【物理】人教版高一物理必修2第二学期第七单元 行星运动.pptx

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1、人教版高一物理必修2第二学期第七单元7.1行星的运动第七章万有引力与宇宙航行7.1行星的运动核心素养目标1、物理观念：物理观念：了解人类对行星运动规律的认识历程2、科学思维：科学思维：知道观察是研究行星运动规律的一种重要的方法3、科学探究：科学探究：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.4、科学态度与责任：科学态度与责任：通过了解人们认识行星运动的历史过程，体会科学研究的一般思路与方法质疑、批判、猜测、观察与实验教学目标教学重点：1.掌握开普勒三定律的内容及简单应用；学会处理行星运动的近似方法2.通过探究活动培养观察现象、分析结果及应用数学知识解决物理问题的能

2、力教学难点：通过了解人们认识行星运动的历史过程，体会科学研究的一般思路与方法质疑、批判、猜测、观察与实验情境导入任务探究一探究一：历史的足迹1、古人对天体运动存在哪些看法？2、什么是“地心说”，什么是“日心说”？3、哪种学说占统治地位的时间较长？4、两种学说争论的结果是什么？任务探究一1.古人对行星运动的探索天圆地方天圆地方远古远古140托勒密托勒密地心说地心说1543哥白尼哥白尼日心说日心说1546第谷第谷出生出生天才的观察家天才的观察家 第谷第谷布拉赫布拉赫 建立天文台，把天体位置测量的误差建立天文台，把天体位置测量的误差由由1010/减少到减少到2 2/。第第第第 谷（丹麦）谷（丹麦）谷

3、（丹麦）谷（丹麦）任务探究一1.古人对行星运动的探索天圆地方天圆地方远古远古140托勒密托勒密地心说地心说1543哥白尼哥白尼日心说日心说1546第谷第谷出生出生1600开普勒开普勒任第谷助手任第谷助手数学天才数学天才 开普勒（德国）开普勒（德国）利用第谷提供的观测数据对行星轨道深利用第谷提供的观测数据对行星轨道深入研究。入研究。任务探究一第第第第 谷（丹麦）谷（丹麦）谷（丹麦）谷（丹麦）开普勒（德国）开普勒（德国）开普勒（德国）开普勒（德国）毕生的精心观测记录毕生的精心观测记录 8的误差的误差 行星运动规律行星运动规律行星运动规律行星运动规律是匀速圆是匀速圆是匀速圆是匀速圆周运动周运动周运动

4、周运动?任务探究一1.古人对行星运动的探索天圆地方天圆地方远古远古140托勒密托勒密地心说地心说1543哥白尼哥白尼日心说日心说1546第谷第谷出生出生1600开普勒开普勒任第谷助手任第谷助手1609开普勒开普勒第一定律第一定律第二定律第二定律任务探究一关注：日心说(1)日心说提出的背景：在当时，哥伦布和麦哲伦的探险航行已经使不少人相信地球并不是一个平台，而是在当时，哥伦布和麦哲伦的探险航行已经使不少人相信地球并不是一个平台，而是一个球体。一个球体。(2)哥白尼的推测：是不是地球每天在围绕自己的轴线旋转一周是不是地球每天在围绕自己的轴线旋转一周(3)内容：他假设地球并不是宇宙他假设地球并不是宇

5、宙的中心，太阳是静止不动的，地球和其他行星都是围绕着太阳做匀速圆周运动的中心，太阳是静止不动的，地球和其他行星都是围绕着太阳做匀速圆周运动.任务探究二日心说的局限性：日心说相对地心说能更完美地解释天体的运动，但这两种学说日心说相对地心说能更完美地解释天体的运动，但这两种学说都不完善。都不完善。因为太阳、地球等天体都是运动的，鉴于当时对自然科学的认因为太阳、地球等天体都是运动的，鉴于当时对自然科学的认识能力，日心说比地心说更先进识能力，日心说比地心说更先进。任务探究二天文学家对天体运动进一步的研究1.丹麦天文学家第谷 的探索:在哥白尼之后，第谷连续在哥白尼之后，第谷连续2020年对行星的位置进行

6、了较仔细的测量，大大提高了测量的精确程度。年对行星的位置进行了较仔细的测量，大大提高了测量的精确程度。在第谷之前，人们测量天体位置的误差大约是在第谷之前，人们测量天体位置的误差大约是1010，第谷把这个不确定性减小到，第谷把这个不确定性减小到2 2。得出行。得出行星绕太阳做匀速圆周运动的模型星绕太阳做匀速圆周运动的模型。2.德国物理学家开普勒的研究.总结了他的导师第谷的全部总结了他的导师第谷的全部观测资料，在他最初研究时，他得到的结果与第谷的观察数据相不一致，观测资料，在他最初研究时，他得到的结果与第谷的观察数据相不一致，开普勒想开普勒想,误差可能就是认为行星绕太阳做匀速圆周运动造成的误差可能

7、就是认为行星绕太阳做匀速圆周运动造成的.后来他后来他花了四年时间一遍一遍地进行数学计算，通过计算这一怀疑使他发现了花了四年时间一遍一遍地进行数学计算，通过计算这一怀疑使他发现了行星运动三大定律行星运动三大定律.地球是不是绕太阳做匀速圆周运动？冬半年快冬半年快夏半年慢夏半年慢9090天天8888天天9393天天9494天天 如果地球匀速圆周运动，那四季的时间如果地球匀速圆周运动，那四季的时间应该有什么特点？应该有什么特点？任务探究三 做一做 请画一个椭圆。任务探究三（1）长轴为_、短轴为_、焦点为_，半长轴为_，半短轴为_.（2）如果半长轴与半短轴相等，这个椭圆的形状会变成_，焦点的位置将位于_

8、.O点点圆形圆形ABCDF1 和和F2OA或或OBOC或或OD任务探究三第一定律：第一定律：所有的行星围绕太阳运动的轨道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焦点上。都是椭圆，太阳处在所有椭圆的一个焦点上。R RF FF F地球地球地球地球（轨道定律）（轨道定律）开普勒行星运动定律开普勒行星运动定律任务探究四第二定律：第二定律：第二定律：第二定律：对任意一个行星来说，它与太阳的连线在对任意一个行星来说，它与太阳的连线在对任意一个行星来说，它与太阳的连线在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相等的面积。相等的时间内扫过相等的面积。相等的时间内扫过相等的面积。

9、相等的时间内扫过相等的面积。FF（面积定律）（面积定律）2、开普勒行星运动定律、开普勒行星运动定律任务探究四FF 行星在远离太阳的过程中速度行星在远离太阳的过程中速度如何变化？如何变化？近日点速度快，远日点速度慢近日点速度快，远日点速度慢春春夏夏秋秋冬冬任务探究四第三定律：第三定律：第三定律：第三定律：所有行星的椭圆轨道的半长轴的三所有行星的椭圆轨道的半长轴的三所有行星的椭圆轨道的半长轴的三所有行星的椭圆轨道的半长轴的三次方跟它的次方跟它的次方跟它的次方跟它的公转公转公转公转周期的二次方的比值都相等。周期的二次方的比值都相等。周期的二次方的比值都相等。周期的二次方的比值都相等。a aF FF

10、F地球地球表达式：表达式：a3 3T2 2=k半长轴半长轴半长轴半长轴 行星绕太阳行星绕太阳 公转的周期公转的周期(周期定律周期定律)2、开普勒行星运动定律、开普勒行星运动定律任务探究四太阳系八大行星公转周期和半长轴天体金星土星木星水星地球火星天王星海王星半长轴108208930km1433449370km776412948km57909050km149597887.5km227936640km2876679082km4504000000Km周期224.7天10759.5天4332.71天87.9691天365.24219天686.98天30799.09天60,327.624天此数据来源于36

11、0百科任务探究四任务探究四当行星环绕的中心天体相同时K值相同K值与环绕行星无关八大行星的中心天体都是太阳，八大行星的中心天体都是太阳，K K值相同！值相同！例如：例如：任务探究四木星卫星绕木星公转周期和半长轴天体木星1木星2木星3木星4木星13木星6木星7木星10半长轴421700km 671034km 1070412km1882709km11187781km11451971km11778034km11740560km周期1.76913778天3.55118104天7.1545529天16.689018天241.75天 250.37天261.14天259.89天活动与探究活动与探究（温馨提示：

12、规范操作、注意安全温馨提示：规范操作、注意安全）当行星环绕的中心天体不同时K值不相同K值与中心天体有关太阳木星任务探究四活动与探究活动与探究（温馨提示：规范操作、注意安全温馨提示：规范操作、注意安全）K值与中心天体的关系中心天体K值质量M（kg）K与M比值半径R(km)K与R比值太阳木星K值与中心天体的质量有关任务探究四一、地心说与日心说一、地心说与日心说地球是中心地球是中心太阳是中心太阳是中心宇宙无限宇宙无限（科学精神推动了认识发展）（科学精神推动了认识发展）二、行星运动定律二、行星运动定律1 1、轨道定律：椭圆、轨道定律：椭圆2 2、面积定律、面积定律:3 3、周期定律：、周期定律：a a

13、3 3/T/T2 2=k=k（K K是一个只与是一个只与中心中心天体有关的物理量）天体有关的物理量）小结小结三、行星运动的近似处理三、行星运动的近似处理任务探究四【课堂小结】【课堂小结】任务探究五【思考思考讨论讨论】地球绕太阳公转形成了四季交替现象地球绕太阳公转形成了四季交替现象,地球绕太阳运动遵循开普勒行星地球绕太阳运动遵循开普勒行星运动定律吗运动定律吗?(科学思维科学思维)提示提示:遵循。遵循。任务探究五【典例示范典例示范】(多选多选)如图所示如图所示,“,“嫦娥三号嫦娥三号”绕月球沿椭圆轨道运行绕月球沿椭圆轨道运行,绕行绕行方向为逆时针方向方向为逆时针方向,A,A、B B分别为近月点和远

14、月点分别为近月点和远月点,C,C是轨道上到是轨道上到A A、B B距离相距离相等的点等的点,则下列说法正确的是则下列说法正确的是()A.“嫦娥三号”从A点到B点运行速率逐渐增大B.“嫦娥三号”从A点到B点运行速率逐渐减小C.“嫦娥三号”从A点到C点的运行时间等于四分之一周期D.“嫦娥三号”从A点到C点的运行时间小于四分之一周期【解析】选B、D。根据开普勒第二定律可知,“嫦娥三号”从A点到B点运行速率逐渐减小,选项A错误,B正确;“嫦娥三号”从A点到C点运行的平均速率大于从C点到B点运行的平均速率,可知从A点到C点运行时间小于四分之一周期,选项C错误,D正确。任务探究六1.1.开普勒分别于开普勒

15、分别于16091609年和年和16191619年发表了他发现的行星运动规律年发表了他发现的行星运动规律,后人称之为开后人称之为开普勒行星运动定律。关于开普勒行星运动定律普勒行星运动定律。关于开普勒行星运动定律,下列说法正确的是下列说法正确的是()A.A.所有行星绕太阳运动的轨道都是圆所有行星绕太阳运动的轨道都是圆,太阳处在圆心上太阳处在圆心上B.B.对任何一颗行星来说对任何一颗行星来说,离太阳越近离太阳越近,运行速率就越大运行速率就越大C.C.行星公转周期与行星的质量有关行星公转周期与行星的质量有关D.D.所有行星的轨道的半长轴与公转周期成正比所有行星的轨道的半长轴与公转周期成正比【素养训练】

16、【解析解析】选选B B。根据开普勒第一定律。根据开普勒第一定律:所有的行星围绕太阳运动的轨道都是所有的行星围绕太阳运动的轨道都是椭圆椭圆,太阳处在所有椭圆的一个焦点上太阳处在所有椭圆的一个焦点上,故故A A错误错误;根据开普勒第二定律根据开普勒第二定律:对对任意一个行星来说任意一个行星来说,它与太阳的连线在相等的时间内扫过的面积相等它与太阳的连线在相等的时间内扫过的面积相等,所以对任何一颗行星来说所以对任何一颗行星来说,离太阳越近离太阳越近,运行速率就越大运行速率就越大,故故B B正确正确;开普勒开普勒第三定律中的公式第三定律中的公式 =k,=k,可知半可知半长轴的三次方与公转周期的二次方成长

17、轴的三次方与公转周期的二次方成正比正比,式中的式中的k k只与中心天体的质量有关只与中心天体的质量有关,与行星质量无关与行星质量无关,故故C C、D D错误。错误。29任务探究六2.(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】选A、B、C。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

18、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 则 解得 选项D错误。任务探究六【补偿训练补偿训练】(多选多选)在天文学上在天文学上,春分、夏至、秋分、冬至将一年分为春、夏、秋、冬春分、夏至、秋分、冬至将一年分为春、夏、秋、冬四季。如图所示四季。如图所示,从地球绕太阳的运动规律入手从地球绕太阳的运动规律入手,下列判断正确的是下列判断正确的是()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】选A、D。冬至日前后,地球位于近

19、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。31任务探究六二开普勒定律的应用二开普勒定律的应用1.1.适用范围适用范围:(1)(1)既适用于做椭圆运动的天体既适用于做椭圆运动的天体,也适用于做圆周运动的天体。也适用于做圆周运动的天体。(2)(2)既适用于绕太阳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。也适用于绕其他中心天体运动的天体。2.2.意义意义:开普勒关于行

20、星运动的确切描述开普勒关于行星运动的确切描述,不仅使人们在解决行星的运动学不仅使人们在解决行星的运动学问题上有了依据问题上有了依据,更澄清了人们对天体运动神秘、模糊的认识更澄清了人们对天体运动神秘、模糊的认识,同时也推动同时也推动了对天体动力学问题的研究。了对天体动力学问题的研究。3.3.近似处理近似处理:由于行星的椭圆轨道都跟圆近似由于行星的椭圆轨道都跟圆近似,在近似计算中在近似计算中,可以认为可以认为,行行星都以太阳为圆心做匀速圆周运动。星都以太阳为圆心做匀速圆周运动。32任务探究六【典例示范典例示范】太阳系八大行星公转轨道可近似看作圆轨道太阳系八大行星公转轨道可近似看作圆轨道,“,“行星

21、公转周期的平方行星公转周期的平方”与与“行星与太阳的平均距离的三次方行星与太阳的平均距离的三次方”成正比。地球与太阳之间平均距离约成正比。地球与太阳之间平均距离约为为1.51.5亿千米亿千米,结合下表可知结合下表可知,火星与太阳之间的平均距离约为火星与太阳之间的平均距离约为()水星水星金星金星地球地球火星火星木星木星土星土星公转周期公转周期(年年)0.2410.2410.6150.6151.01.01.881.8811.8611.8629.529.5A.1.2A.1.2亿千米亿千米 B.2.3B.2.3亿千米亿千米C.4.6C.4.6亿千米亿千米D.6.9D.6.9亿千米亿千米【解析解析】选选

22、B B。由题意可知。由题意可知,行星绕太阳运转时行星绕太阳运转时,满足满足 设地球的公转周期和公转半径分别为设地球的公转周期和公转半径分别为T T1 1、r r1 1,火星绕太阳的公转周期和轨火星绕太阳的公转周期和轨道半径分别为道半径分别为T T2 2、r r2 2,则则 代入数值得代入数值得,r,r2 22.32.3亿千米。亿千米。33任务探究六【素养训练素养训练】1.(20181.(2018全国卷全国卷)为了探测引力波为了探测引力波,“,“天琴计划天琴计划”预计发射地球卫星预计发射地球卫星P,P,其轨道半径约为地球半径的其轨道半径约为地球半径的1616倍倍,另一地球卫星另一地球卫星Q Q的

23、轨道半径约为地球半径的轨道半径约为地球半径的的4 4倍倍,P,P与与Q Q的周期之比约为的周期之比约为()A.21A.21B.41B.41C.81C.81D.161D.161【解析解析】选选C C。据开普勒第三定律。据开普勒第三定律 故选故选C C。34任务探究六2.2.土星直径为土星直径为119 300 km,119 300 km,是太阳系统中第二大行星是太阳系统中第二大行星,自转周期只需自转周期只需10 h 39 min,10 h 39 min,公转公转周期为周期为29.429.4年年,距离太阳距离太阳1.432101.432109 9 km km。土星最引人注目的是绕着赤道的巨大光环。土

24、星最引人注目的是绕着赤道的巨大光环。在地球上人们只需要一架小型望远镜就能清楚地看到光环在地球上人们只需要一架小型望远镜就能清楚地看到光环,环的外沿直径约为环的外沿直径约为274 000 274 000 kmkm。请由上面提供的信息。请由上面提供的信息,估算地球距太阳有多远。估算地球距太阳有多远。(保留保留3 3位有效数字位有效数字)解析】根据开普勒第三定律有:k 只与太阳质量有关。则 其中T为公转周期,R为行星到太阳的距离,代入数得:R地=1.501011 m=1.50108 km。答案:约1.50108 km35任务探究六【补偿训练补偿训练】1.1.如图所示如图所示,某人造地球卫星绕地球做匀

25、速圆周运动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其轨道半径为月球绕地球运转半径的地球运转半径的 ,设月球绕地球运动的周期为设月球绕地球运动的周期为2727天天,则此卫星的运转周期则此卫星的运转周期大约是大约是 ()A.A.天天B.B.天天C.1C.1天天D.9D.9天天【解析】选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。36任务探究六2.2.已知两个行星的质量已知两个行星的质量m m1 1=2m=2m2 2,公转周期公转周期T T1 1=2T=2T2 2,则它们则它们绕太阳运转轨道的半长轴之比绕太阳运转轨道的半长轴之比 为为()A.A.B

26、.2B.2 C.C.D.D.【解析解析】选选C C。由开普勒第三定律。由开普勒第三定律 知知,行星绕太行星绕太阳运转的半长轴和行星的质量无关阳运转的半长轴和行星的质量无关,由由 得得所以选项所以选项C C正确。正确。37任务探究六【拓展例题拓展例题】考查内容考查内容:微分法在开普勒第二定律中的应用微分法在开普勒第二定律中的应用【典例示范典例示范】某行星沿椭圆轨道运行某行星沿椭圆轨道运行,远日点远日点A A离太阳的距离为离太阳的距离为a,a,近日点近日点B B离太阳的距离为离太阳的距离为b,b,过远日点时行星的速率为过远日点时行星的速率为v vA A,则过近日点时的速率则过近日点时的速率v vB

27、 B为为()A.vA.vA AB.vB.vA AC.vC.vA AD.vD.vA A【正确解答正确解答】选选C C。如图所示。如图所示,由开普勒第二定律知由开普勒第二定律知,太太阳和行星的连线在相等的时间里扫过的面积相等阳和行星的连线在相等的时间里扫过的面积相等,取足取足够短的时间够短的时间t,t,则有则有 v vA Atta=va=vB Bttb,b,所所以以v vB B=v=vA A,C,C正确。正确。38小结本节学习的是开普勒行星运动的三定律，其中第一定律反映了行星运动的轨迹是椭圆，第二定律描述了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的速率最小，在远日点的速率最大，第三定律揭示了轨道半长轴与公转周期的定量关系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