2022-2023学年高中物理 人教版2019必修第二册 同步教案 课时7.1 行星的运动
文档属性
| 名称 | 2022-2023学年高中物理 人教版2019必修第二册 同步教案 课时7.1 行星的运动 |  | |
| 格式 | docx | ||
| 文件大小 | 249.2KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2023-03-18 20:19:42 | ||
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文档简介
第七章 万有引力与宇宙航行
课时7.1 行星的运动
了解地心说和日心说，了解人类认识行星运动规律过程的曲折性，感悟真理来之不易。
知道开普勒行星运动定律的内容，知道在中学阶段研究行星运动时的近似处理。
能用开普勒行星运动定律分析一些简单的行星运动问题；
一、地心说与日心说
内容 局限性
地心说 (1)地球是宇宙的中心，是静止不动的; (2)太阳、月球以及其他星体都绕地球运动 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、最和谐的匀速圆周运动。但计算所得的数据和丹麦天文学家第谷的观测数据不符
日心说 (1)太阳是宇宙的中心，是静止不动的; (2)地球和其他行星都绕太阳运动
二、开普勒定律
1.开普勒定律的内容
定律 内容 图示
开普勒第一定律 (椭圆定律) 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 (面积定律) 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 (周期定律) 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
2.对开普勒定律的理解
定律 认识角度 理解
开普勒 第一定律 轨迹空间 (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
开普勒 第二定律 速度大小 行星离太阳较近时速度较大，在近日点行星的速度最大;
行星靠近太阳时速度增大。行星离太阳较远时速度较小，在远日点行星的速度最小;行星远离太阳时速度减小
开普勒 第三定律 周期长短 (1)用公式表示为=k，k是一个对所有行星都相同的常量。 (2)椭圆轨道的半长轴越长的行星，其公转周期越长。 (3)该定律不仅适用于行星，也适用于其他天体
三、行星运动的近似处理
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
基础过关练
题组一 对开普勒定律的理解
1.(2022江苏连云港期中)如图所示，火星和地球都在围绕太阳旋转，它们的运行轨道均为椭圆，根据开普勒定律可知 ( )
A.火星绕太阳运动过程中，速率不变
B.火星绕太阳运行一周的时间比地球的长
C.地球靠近太阳的过程中，运行速率将减小
D.火星远离太阳的过程中，它与太阳的连线在相等时间内扫过的面积逐渐增大
2.(2022陕西西安期中)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。下列反映公转周期与行星轨道半长轴的关系的图像中正确的是 ( )
题组二 开普勒定律的应用
3.(2022江苏淮安盱眙二中期中)某行星绕太阳运行的椭圆轨道如图所示，E和F是椭圆轨道的两个焦点，行星在A点的速度比在B点的大，则太阳位于 ( )
A.F B.E
C.B D.A
4.(2022浙江温州万全综合高中期中)C/2021S4彗星上一年，地上逾千年。C/2021S4是紫金山天文台发现的一颗彗星，这颗彗星的轨道更扁一些，轨道周期更长，绕太阳旋转一圈大约需要1 000年，若地球到太阳的距离为r，则该彗星绕太阳旋转的半长轴约为 ( )
A.1 000r B.100r
C.10r D.不确定
5.(2022江苏徐州期中)“行星巡游”被广泛用于表示太阳系的八大行星在太空同一区域排成一行时发生的天文事件。其中的海王星是离太阳最远的行星，其绕太阳运动的轨道半径约为地球绕太阳运动的轨道半径的30倍。下列说法正确的是 ( )
A.海王星的公转周期约为164年
B.在“行星巡游”时，八大行星绕太阳运行的角速度相同
C.在“行星巡游”时，太阳位于八大行星椭圆轨道的共同中心上
D.在相同时间内，八大行星与太阳的连线扫过的面积均相同
能力提升练
题组一 应用开普勒第二定律分析实际情景
1.(2022江苏苏州高新一中期中)二十四节气中的春分与秋分太阳均直射赤道，春分为太阳从南回归线回到赤道，秋分则为太阳从北回归线回到赤道。2022年3月20日为春分，9月23日为秋分，可以推算从春分到秋分为187天，而从秋分到春分为179天。设以上两个时间段内地球公转的轨迹长度相等，如图所示，关于上述自然现象，下列说法正确的是 ( )
A.地球绕太阳公转的速度大小不变
B.从春分到秋分地球离太阳比从秋分到春分远
C.夏天地球离太阳比冬天近
D.从春分到夏至地球公转的速度变大
2.(2022江苏淮安期中)如图所示，海王星绕太阳沿椭圆轨道运动，运行的周期为T0，P为近日点，Q为远日点，M、N为轨道短轴的两个端点，若只考虑海王星和太阳之间的相互作用，则海王星在从P经N、Q到M的运动过程中 ( )
A.从P到N所用的时间等于
B.从Q到M做减速运动
C.从P到Q阶段，速率逐渐变小
D.从N到M所用时间等于
题组二 应用开普勒第三定律进行计算
3.(2021湖南临澧一中段考)中国北斗卫星导航系统已经组网完成，具备区域导航、定位和授时能力。北斗卫星导航系统在轨工作的卫星有两种轨道，一种是轨道半径为42 000千米的同步地球轨道，另一种是轨道半径为28 000千米的中圆地球轨道，则在中圆地球轨道上运行的卫星的周期约为 ( )
A.5小时 B.13小时
C.16小时 D.44小时
4.(2022江苏南通期中)假设站在地球赤道上某地的人，恰能在日落后4 h的时候，观察到自己头顶正上方被阳光照亮的一颗人造地球卫星。若该卫星在赤道平面内做匀速圆周运动，已知地球同步卫星绕地球运行的轨道半径约为地球半径的6倍，则该卫星绕地球运行的周期约为(地球同步卫星的运行周期等于地球的自转周期) ( )
A.2 h B.3.5 h
C.4.6 h D.6.2 h
5.(2021广东深圳高级中学期中)如图所示，三个质点a、b、c质量分别为m1、m2、M(M m1，M m2)，在c的万有引力作用下，a、b在同一平面内绕c沿逆时针方向做匀速圆周运动，它们的轨道半径之比为ra∶rb=1∶4。从图示位置开始(a、c连线和b、c连线的夹角为一很小的锐角)，在b运动两周的过程中，a、b、c三点共线了 ( )
A.14次 B.24次
C.28次 D.32次
答案全解全析
基础过关练
1.B 根据开普勒第二定律可知，火星与太阳的连线在相等的时间内扫过的面积相等，可知火星在椭圆轨道上运动的速度大小不断变化，A、D错误；根据开普勒第三定律=k，由于火星轨道的半长轴比地球的大，所以火星绕太阳运行一周的时间比地球的长，B正确；由开普勒第二定律可知，地球靠近太阳的过程中，其运行速率将增大，故C错误。
2.D 由开普勒第三定律=k可得a3=kT2，其中k是常量，只与中心天体的质量有关，所以a3与T2成正比，D正确。
3.B 根据开普勒第二定律可知，对于该行星来说，它与太阳的连线在相等时间内扫过相等的面积，由于vA>vB，A点为近日点，B点为远日点，则太阳是位于E点。
4.B 该彗星绕太阳旋转的周期与地球绕太阳旋转的周期之比为≈，根据开普勒第三定律有=≈，得该彗星绕太阳旋转的半长轴为a≈100r，选B。
导师点睛
开普勒第三定律，也称周期定律，是指在以太阳为焦点的椭圆轨道上运行的所有行星，其椭圆轨道半长轴的三次方与周期的二次方之比是一个常量。
5.A 设海王星的公转周期为T1，地球的公转周期为T2，根据开普勒第三定律可得=303，故T1≈164T2=164年，A正确；在“行星巡游”时，八大行星的轨道半长轴不同，根据开普勒第三定律可知运行周期不同，可知角速度不同，B错误；根据开普勒第一定律可知，在“行星巡游”时，太阳位于八大行星椭圆轨道的一个焦点上，故C错误；根据开普勒第二定律可知，对于同一个行星而言，它与太阳的连线在相等的时间内扫过的面积相等，而对于八大行星而言，它们的轨道半长轴不同，在相同时间内它们与太阳的连线扫过的面积不可能相同，故D错误。
能力提升练
1.B 由题图可知，地球到太阳的距离时刻改变，根据开普勒第二定律可知，地球的公转速度大小时刻改变，A错误；由题图可知，从春分到秋分地球离太阳比从秋分到春分远，夏天地球离太阳比冬天远，B正确，C错误；由题图可知，从春分到夏至地球到太阳的距离越来越远，根据开普勒第二定律可知，从春分到夏至地球公转的速度变小，D错误。
2.C 由开普勒第二定律知，海王星从P经N到Q速率减小，从Q到M速率增大，故B错误，C正确；由对称性知海王星从P→N→Q与从Q→M→P所用的时间均为，故从P到N所用时间小于，从Q→M所用时间大于，从N→M所用时间大于，故A、D错误。
3.B 同步地球轨道上运行的卫星周期为24小时，由开普勒第三定律得=，可得在中圆地球轨道上运行的卫星的周期T中=×24小时≈13小时，故选B。
4.C 根据题意作出示意图，如图所示：
太阳光可认为是平行光，O是地心，日落时人在A点；因为地球的自转周期为24 h，所以经过4 h，地球绕地轴转了60°，此时人在B点，人造地球卫星在人正上方的C点，太阳光正好能照到该卫星，所以∠AOC=60°，可得卫星的轨道半径为r=OC=2OA=2R。设该卫星的运行周期为T1，地球自转的周期为T2，则地球同步卫星的周期也为T2，T2=24 h，根据开普勒第三定律有=，解得T1≈4.6 h，故C正确。
5.C 根据开普勒第三定律可得=，已知ra∶rb=1∶4，解得Tb=8Ta，因此在b运动两周的过程中，a运动了16周，a比b多转了14周，每一周有2次三点共线，这样a、b、c三点共线了28次，选C。
课时7.1 行星的运动
了解地心说和日心说，了解人类认识行星运动规律过程的曲折性，感悟真理来之不易。
知道开普勒行星运动定律的内容，知道在中学阶段研究行星运动时的近似处理。
能用开普勒行星运动定律分析一些简单的行星运动问题；
一、地心说与日心说
内容 局限性
地心说 (1)地球是宇宙的中心，是静止不动的; (2)太阳、月球以及其他星体都绕地球运动 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、最和谐的匀速圆周运动。但计算所得的数据和丹麦天文学家第谷的观测数据不符
日心说 (1)太阳是宇宙的中心，是静止不动的; (2)地球和其他行星都绕太阳运动
二、开普勒定律
1.开普勒定律的内容
定律 内容 图示
开普勒第一定律 (椭圆定律) 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 (面积定律) 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 (周期定律) 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
2.对开普勒定律的理解
定律 认识角度 理解
开普勒 第一定律 轨迹空间 (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
开普勒 第二定律 速度大小 行星离太阳较近时速度较大，在近日点行星的速度最大;
行星靠近太阳时速度增大。行星离太阳较远时速度较小，在远日点行星的速度最小;行星远离太阳时速度减小
开普勒 第三定律 周期长短 (1)用公式表示为=k，k是一个对所有行星都相同的常量。 (2)椭圆轨道的半长轴越长的行星，其公转周期越长。 (3)该定律不仅适用于行星，也适用于其他天体
三、行星运动的近似处理
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
基础过关练
题组一 对开普勒定律的理解
1.(2022江苏连云港期中)如图所示，火星和地球都在围绕太阳旋转，它们的运行轨道均为椭圆，根据开普勒定律可知 ( )
A.火星绕太阳运动过程中，速率不变
B.火星绕太阳运行一周的时间比地球的长
C.地球靠近太阳的过程中，运行速率将减小
D.火星远离太阳的过程中，它与太阳的连线在相等时间内扫过的面积逐渐增大
2.(2022陕西西安期中)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。下列反映公转周期与行星轨道半长轴的关系的图像中正确的是 ( )
题组二 开普勒定律的应用
3.(2022江苏淮安盱眙二中期中)某行星绕太阳运行的椭圆轨道如图所示，E和F是椭圆轨道的两个焦点，行星在A点的速度比在B点的大，则太阳位于 ( )
A.F B.E
C.B D.A
4.(2022浙江温州万全综合高中期中)C/2021S4彗星上一年，地上逾千年。C/2021S4是紫金山天文台发现的一颗彗星，这颗彗星的轨道更扁一些，轨道周期更长，绕太阳旋转一圈大约需要1 000年，若地球到太阳的距离为r，则该彗星绕太阳旋转的半长轴约为 ( )
A.1 000r B.100r
C.10r D.不确定
5.(2022江苏徐州期中)“行星巡游”被广泛用于表示太阳系的八大行星在太空同一区域排成一行时发生的天文事件。其中的海王星是离太阳最远的行星，其绕太阳运动的轨道半径约为地球绕太阳运动的轨道半径的30倍。下列说法正确的是 ( )
A.海王星的公转周期约为164年
B.在“行星巡游”时，八大行星绕太阳运行的角速度相同
C.在“行星巡游”时，太阳位于八大行星椭圆轨道的共同中心上
D.在相同时间内，八大行星与太阳的连线扫过的面积均相同
能力提升练
题组一 应用开普勒第二定律分析实际情景
1.(2022江苏苏州高新一中期中)二十四节气中的春分与秋分太阳均直射赤道，春分为太阳从南回归线回到赤道，秋分则为太阳从北回归线回到赤道。2022年3月20日为春分，9月23日为秋分，可以推算从春分到秋分为187天，而从秋分到春分为179天。设以上两个时间段内地球公转的轨迹长度相等，如图所示，关于上述自然现象，下列说法正确的是 ( )
A.地球绕太阳公转的速度大小不变
B.从春分到秋分地球离太阳比从秋分到春分远
C.夏天地球离太阳比冬天近
D.从春分到夏至地球公转的速度变大
2.(2022江苏淮安期中)如图所示，海王星绕太阳沿椭圆轨道运动，运行的周期为T0，P为近日点，Q为远日点，M、N为轨道短轴的两个端点，若只考虑海王星和太阳之间的相互作用，则海王星在从P经N、Q到M的运动过程中 ( )
A.从P到N所用的时间等于
B.从Q到M做减速运动
C.从P到Q阶段，速率逐渐变小
D.从N到M所用时间等于
题组二 应用开普勒第三定律进行计算
3.(2021湖南临澧一中段考)中国北斗卫星导航系统已经组网完成，具备区域导航、定位和授时能力。北斗卫星导航系统在轨工作的卫星有两种轨道，一种是轨道半径为42 000千米的同步地球轨道，另一种是轨道半径为28 000千米的中圆地球轨道，则在中圆地球轨道上运行的卫星的周期约为 ( )
A.5小时 B.13小时
C.16小时 D.44小时
4.(2022江苏南通期中)假设站在地球赤道上某地的人，恰能在日落后4 h的时候，观察到自己头顶正上方被阳光照亮的一颗人造地球卫星。若该卫星在赤道平面内做匀速圆周运动，已知地球同步卫星绕地球运行的轨道半径约为地球半径的6倍，则该卫星绕地球运行的周期约为(地球同步卫星的运行周期等于地球的自转周期) ( )
A.2 h B.3.5 h
C.4.6 h D.6.2 h
5.(2021广东深圳高级中学期中)如图所示，三个质点a、b、c质量分别为m1、m2、M(M m1，M m2)，在c的万有引力作用下，a、b在同一平面内绕c沿逆时针方向做匀速圆周运动，它们的轨道半径之比为ra∶rb=1∶4。从图示位置开始(a、c连线和b、c连线的夹角为一很小的锐角)，在b运动两周的过程中，a、b、c三点共线了 ( )
A.14次 B.24次
C.28次 D.32次
答案全解全析
基础过关练
1.B 根据开普勒第二定律可知，火星与太阳的连线在相等的时间内扫过的面积相等，可知火星在椭圆轨道上运动的速度大小不断变化，A、D错误；根据开普勒第三定律=k，由于火星轨道的半长轴比地球的大，所以火星绕太阳运行一周的时间比地球的长，B正确；由开普勒第二定律可知，地球靠近太阳的过程中，其运行速率将增大，故C错误。
2.D 由开普勒第三定律=k可得a3=kT2，其中k是常量，只与中心天体的质量有关，所以a3与T2成正比，D正确。
3.B 根据开普勒第二定律可知，对于该行星来说，它与太阳的连线在相等时间内扫过相等的面积，由于vA>vB，A点为近日点，B点为远日点，则太阳是位于E点。
4.B 该彗星绕太阳旋转的周期与地球绕太阳旋转的周期之比为≈，根据开普勒第三定律有=≈，得该彗星绕太阳旋转的半长轴为a≈100r，选B。
导师点睛
开普勒第三定律，也称周期定律，是指在以太阳为焦点的椭圆轨道上运行的所有行星，其椭圆轨道半长轴的三次方与周期的二次方之比是一个常量。
5.A 设海王星的公转周期为T1，地球的公转周期为T2，根据开普勒第三定律可得=303，故T1≈164T2=164年，A正确；在“行星巡游”时，八大行星的轨道半长轴不同，根据开普勒第三定律可知运行周期不同，可知角速度不同，B错误；根据开普勒第一定律可知，在“行星巡游”时，太阳位于八大行星椭圆轨道的一个焦点上，故C错误；根据开普勒第二定律可知，对于同一个行星而言，它与太阳的连线在相等的时间内扫过的面积相等，而对于八大行星而言，它们的轨道半长轴不同，在相同时间内它们与太阳的连线扫过的面积不可能相同，故D错误。
能力提升练
1.B 由题图可知，地球到太阳的距离时刻改变，根据开普勒第二定律可知，地球的公转速度大小时刻改变，A错误；由题图可知，从春分到秋分地球离太阳比从秋分到春分远，夏天地球离太阳比冬天远，B正确，C错误；由题图可知，从春分到夏至地球到太阳的距离越来越远，根据开普勒第二定律可知，从春分到夏至地球公转的速度变小，D错误。
2.C 由开普勒第二定律知，海王星从P经N到Q速率减小，从Q到M速率增大，故B错误，C正确；由对称性知海王星从P→N→Q与从Q→M→P所用的时间均为，故从P到N所用时间小于，从Q→M所用时间大于，从N→M所用时间大于，故A、D错误。
3.B 同步地球轨道上运行的卫星周期为24小时，由开普勒第三定律得=，可得在中圆地球轨道上运行的卫星的周期T中=×24小时≈13小时，故选B。
4.C 根据题意作出示意图，如图所示：
太阳光可认为是平行光，O是地心，日落时人在A点；因为地球的自转周期为24 h，所以经过4 h，地球绕地轴转了60°，此时人在B点，人造地球卫星在人正上方的C点，太阳光正好能照到该卫星，所以∠AOC=60°，可得卫星的轨道半径为r=OC=2OA=2R。设该卫星的运行周期为T1，地球自转的周期为T2，则地球同步卫星的周期也为T2，T2=24 h，根据开普勒第三定律有=，解得T1≈4.6 h，故C正确。
5.C 根据开普勒第三定律可得=，已知ra∶rb=1∶4，解得Tb=8Ta，因此在b运动两周的过程中，a运动了16周，a比b多转了14周，每一周有2次三点共线，这样a、b、c三点共线了28次，选C。