R，则“钱学森星”绕太阳运行的轨道半径约为 (　　) A.R　　　　　　　　 B.R C.R D.R √ 解析：根据开普勒第三定律，有=，解得：R钱= R=R，故C正确。 课时跟踪检测 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1.下列关于丹麦天文学家第谷对行星运动进行观测所记录的数据的说法中正确的是 (　　) A.这些数据在测量记录时误差相当大 B.这些数据说明太阳绕地球运动 C.这些数据与以行星绕太阳做匀速圆周运动为模型得到的结果相吻合 D.这些数据与以行星绕太阳做椭圆运动为模型得到的结果相吻合 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 解析：开普勒根据第谷的观测数据整理得出行星运动定律，说明数据误差很小，这些数据说明地球绕太阳运动，且与以行星绕太阳做椭圆运动为模型得到的结果相吻合，故选D。 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 2.(多选)据报道，研究人员从美国国家航天局“开普勒”望远镜发现的1 235颗潜在类地行星中选出86颗(在太阳系中)，作为寻找外星生命踪迹的观测对象。关于这86颗可能栖息生命的类地行星的运动，以下说法正确的是 (　　) A.所有行星都绕太阳做匀速圆周运动 B.所有行星都绕太阳做椭圆运动，太阳处在运动轨道的一个焦点上 C.任一行星与太阳的连线在相等的时间内扫过的面积都相等 D.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等 √ √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 解析：根据开普勒第一定律可知，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焦点上，故A错误，B正确；根据开普勒第二定律可知，对每一个行星而言，它与太阳的连线在相等时间内扫过的面积相等，故C正确；根据开普勒第三定律可知，所有绕太阳运动的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，故D错误。 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 3.关于开普勒第二定律，下列说法正确的是 (　　) A.行星绕太阳运动时，一定做匀速圆周运动 B.行星绕太阳运动时，一定做匀变速曲线运动 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 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 解析:行星绕太阳运动的轨道是椭圆，故行星做变速曲线运动，但不是匀变速曲线运动，A、B错误；根据开普勒第二定律可知，行星在近日点时的线速度大于在远日点时的线速度，C错误，D正确。 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 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到b的运动时间tdb大于从b到d的时间tbd D.从a到b的时间tab> √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 解析：根据开普勒第二定律知，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=，则A、C错误，B正确；又因为从a到b行星与太阳的连线扫过的面积小于从b到c行星与太阳的连线扫过的面积，所以tab<，D错误。 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 5.一恒星系统中，行星a绕恒星做椭圆运动的公转周期是0.6年，行星b绕恒星做椭圆运动的公转周期是1.9年，根据所学知识比较两行星到恒星的最大距离的关系 (　　) A.行星a到恒星的最大距离较大 B.行星b到恒星的最大距离较大 C.行星a和行星b到恒星的最大距离一样 D.条件不足，无法比较 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 解析:要比较两行星到恒星的最大距离，即比较其椭圆轨道的半长轴的大小，根据开普勒第三定律=，可知ra<rb，b到恒星的最大距离较大，故选B。 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 6.太阳系有八大行星，八大行星离太阳的远近不同，绕太阳运转的周期也不相同。下列反映周期与轨道半径关系的图像中正确的是 (　　) √ 解析:由开普勒第三定律知=k，所以R3=kT2，D正确。 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 7.(2025·甘肃高考)如图所示，一小星球与某恒星中心距离为R时，小星球的速度大小为v、方向与两者中心连线垂直。恒星的质量为M，引力常量为G。下列说法正确的是 (　　) A.若v=，小星球做匀速圆周运动 B.若<v<，小星球做抛物线运动 C.若v=，小星球做椭圆运动 D.若v>，小星球可能与恒星相撞 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 解析：根据题意，若小星球做匀速圆周运动，由万有引力提供向心力有=m，解得v=，故A正确；若该恒星的半径为R，则该恒星的第一宇宙速度为v0=，由于第二宇宙速度是第一宇宙速度的倍，则该恒星的第二宇宙速度为v'=，可知若 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 <v<，万有引力不足以提供小星球做匀速圆周运动所需要的向心力，小星球做离心运动，但又不能脱离该恒星的引力范围，所以小星球做椭圆运动，故B错误；若v≥，相当于发射速度大于第二宇宙速度，小星球将脱离该恒星的引力束缚，小星球不会做椭圆运动，不可能与恒星相撞，故C、D错误。 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 8.(2025·雅安高一期末)如图所示，土卫一(M)和 土卫二(E)是土星(S)的两个卫星，土卫二绕土星的公 转半径约为土卫一公转半径的2倍，某一时刻两卫星在如图所示位置，且公转方向均为逆时针方向。则在土卫一公转一周的时间内，关于两卫星的位置关系，下列图像大致正确的是 (　　) 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 解析：由开普勒第三定律可知=，其中rE=2rM，解得TE=2TM，在土卫一公转一周的时间内，土卫二公转了=≈0.35圈。 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 9.(2025·巴中高一期中)如图所示是火星绕太阳公转的轨道示意图，由a到b和由c到d过程，火星与太阳连线扫过的面积均为S，则火星 (　　) A.由a到b过程速度先减小后增大 B.由c到d过程速度一直增大 C.由a到b所用的时间等于由c到d所用的时间 D.由a到b所用的时间大于由c到d所用的时间 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 解析：设火星在近日点的线速度为v1，与太阳间的距离为R1，远日点的线速度为v2，与太阳间的距离为R2，根据开普勒第二定律，设在极短时间Δt内，则有v1R1·Δt=v2R2·Δt，可知v1>v2，即近日点的线速度大于远日点的线速度，结合开普勒第二定律可知，火星从近日点向远日点运动的过程中，线速度在逐渐减小，从远日点向近日点运动的过程中，线速度逐渐增大，因此可知，火星由a到b过程速度先增大后减小，由c到d过程速度一直减小，故A、B错误；根据开普勒第二定律，行星与中心天 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 体的连线在相同时间内扫过的面积相等，根据题意可知，由a到b和由c到d过程，火星与太阳连线扫过的面积均为S，则由a到b所用的时间等于由c到d所用的时间，故C正确，D错误。 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 10.如图所示是“九星连珠”的示意图。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 (　　) A.1.2亿千米　　　　　　 B.2.3亿千米 C.4.6亿千米 D.6.9亿千米 √   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 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 解析：由表中数据知T地=1年，T火=1.88年，由=得，r火=≈2.3亿千米，故B正确。 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 11.(12分)近年来，我国航空航天科技发展迅猛，我国发射的某颗人造卫星，其近地点高度是h1=439 km，远地点高度是h2=2 384 km，则近地点处卫星的速率与远地点处卫星速率的比值是多少?(已知R地=6 400 km) 答案：1.28 解析：如图所示，近地点在B点，远地点 在P点，当时间Δt很小时，卫星和地球的连线 扫过的面积可按三角形面积进行计算，即、都可视为线段。 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 卫星在近地点的速度用v1表示，在远地点的速度用v2表示，由开普勒第二定律得SABCF=SMPNF， 即v1Δt(R地+h1)=v2Δt(R地+h2) 所以= 代入数据后得≈1.28。 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 12.(14分)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，请你根据开普勒行星运动第三定律(即=k，其中T为行星绕太阳公转的周期，r为轨道的半长轴)估算。它下次飞近地球是哪一年? 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 答案：2062年左右 解析：由=k，其中T为行星绕太阳公转的周期，r为轨道的半长轴，k是对太阳系中的任何行星都适用的常量。可以根据已知条件列方程求解。 将地球的公转轨道近似成圆形轨道，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：= 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 因为r2=18r1，地球公转周期为1年，所以可知哈雷彗星的周期为T2= ×T1≈76.4年 所以它下次飞近地球在2062年左右。 本课结束 更多精彩内容请登录：www.zghkt.cn $