2020高中物理第六章万有引力与航天第1节行星的运动课件 人教版必修2 41页

第六章 万有引力与航天 〔 情 景 切 入 〕 日出日落，斗转星移，神秘的宇宙壮丽璀璨 …… 当我们远古的祖先惊叹星空的玄妙时，他们就开始试图破译日月星辰等天文现象的奥秘 …… 到了 17 世纪，牛顿以他伟大的工作把天空中的现象与地面上的现象统一起来，成功地解释了天体运动的规律。 本章我们将学习对人类智慧影响极为深远、在天体运动中起着决定作用的万有引力定律，并了解它的发现历程和在人类开拓太空中的作用。 〔 知 识 导 航 〕 本章主要讲述了人们对天体运动规律的认识历程及自然界普遍遵循的规律之一 —— 万有引力定律。 本章内容可分为三个单元： 第一单元 ( 第 1 节～第 3 节 ) ：回顾过去，即介绍万有引力定律的建立过程。 第二单元 ( 第 4 节、第 5 节 ) ：展示现在，即列举万有引力理论的巨大成就。一是其理论成就 “ 称量地球的质量 ”“ 未知天体的发现 ” 等，二是其实践成就，航天事业的发展及其巨大成果。 第三单元 ( 第 6 节 ) ：展望未来，指出万有引力定律与任何其他理论一样，有其局限性。 本章的重点是万有引力定律的发现过程和该定律的具体应用。难点是利用万有引力定律解决航空航天及天体运动的实际问题。 〔 学 法 指 导 〕 1 ．在本章学习中，要充分感悟前辈科学家们探索自然奥秘不屈不挠的精神和对待科学研究一丝不苟的态度，感悟到科学的结论总是在顽强曲折的科学实践中悄悄地来临。 3 ．航天正改变着我们的日常生活，从气象卫星到天气预报，从卫星定位系统到自动导航，从失重现象到微重力实验，从太空辐射到太空育种 …… ，认真关注科学跟生活、社会的紧密联系，体会物理学就在我们身边。 第一节　行星的运动 素养目标定位 ※ 知道地心说和日心说的基本内容 ※ 了解开普勒三定律的内容及其简单应用 ※ 了解人们对天体运动规律的认识和发展过程 素养思维脉络 课前预习反馈 知识点 1 两种对立的学说 内容 局限性 地心说 ________ 是宇宙的中心，而且是静止不动的，太阳、月亮以及其他行星都绕 ________ 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 ____________ 运动，但计算所得的数据和丹麦天文学家 ________ 的观测数据不符 日心说 ________ 是宇宙的中心，而且是静止不动的，地球和其他行星都绕 ________ 运动 地球　 地球　 太阳　 太阳　 匀速圆周　 第谷　 知识点 2 开普勒行星运动定律 椭圆　 椭圆　 焦点　 相等　 相等　 半长轴　 公转周期　 无关　 行星的轨道与圆十分接近，在中学阶段的研究中我们按圆轨道处理，即： 1 ．行星绕太阳运动的轨道十分接近圆，太阳处在 ________ 。 2 ．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 ) ________ ，即行星做 ____________ 运动。 知识点 3 行星运动的一般处理方法 圆心　 不变　 匀速圆周　 立方　 平方　 3 ．所有行星轨道半径的 ________ 跟它的公转周期的 ________ 的比值都相等。表达式： __ __ __ _ __ 。 『 判一判 』 (1) 太阳是整个宇宙的中心，其他天体都绕太阳运动。 ( 　　 ) (2) 太阳系中所有行星都绕太阳做匀速圆周运动。 ( 　　 ) (3) 太阳系中所有行星都绕太阳做椭圆运动，且它们到太阳的距离各不相同。 ( 　　 ) (4) 太阳系中所有行星都绕太阳在同一个平面内运动。 ( 　　 ) (5) 太阳系中越是远离太阳的行星，运行周期就越大。 ( 　　 ) 辨析思考 × 　 × 　 √　 × 　 √　 『 选一选 』 ( 多选 )16 世纪，哥白尼根据天文观测的大量资料，经过 40 多年的天文观测和潜心研究，提出 “ 日心说 ” 的如下四个基本论点，这四个论点目前看存在缺陷的是 ( 　　　 ) A ．宇宙的中心是太阳，所有行星都绕太阳做匀速圆周运动 B ．地球是绕太阳做匀速圆周运动的行星，月球是绕地球做匀速圆周运动的卫星，它绕地球运转的同时还跟地球一起绕太阳运动 C ．天空不转动，因为地球每天自西向东转一周，造成太阳每天东升西落的现象 D ．与日地距离相比，恒星离地球都十分遥远，比日地间的距离大得多 ABC 　 『 想一想 』 如图所示为地球绕太阳运行的示意图，图中椭圆表示地球的公转轨道， A 、 B 、 C 、 D 分别表示春分、夏至、秋分、冬至时地球所在的位置，试分析说明一年之内秋冬两季比春夏两季要少几天的原因。 解析： 地球绕太阳运行时，对于北半球的观察者而言，秋冬季节地球在近地点运动，经过 CDA 这段曲线；在春夏季节地球经过 ABC 这段曲线，根据开普勒第二定律，地球在秋冬季节比在春夏季节运动得快一些，时间相应就短一些。一年之内，春夏两季共 184 天，秋冬两季只有 181 天。 课内互动探究 探究一　对开普勒行星运动定律的认识　 据报道，美国计划 2021 年开始每年送 15 000 名游客上太空旅游。如图所示，当飞船围绕地球做椭圆运动时，速度最大的位置是 __ _ __ 点，速度最小的位置是 __ _ __ 点 ( 选填 “ A ” 或 “ B ” ) ；飞船从 A 到 B 做 ________ 运动，从 B 到 A 做 ________ 运动 ( 选填 “ 加速 ” 或 “ 减速 ” ) 。 1 A 　 B 　 减速　 加速　 1 ．从空间分布认识 行星的轨道都是椭圆的，所有椭圆有一个共同的焦点，太阳就在此焦点上。 因此第一定律又叫椭圆轨道定律，如图 1 所示。 2 ．从速度大小认识 如图 2 所示，如果时间间隔相等，即 t 2 － t 1 ＝ t 4 － t 3 ，由开普勒第二定律，面积 A 等于面积 B ，可见离太阳越近，行星在相等时间内经过的弧长越长，即行星的速率就越大。 特别提醒： (1) 开普勒三定律是对行星绕太阳运动的总结，实践表明该定律也适用于其他天体的运动，如月球绕地球的运动，卫星 ( 或人造卫星 ) 绕行星的运动。 (2) 开普勒第二定律说的是同一行星在距太阳不同距离时的运动快慢的规律；开普勒第三定律说的是不同行星运动快慢的规律。 　　　 　 火星和木星沿各自的椭圆轨道绕太阳运行，根据开普勒行星运动定律可知 ( 　　 ) A ．太阳位于木星运行轨道的中心 B ．火星和木星绕太阳运行速度的大小始终相等 C ．火星与木星公转周期之比的平方等于它们轨道半长轴之比的立方 D ．相同时间内，火星与太阳连线扫过的面积等于木星与太阳连线扫过的面积 解题指导： 正确理解开普勒三定律是解题关键。 C 　 典例 1 解析： 太阳位于木星运行轨道的一个焦点上， A 项错误；火星与木星轨道不同，在运行时速度不可能始终相等， B 项错误； “ 在相等的时间内，行星与太阳连线扫过的面积相等 ” 是对于同一颗行星而言的，不同的行星，则不具有可比性， D 项错误；根据开普勒第三定律，对同一中心天体来说，行星公转半长轴的三次方与其周期的平方的比值为一定值， C 项正确。 ABC 　 探究二　天体运动的规律及分析方法　 如图是火星冲日年份示意图，观察图中地球、火星的位置，请思考地球和火星谁的公转周期更长？ 提示： 将地球和火星绕太阳的运动看作是匀速圆周运动，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 1 ．模型构建 天体虽做椭圆运动，但它们的轨道一般接近圆。中学阶段我们在处理天体运动问题时，为简化运算，一般把天体的运动当作圆周运动来研究，并且把它们视为做匀速圆周运动，椭圆的半长轴即为圆半径。 典例 2 解题指导： 解决行星运动问题，地球公转周期是一个很重要的隐含条件，可以将太阳系中的其他行星和地球公转周期、公转半径相联系，再利用开普勒第三定律求解。 答案： 2062 年 〔 对点训练 2〕 　 如图所示是 “ 九星连珠 ” 的示意图。若太阳系八大行星公转轨道可近似看作圆轨道，地球与太阳之间平均距离约为 1.5 亿千米，结合下表可知，火星与太阳之间的平均距离约为 ( 　　 ) A ． 1.2 亿千米　　　　 B ． 2.3 亿千米 C ． 4.6 亿千米 D ． 6.9 亿千米 B 　 水星 金星 地球 火星 木星 土星 公转周期 ( 年 ) 0.241 0.615 1.0 1.88 11.86 29.5 核心素养提升 1 ．定性分析： 行星靠近太阳时，速率增大；远离太阳时，速率减小。 2 ． 定量计算： 在近日点、远日点行星的速率与行星到太阳的距离成反比。 3 ． 近似处理： 行星的运行轨道看成圆时，行星做匀速圆周运动，速率不变。 开普勒第二定律的三种应用 　　　　 一颗人造地球卫星绕地球做椭圆运动，地球位于椭圆轨道的一个焦点上，如图所示，地球距离卫星的近地点 A 的距离为 L ，距离卫星的远地点 B 的距离为 s ，求卫星在 A 点和 B 点的速度之比。 案 例 答案： s ∶ L 点评： 此题做了近似处理，因为在椭圆上任取一小段，每一小段都可看成一个独立的圆周上的一段圆弧，所不同的是不同段的曲率半径不同。