3.1 天体运动(课件 （22张PPT）高一物理同步精品课堂（教科版2019必修第二册）

3.1
天 体 运 动
人类对太空的探索
中国古代人们对太空的遐想：
天问
遂古之初,谁传道之?
上下未形,何由考之?
……..
夜光何德,死则又育?
厥利维何,而顾菟在腹?
……..
人类对太空的探索
浩瀚的宇宙，群星璀璨，自古以来就吸引着人们探索其中的奥秘。是什么力量使它们如此和谐而又有规律的运动着呢？
太阳系
银河系
今天 ，我们利用着这些规律，创造了一个个令人瞩目的成就！
人类登月
火星探测器
中国的航天事业
人类对太空的探索
是什么规律如此强大？让我们一起来追溯它的发现历程吧！
人类对太空的探索
代表人物：
亚里士多德；托勒密
托勒密于公元二世纪，提出了自己的宇宙结构学说，即“地心说”.
地心说认为地球是宇宙的中心，是静止不动的，太阳、月亮及其他的行星都绕地球运动．
地心说直到16世纪才被哥白尼推翻.
“地心说”模型
（一）地心说
托 勒 密
代表人物：哥白尼
哥白尼在16世纪提出了日心说．
日心说认为太阳是宇宙的中心，地球和其他行星都绕太阳做匀速圆周运动．
1543年哥白尼的《天体运行论》 出版，书中详细描述了日心说理论.
哥 白 尼
（二）日心说
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
(3)内容：他假设地球并不是宇宙
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.
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识能力，日心说比地心说更先进。

第 谷（丹麦）
开普勒（德国）
四年多的刻苦计算
二十年的精心观测
↓
行星轨道为椭圆
无论“地心说”还是“日心说”认为天体运动匀速圆周运动……
怎么回事
呢……
研究火星运行轨道发现
（8分的误差）
否定19 种假设
行星运动的规律
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20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10?，第谷把这个不确定性减小到2?。得出行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,误差可能就是认为行星绕太阳做匀速圆周运动
造成的.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
了行星运动三大定律.
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焦点上。

说明：
1.太阳并不是位于椭圆中心，而是位于焦点处。
2.不同行星轨道不所有轨道的焦点重合。
开普勒第一定律
开普勒第一定律也常说成轨道定律
对于任意一个行星而言，它和太阳的连线在相等的时间内扫过相等的面积。
说明：
行星在近日点速率大于远日点速率。
开普勒第二定律
开普勒第二定律也常说成面积定律
3.开普勒第三定律（周期定律）
所有行星的轨道的半长轴的三次方跟公转周期的二次方的比值都相等。
说明：①行星绕太阳的运动都符合上述表达式，如地球和木星
都绕太阳转动时有： ，比值k是一个与行星本身无
关的物理量，只与中心天体有关。
②对于同一个行星的不同卫星，它们也符合此运动规律：
常考题型
题组一 对开普勒行星运动定律的理解
题1 ［多选］根据开普勒行星运动定律，以下说法中正确的是（　　）
A. 行星沿椭圆轨道运动，在远日点的速度最大，近日点的速度最小
B. 行星沿椭圆轨道运动，在远日点的速度最小，近日点的速度最大
C. 行星运动的速度大小是不变的
D. 行星的运动是变速曲线运动
【特别提醒】
（1）开普勒行星运动定律也适用于其他天体的运动，如月球（或人造卫星）绕地球的运动，卫星绕行星的运动。
（2）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运动快慢的规律，后者揭示的是不同行星运动快慢的规律。
BD
【解析】　A、C错，B对：在行星运动时，行星和太阳的连线，在相等的时间内，扫过相等的面积，故远日点速度小，近日点速度大。
D对：行星运行时速度的大小、方向都在改变，所以是变速曲线运动。　
题2［2020·郑州一中高一检测］理论和实践证明，开普勒行星运动定律不仅适用于太阳系中的天体运动，而且对一切天体（包括卫星绕行星的运动）都适用。对于开普勒第三定律的公式????3????2=k，下列说法正确的是（　　）
A. 公式只适用于轨道是椭圆的运动
B.公式中的T为天体的自转周期
C.公式中的k值，只与中心天体有关，与绕中心天体公转的行星（或卫星）无关
D.若已知月球与地球之间的距离，根据开普勒第三定律公式可求出地球与太阳之间的距离　　　　

?
C
题3对于开普勒行星运动的规律 =k，以下理解正确的是（　　）
A. k是一个与行星质量有关的量
B. 若地球绕太阳运转轨道的半长轴为a地，周期为T地；月球绕地球运转轨道的半长轴为a月，周期为T月，则 =
C. T表示行星运动的自转周期
D. T表示行星运动的公转周期
【特别提醒】
（1）天体运动的轨迹一般是椭圆，有些星体（行星、卫星）的轨迹近似为圆，为方便分析，可当作圆轨道处理。
（2）在开普勒第三定律中，所有行星绕太阳转动的k值均相同；但对于不同的天体系统k值不相同。k值的大小由系统的中心天体决定。
D
易误警示：????3????2=k中的k为常量，对于不同的中心天体k值不同。
?
【思路点拨】本题可根据开普勒第二定律求解。
【解】如图所示，近地点在B点，远地点在P点，当时间Δt很小时，可认为卫星在B点附近和在P点附近的速率不变。
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12v1Δt（R地+h1）=12v2Δt（R地+h2）
所以????1????2=????地+?2????地+?1，代入数据后得????1????2≈1.28。
?
题4 某人造卫星的近地点高度是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）？

题组二 开普勒行星运动定律的应用
【开普勒第二定律的应用技巧】
开普勒第二定律表明同一行星在距太阳不同距离时运动快慢不同。
（1）行星与太阳的连线在相等时间内扫过相等的面积，而相等时间内扫过的面积与连线的长度（行星到太阳的距离）及行星在垂直于连线方向的速度大小有关，行星到太阳的距离越大，行星的速度越小，反之越大。
（2）行星在近日点和远日点到太阳的距离分别为a、b，取足够短的时间Δt，行星与太阳的连线扫过的面积可近似用 lr表示，由开普勒第二定律有
vaΔt·a= vbΔt·b，
所以 = ，即速率与行星到太
阳的距离成反比。
题5 ［2018?全国Ⅲ卷］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

开普勒第三定律的应用方法
1.应用开普勒第三定律求解涉及椭圆轨道、运动周期相关问题的步骤：
（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能适用；
（2）明确题中给出的周期或半径关系；
（3）根据开普勒第三定律列式求解。
2.如果将椭圆轨道近似按圆轨道处理，那么开普勒第三定律中椭圆的半长轴即近似为圆的半径。
?
C
【思路分析】本题涉及天体公转的周期和轨道半径，可以利用开普勒第三定律进行求解。
【解析】卫星P、Q均围绕地球做匀速圆周运动，由开普勒第三定律可得????????3????????2=????????3??????2，解得????????????????=????????3??????3=81，故选项C正确。
?
题6 如图 所示是行星m绕恒星M运动情况的示意图，下列说法正确的是 （　　）
A.速度最大点是B点
B.速度最小点是C点
C.行星m从A到B做减速运动
D.行星m从B到A做减速运动
?
C
解析：A、B错：由开普勒第二定律可知，A点处行星运行速度最大，B点处行星运行速度最小。
C对，D错：行星由A向B运动的过程中，行星与恒星的连线变长，其速度减小。
题7［2019·山东省实验中学高一检测］天文学家观察到哈雷彗星的周期是75年，与太阳最近的距离是8.9×1010 m，但它与太阳最远的距离不能被测出，试根据开普勒行星运动定律计算这个最远距离。（太阳系的开普勒恒量k=3.354×1018 m3/s2）
解：设哈雷慧星的周期为T，其轨道半长轴为R，由开普勒第三定律????3????2=k得R=3????2????≈2.657×1012 m
则最远距离d′=2R-d0=5.225×1012 m。