高中物理教科版必修二学案3.1天体运动 Word版含解析

1．天体运动
学 习 目 标
知 识 脉 络
1.了解地心说和日心说的内容．
2．理解开普勒行星运动三定律的内容．(重点)
3．掌握行星运动定律的应用．(重点、难点)
4．了解人们对行星运动的认识过程漫长复杂，培养热爱科学，献身真理的精神.
一、日心说
1．地心说：古希腊学者托勒密在他的著作《天文学大成》中构建了地心说．该学说认为：宇宙以地球为中心，它是静止不动的，太阳、月亮以及其他行星都绕地球运动．
2．日心说：波兰天文学家哥白尼在他的著作《天球运行论》中提出了日心说．他认为太阳是宇宙的中心，地球和其他行星都绕太阳转动．
二、开普勒行星运动规律
开普勒三定律
定律
内容
图示
开普勒第一定律
所有的行星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
开普勒第二定律
太阳到行星的连线在相等的时间内扫过的面积相等
开普勒第三定律
行星绕太阳运行轨道半长轴r的立方与其公转周期T的二次方成正比，公式：＝k
1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)宇宙的中心是太阳，所有行星都在绕太阳做匀速圆周运动．
(　　)
(2)造成天体每天东升西落的原因是天体不转动，只是地球每天自西向东自转一周． (　　)
(3)日心说比地心说更科学． (　　)
(4)围绕太阳运动的行星的速率是一成不变的． (　　)
(5)开普勒定律仅适用于行星绕太阳的运动． (　　)
(6)行星轨道的半长轴越长，行星的周期越长． (　　)
【提示】　(1)×　(2)×　(3)√　(4)×　(5)×　(6)√
2．日心说的代表人物是(　　)
A．托勒密　　　　　 B．哥白尼
C．布鲁诺 D．第谷
B　[日心说的代表人物是哥白尼，布鲁诺是宣传日心说的代表人物．]
3．关于开普勒对于行星运动规律的认识，下列说法正确的是(　　)
A．所有行星绕太阳运动的轨道都是椭圆
B．所有行星绕太阳运动的轨道都是圆
C．所有行星的轨道半长轴的二次方跟公转周期的三次方的比值都相同
D．所有行星的公转周期与行星的轨道半径成正比
A　[由开普勒第一定律知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，选项A正确，B错误；由开普勒第三定律知所有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，选项C、D错误．]
4.据报道，美国计划于2021年开始每年送15 000名游客上太空旅游．如图所示，当航天器围绕地球做椭圆运行时，近地点A的速率________(选填“大于”“小于”或“等于”)远地点B的速率．
[解析]　根据开普勒第二定律：对于每一个行星而言，太阳和行星的连线在相等的时间内扫过相等的面积，由此可得知近地点A的速率大于远地点B的速率．
[答案]　大于
对开普勒定律的理解
1．从空间分布上认识：行星的轨道都是椭圆，不同行星轨道的半长轴不同，即各行星的椭圆轨道大小不同，但所有轨道都有一个共同的焦点，太阳在此焦点上如图所示．因此开普勒第一定律又叫焦点定律．
2．对速度大小的认识
(1)如图所示，如果时间间隔相等，即t2－t1＝t4－t3，由开普勒第二定律，面积SA＝SB，可见离太阳越近，行星在相等时间内经过的弧长越长，即行星的速率越大．
(2)近日点、远日点分别是行星距离太阳的最近点、最远点，所以同一行星在近日点速度最大，在远日点速度最小．
3．对周期长短的认识
(1)行星公转周期跟轨道半长轴有关，椭圆轨道半长轴越长的行星，其公转周期越长；反之，其公转周期越短．
(2)该定律不仅适用于行星，也适用于其他天体．例如，绕某一行星运动的不同卫星．
(3)研究行星时，常数k与行星无关，只与太阳有关．研究其他天体时，常数k只与其中心天体有关．
【例1】　(1)如图是火星冲日年份示意图，观察图中地球、火星的位置，思考地球和火星谁的公转周期更长．
(2)根据地球的公转周期计算火星的公转周期还需要知道什么数据？
[解析]　(1)由题图可知，地球到太阳的距离小于火星到太阳的距离，根据开普勒第三定律可得：火星的公转周期更长一些．
(2)根据＝k，要计算火星的公转周期还要知道火星轨道半径与地球轨道半径的比值．
[答案]　见解析
应用开普勒定律注意的问题
(1)定律的性质：开普勒定律是总结行星运动的观察结果而总结出来的规律．它们每一条都是经验定律，都是从观察行星运动所取得的资料中总结出来的．
(2)对速度的认识：当行星在近日点时，速度最大．由近日点向远日点运动的过程中，速度逐渐减小，在远日点时速度最小．
1.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．m从A到B做减速运动
D．m从B到A做减速运动
C　[由开普勒第二定律可知，近日点时行星运行速度最大，因此A、B错误；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，故C正确，D错误．]
开普勒第三定律的应用
在处理天体运动时，开普勒第三定律表述为：天体轨道半径r的三次方跟它的公转周期T的二次方的比值为常数，即＝k，据此可知，绕同一天体运动的多个天体，运动半径越大的天体，其周期越长．
特别提醒：开普勒定律不仅适用于行星，也适用于卫星，只不过此时＝k，比值k是由中心天体所决定的另一恒量，与环绕天体无关．
【例2】　如图所示，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地球运转半径的，设月球绕地球运动的周期为27天，则此卫星的运转周期大约是(　　)
A.天　　　　　　　 B.天
C．1天 D．9天
思路点拨：人造地球卫星和月球都围绕地球运转，满足开普勒第三定律．
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．]
开普勒第三定律的应用
应用开普勒第三定律可分析行星的周期、半径，应用时可按以下步骤分析：
(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．
2．土星直径为119 300 km，是太阳系统中第二大行星，自转周期只需10 h 39 min，公转周期为29.4年，距离太阳1.432×109 km.土星最引人注目的是绕着其赤道的巨大光环．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，环的外沿直径约为274 000 km.请由上面提供的信息，估算地球距太阳有多远．(保留3位有效数字)
[解析]　根据开普勒第三定律有：＝k，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．代入数值得：＝得R地＝1.50×1011 m＝1.50×108 km.
[答案]　约1.50×108 km
1．(多选)下列说法中正确的是(　　)
A．地球是宇宙的中心，太阳、月球及其他行星都绕地球运动
B．太阳是静止不动的，地球和其他行星都绕太阳运动
C．地球是绕太阳运动的一颗行星
D．日心说和地心说都是错误的
CD　[地心说和日心说都不完善，太阳、地球等天体都是运动的，不可能静止，B错误，D正确；地球是绕太阳运动的一颗普通行星，并非宇宙的中心天体，A错误，C正确．]
2．关于太阳系中各行星的轨道，以下说法中不正确的是(　　)
A．所有行星绕太阳运动的轨道都是椭圆
B．有的行星绕太阳运动的轨道是圆
C．不同行星绕太阳运动的椭圆轨道的半长轴是不同的
D．不同的行星绕太阳运动的轨道各不相同
B　[八大行星的轨道都是椭圆，A对、B错．不同行星离太阳远近不同，轨道不同，半长轴也就不同，C对、D对．]
3.某行星绕太阳运行的椭圆轨道如图所示，F1和F2是椭圆轨道的两个焦点，行星在A点的速率比在B点的大，则太阳位于(　　)
A．F2　　 B．A
C．F1 D．B
A　[根据开普勒第二定律：太阳和行星的连线在相等的时间内扫过相同的面积，因为行星在A点的速率比在B点的速率大，所以太阳和行星的连线必然是行星与F2的连线，故太阳位于F2.]
4．宇宙飞船进入一个围绕太阳的近乎圆形的轨道上运动，如果轨道半径是地球轨道半径的9倍，那么宇宙飞船绕太阳运行的周期是(　　)
A．3年 B．9年
C．27年 D．81年
C　[根据开普勒第三定律＝，得T船＝27年．]
5.飞船沿半径为R的圆周轨道绕地球运动，其周期为T.如果飞船要返回地面，可在轨道上的某一点A处，将速率降低到适当数值，从而使飞船沿着以地心为焦点的椭圆轨道运动，椭圆和地球表面在B点相切，如图所示．如果地球半径为R0，求飞船由A点到B点所需要的时间．
[解析]　由题意得，椭圆轨道的半长轴为
设飞船沿椭圆轨道运动的周期为T′，则根据开普勒第三定律有：＝
求得T′＝T·＝·
所以，飞船由A点到B点所需的时间为
t＝＝·.
[答案]　·