沪科版 必修2 5. 1、从托勒密到开普勒课件：27张PPT

(共27张PPT)
第五章
万有引力定律
第
1
节：从托勒密到开普勒
1.知道地心说和日心说的基本内容。
2.知道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。
3.知道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。
4.知道所有行星的轨道的半长轴的三次方跟它的公转周期的二次方的比值都相等，且这个比值与行星的质量无关，但与太阳的质量无关。
神奇而又壮观的宇宙
在浩瀚的宇宙中有无数大小不一、形态各异的天体，如月亮、地球、太阳、夜空中的星星……由这些天体组成的广袤无垠的宇宙始终是我们渴望了解、不断探索的领域。关于天体的运动，历史上有过不同的看法。
古人对地球的认识
　
古人根据有限范围内的观察（如日月星辰东升西落、远处天壤相接等），得出“天圆地方”之类的想法。
东汉时期的天文学家张衡提出“浑天”说，认为天就像一个大鸡蛋，地球就是其中的蛋黄。
盖天说
浑天说
1.“地心说”的基本观点是什么？
2.“日心说”的基本观点是什么？
3.“日心说”和“地心说”哪个更正呢？
试举例说明。
4.“日心说”的观点是否绝对正确？
5、你从哥白尼身上学到了什么？
一、探究古代对行星运动规律的认识
请同学们阅读课本内容，回答下列问题
地心说
托勒密
地球是宇宙的中心，是静止不动的，太阳、月亮以及其他行星都绕地球运动。
符合人们的直接经验
科学的足迹……
日心说
太阳是静止不动的，地球和其他行星都在绕太阳做匀速圆周运动。
科学的足迹……
哥白尼
拦住了太阳，推动的地球
“日心说”也并不是绝对正确的
“日心说”也并不是绝对正确的，因为太阳只是太阳系的一个中心天体，而太阳系只是宇宙中众多星系之一，所以太阳并不是宇宙的中心，也不是静止不动的。“日心说”，只是比“地心说”更准确一些罢了。
日心说的进一步完善
天才观察者：第谷
?
布拉赫
把天体位置测量的误差由10?
减少到2?
行星运动三定律
真理超出期望：开普勒
科学的足迹……
第
谷
开普勒
行星运动绕太阳运动的轨道是什么形状？
地球
圆？
年份
春分
夏至
秋分
冬至
2013
3/20
6/21
9/23
12/22
2014
3/21
6/21
9/23
12/22
2015
3/21
6/22
9/23
12/22
秋冬两季比春夏两季时间短
！
春92天
夏94天
秋89天
冬90天
生活事实
四年多的刻苦计算
↓
二十年的精心观测
↓
8分的误差
→
←
否定19
种假设
↓
↓
行星轨道为椭圆
开普勒（德国）
第谷（丹麦）
若是匀速圆周运动……
科学探索
假设地球绕太阳的运动是一个椭圆运动,太阳在椭圆的一个焦点上,根据曲线运动的特点，在秋分到冬至再到春分的时间比从春分到夏至再到秋分的时间短，所以秋冬两季比春夏两季要短。
现实验证
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。
开普勒第一定律：
焦点
太阳
焦点
●
（轨道定律）
开普勒第一定律动画演示
半长轴
a
O
图钉
图钉
怎样用图钉和细绳画椭圆？
半短轴b
椭圆上某点到两个焦点的距离之和，与椭圆上另一点到两个焦点的距离之和有什么关系？
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。
离太阳近时速度快，离太阳远时速度慢！
开普勒第二定律：
（面积定律）
行星
半长轴a／106
km
公转周期／T
水星
57
87.97
金星
108
225
地球
149
365
火星
228
687
木星
778
4333
土星
1426
10759
天王星
2869
30686
海王星
4495
60188
3.
36
×1018
3.
36
×1018
3.
31
×1018
3.
36
×1018
3.
36
×1018
3.
36
×1018
3.
37
×1018
3.
36
×1018
k＝R3
/T2／(m3
?
s2)
结
论
你从中发现了什么？
所有行星的轨道的半长轴的三次方跟它的公转周期的二次方的比值都相等。
F2
F1
地球
a
O
开普勒第三定律：
（周期定律）
半长轴
行星绕太阳公转的周期
行星
半长轴
(x106
km)
公转周期(天)
k
值
水星
57
87.97
3.36×1018
金星
108
225
3.35×1018
地球
149
365
3.31×1018
火星
228
687
3.36×1018
木星
778
4333
3.36×1018
土星
1426
10759
3.36×1018
天王星
2869
30686
3.37×1018
海王星
4495
60188
3.37×1018
同步卫星
0.0424
1
1.03×1013
月球
0.3844
27.322
1.03×1013
比值
k
有什么特点？
比值
k
是一个与行星无关而只与太阳（中心天体）有关的恒量！
观察九大行星图思考
2、金星与地球都在绕太阳运转，那么金星上的一天肯定比
24
小时短吗?
1、冥王星离太阳“最远”，绕太阳运动的公转周期最长，对吗？
实际上行星绕太阳的运动很接近圆，在中学阶段，可近似看成圆来处理问题，那么开普勒三定律的形式又如何？
在中学阶段，我们将椭圆轨道按照圆形轨道处理，则开普勒定律描述为：
1.行星绕太阳运动的轨道十分接近圆，太阳处在圆心
1.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
2.
对于每一个行星而言，太阳和行星的联线在相等的时间内扫过相等的面积
3.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
2.对于某一行星来说，它绕太阳做圆周运动的角速度（或线速度）不变，即行星做匀速圆周运动
3.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
即R?/T?=
k
一、“地心说”与
“日心说”
地球是中心→太阳是中心→宇宙无限
（科学精神推动了认识发展）
二、行星运动定律——开普勒三定律
1、轨道定律：椭圆
2、面积定律:
v近＞v远
3、周期定律：
r
3/
T2
=
k
（
k
是一个只与中心天体质量有关的物理量）
　需要注意：
（1）开普勒定律不仅适用于行星，也适用于卫星，只不过此时比值
k
是由行星质量所决定的另一恒量．
（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）开普勒定律是总结行星运动的观察结果而总结归纳出来的规律，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.
神舟六号沿半径为
R
的圆周绕地球运动，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特殊椭圆轨道运动，椭圆和地球表面在
B
点相切，如图所示，如果地球半径为
R，求飞船由
A
点到
B
点所需的时间。
R
R0
A
B
解：开普勒定律虽是对太阳系统而言的，但该定律也适合地球卫星系统，飞船返回时时以地心为焦点的椭圆轨道运行，那么应用开普勒第三定律可求返回时间。飞船返回时间为椭圆运行周期的一半，
而椭圆的半长轴为：
由开普勒第三定律可得：
所以：