2019-2020学年高中物理 第六章 万有引力与航天 1 行星的运动课件 新人教版必修2

06万有引力与航天第一节行星的运动目标导向知识与方法1.知道地心说与日心说．2．知道人类对行星运动的认识过程．3．了解开普勒三定律的内容．过程与方法结合对行星运动的分析，学习开普勒行星运动定律．在学习的过程中要注意充分发挥自己的想象力，发现问题，及时交流讨论．情感态度与价值观1.澄清对天体运动神秘、模糊的认识，掌握人类认识自然规律的科学方法．2．感悟科学是人类进步不竭的动力.自学导航1．两种对立的学说(1)地心说：__________是宇宙的中心，是静止不动的，太阳、月亮以及其他行星都绕__________运动．(2)日心说：__________是宇宙的中心，是静止不动的，地球和其他行星都绕__________运动．(3)局限性：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__________运动．但计算所得数据和丹麦天文学家__________的观测数据不符．2．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行星绕太阳运动的轨道都是____，太阳处在____的一个____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__________定律内容公式或图示开普勒第三定律所有行星的轨道的______的三次方跟它的________的二次方的比值都相等公式：________＝k，k是一个与行星______的常量，k与______质量有关．答案1．(1)地球地球(2)太阳太阳(3)匀速圆周第谷2．椭圆椭圆焦点相等的面积半长轴公转周期a3T2无关中心天体要点导析导析1地心说(1)代表人物：古希腊学者托勒密．(2)基本论点：①地球是宇宙的中心，是静止不动的．②太阳、月亮以及其他行星都绕地球运动．(3)特点：①符合当时人们的日常生活经验．②符合宗教神学的教义．(4)缺点：在描述天体运动上遇到了困难．导析2日心说(1)代表人物：波兰天文学家哥白尼．(2)基本论点：①宇宙的中心是太阳，所有的行星都在绕太阳做匀速圆周运动．②地球是绕太阳旋转的普通行星，月球是绕地球旋转的卫星，它绕地球做匀速圆周运动，同时还跟地球一起绕太阳运动．③天穹不转动，因为地球每天自西向东自转一周，造成天体每天东升西落的现象．(3)两大缺点：①把太阳当作宇宙的中心，实际上太阳仅是太阳系的中心天体，而不是宇宙的中心．太阳也在以2.46×108年的周期绕银河系的中心转动．②沿用了行星在圆形轨道上做匀速圆周运动的陈旧观念，实际上行星轨道是椭圆的，行星的运动也不是匀速的．导析3对开普勒三定律的理解图6—1—1(1)开普勒第一定律说明了不同行星绕太阳运动时的椭圆轨道是不同的，在行星的轨道上出现了近日点和远日点．(2)开普勒第二定律说明行星在近日点的速率大于在远日点的速率，从近日点向远日点运动时速率变小，从远日点向近日点运动时速率变大．(3)开普勒第三定律的表达式为a3T2＝k，它反映了行星的公转周期跟轨道半长轴之间的依赖关系．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．说明：①开普勒定律不仅适用于行星，也适用于卫星，只不过此时R3T2＝k′，比值k′是由行星的质量所决定的另一恒量，与卫星无关．②行星的轨道都跟圆近似，因此计算时可以认为行星是做匀速圆周运动．③研究天体运行时，太阳系中的八大行星及卫星运动的椭圆轨道的两个焦点相距很近，因此行星的椭圆轨道都很接近圆．在要求不太高时，可以认为行星以太阳为圆心做匀速圆周运动．方法导学思维导悟导悟1开普勒第一定律【例1】(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．行星的运动方向总是沿着轨道的切线方向C．行星的运动方向总是与它和太阳的连线垂直D．日心说的说法是正确的【解析】太阳系中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共同焦点上，A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°.当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°，B正确，C错．日心说虽然比地心说有进步，但太阳也并非静止，太阳是绕银河系中心运动的，D错．【答案】AB【点悟】本节中行星的运动轨道都是椭圆，是曲线运动，行星做曲线运动的原因也是因为行星受到的合力与速度方向不在同一直线上．所以，对于行星的运动我们同样可利用我们前面学过的动力学知识去分析解答．【变式训练1】(多选)如图6—1—2所示，对开普勒第一定律的理解，下列说法中正确的是()图6—1—2A．在行星绕太阳运动一周的时间内，它离太阳的距离是不变化的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．一个行星绕太阳运动的轨道一定是在某一固定的平面内D．一个行星绕太阳运动的轨道一定不在一个固定的平面内解析：根据开普勒第一定律(轨道定律)的内容：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．既然行星绕太阳运动的轨道是椭圆，所以它离太阳的距离是变化的，A错误，B正确；众行星围绕着太阳运动，由于受太阳的引力作用而被约束在一定的轨道上，C正确，D错误．答案：BC导悟2开普勒第二定律的应用【例2】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，则过近日点时的速率为()A．vb＝bavaB．vb＝abvaC．vb＝abvaD．vb＝bava【解析】如图6—1—3所示，A、B分别为远日点和近日点，由开普勒第二定律，太阳和行星的连线在相等的时间里扫过的面积相等，取足够短的时间Δt，则有：va·Δt·a＝vb·Δt·b，所以vb＝abva.图6—1—3【答案】C【点悟】行星在近日点时速率最大，在远日点时速率最小，行星从近日点到远日点的过程是减速过程．【变式训练2】关于开普勒行星运动规律，下列说法正确的是()A．太阳系中绝大部分行星的运动轨道都是椭圆，而极个别行星的运动轨道可能是圆B．只有行星绕太阳运动时的轨道才是椭圆的C．在任意相等时间内，地球跟太阳的连线扫过的面积都相等D．只适合于太阳系，不适应其他星系解析：根据开普勒第一定律可知，太阳系中行星运动轨道都是椭圆，A选项错误；天体运动中，并不是行星绕太阳的轨道才是椭圆，B选项错误；由开普勒第二定律可知，对同一行星而言，它与太阳的连线在相等的时间内扫过相等的面积，C选项正确；开普勒行星运动规律，也适应其他星系，D选项错误．答案：C导悟3开普勒第三定律【例3】有一个名叫谷神的小行星(质量为m＝1.00×1021kg)，它的轨道半径是地球绕太阳运动的轨道半径的2.77倍，则它绕太阳一周所需要的时间为()A．1年B．2.77年C．2.772年D．2.772.77年【解析】假设地球绕太阳运动的轨道半径为r0，则谷神绕太阳运动的轨道半径为r＝2.77r0.已知地球绕太阳运动的周期为T0＝1年．依据a3T2＝k可得r30T20＝r3T2，即T＝r3r30·T0将r＝2.77r0代入上式解得T＝2.773T0＝2.772.77年．【答案】D【点悟】本题考查对开普勒第三定律的理解和应用，明确k是与行星无关的一个常数，只与绕行对象有关．【变式训练3】据美联社报道，天文学家在太阳系的8大行星之外，又发现了一颗比地球小得多的新行星，而且还测得它绕太阳公转的周期约为288年，若把它和地球绕太阳公转的轨道都看作圆，问它与太阳的距离约为地球与太阳距离的多少倍(最后结果可用根式表示)．解析：设新行星与太阳距离为R，绕太阳公转周期为T.地球与太阳距离为R0，绕太阳公转周期为T0.由开普勒第三定律R3T2＝k，知R3R30＝T2T20.即RR0＝(TT0)23＝(2881)23＝32882.故新行星与太阳的距离约是地球与太阳距离的32882倍．答案：32882探究导引探究1利用开普勒第三定律求时间【例1】飞船沿半径为R的圆周绕地球运动，其周期为T，地球半径为R0，如果飞船要返回地面，可在轨道上某点A处将速率降到适当数值，从而使飞船沿着以地心为焦点的椭圆轨道运行，椭圆与地球表面在B点相切(如图6—1—4)，求飞船由A点到B点所需的时间．图6—1—4【解析】由图可以看出飞船由A到B的时间正好等于飞船做椭圆运动周期的一半，关键在于求飞船做椭圆运动的周期．由图可以知道飞船所做椭圆运动的轨道半长轴R′＝R＋R02.由开普勒第三定律，可知R3T2＝R′3T′2＝k(T′为飞船做椭圆运动的周期)，T′＝R′R32·T＝R＋R02R32·T.∴飞船从A点到B点所需的时间t＝T′2＝T2R＋R02R32.【答案】T2R＋R02R32【点悟】开普勒第三定律的运用相当灵活，在解决圆周运动时半长轴也就是圆周的半径，本节大多数的题型都与该定律联系，我们只有挖掘其内涵，才能熟练应用．探究2利用开普勒第三定律求距离【例2】理论证明开普勒第三定律不仅适用于行星绕太阳的运动，而且也适用于卫星绕行星的运动，只不过此时R3T2＝k′中的恒量k′与行星中的比例不一样．已知月球绕地球运转的半径为地球半径的60倍，运行周期为27天，应用开普勒定律计算，在地球赤道上空多高处的卫星可以随地球一起转动，就像是留在天空中不动一样．(已知地球半径为6.4×103km)【解析】根据题意我们知道所求解的卫星也就是常说的地球同步卫星，从而我们可以知道它的周期为1天，轨道的中心也即地心，我们只要计算出轨道的半径，即可求解．设月球和人造卫星的周期分别为T1，T2；轨道半径分别为R1，R2.由开普勒第三定律，可得R31T21＝R32T22，R2＝T2T123·R1.R2＝12723×60R地＝19×60×6.4×103km＝4.27×104km，卫星在地球赤道上方的高度h＝R2－R地＝3.63×104km.【答案】3.63×104km【点悟】对于所学的知识应该大胆地去推广应用，从使用中加以证明推广范围的正确．这样做到举一反三的效果，也就是创新．本题目的创新之处也就在于此，把适用于行星的开普勒第三定律推广到解决卫星问题中来．真题导思1．(2014年高考·浙江卷)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＝19600km，公转周期T1＝6.39天.2006年3月，天文学家新发现两颗冥王星的小卫星，其中一颗的公转轨道半径r2＝48000km，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：由开普勒第三定律r31T21＝r32T22可知T2＝6.3948000196003≈25天，或者本题用万有引力定律对“卡戎星”和小卫星分别列方程，联立方程组也可求解．答案：B2.(2018年高考·课标全国卷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∶1B．4∶1C．8∶1D．16∶1解析：由开普勒第三定律得r3T2＝k，故TPTQ＝RPRQ3＝1643＝81，C正确．答案：C课后习题答案内容分析本节是为巩固和理解开普勒行星运动定律服务的，通过计算与分析让学生感悟开普勒行星运动定律的物理意义．第1小题的目的，一是让学生了解天体之间距离之大；二是让学生了解天文学上的计量单位，比较“天文单位”与“光年”的区别；三是让学生了解利用地球的有关已知量可以计算其他行星的有关物理量．第4小题让学生经历一次哈雷彗星下次出现时间预测，教师要利用这个机会激发学生研究的兴趣．解答与说明1．行星绕太阳的运动按圆轨道处理，根据开普勒第三定律有r3地日T2地球公转＝r3火日T2火星公转，即T2火星公转＝r3火日r3地日×T2地球公转＝1.5313×3652.所以T火星公转＝1.53×365天≈671天．2．根据开普勒第二定律，卫星在近地点速度较大，在远地点速度较小．3．设通信卫星离地心的距离为r1、运行周期为T1，月心离地心的距离为r2，月球绕地球运行的周期为T2，根据开普勒