第七章 1 行星的运动—(新教材)人教版高中物理必修第二册精品课件(共27张PPT)

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．
若是匀速圆 周运动……
开普勒（德国）
第 谷（丹麦）
↓
↓
四年多的刻苦计算 → 8分的误差 ←二十年的精心观测
↓
否定19 种假设
↓
行星轨道为椭圆
假设地球绕太阳的运动是一个椭 圆运动,太阳在焦点上,根据曲线运动的 特点，得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。
7.1《行星的运动》
教学目标
❖ 知识与技能
❖ 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， 但与太阳的质量有关．
❖ 4．理解人们对行星运动的认识过程是漫长复杂的，真理 是来之不易的．
所有行星的椭圆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。
表达式：
半长轴
a3 =k
T2 行星绕太阳公转的 周期
探究2：
行星 半长轴(x106km) 公转周期(天)
水星
57
87.97
金星
108
225
地球
149
365
火星
228
687
木星
778

功预言哈雷彗星的回归，哈雷彗星最近出现的时间是1986年，预测下次飞近地球
星经过近日点时的速度 vb 为( D )
b
A. va
a
B．
a
va
b
C.
b
va
a
a
D． va
b
[解析] 取极短时间Δt 研究，根据开普勒第二定律知行星与太阳的连线在相
等时间内扫过的面积相等．
1
1
则有： a·va·Δt＝ b·vb·Δt
2
2
a
得到：vb＝ va.
b
04
拓展：认识太阳系
太
阳
系
示
意
图
太阳系的天体构成包括太阳、
导入新课
自古以来，人们就观察到日出日落：
由于地球的自转，我们在地球上看到天上的星星，感觉上都是绕地球运动，
太阳与月亮也一样，这样人们就很容易得出，地球是宇宙的中心，太阳、月亮
及所有的星星都是绕地球转动的。这就是地心说。
01
地心说
托勒密
地
心
说
地球是宇宙的中心,并且静止不动,一切行星围绕地球做
圆周运动
由于月球绕地球运动，地球绕太阳运动，中心天体质量不同，即k值不同，所以即
使已知月球与地球之间的距离，也无法求出地球与太阳之间的距离，故C正确，
BD错误。
【例题】地球的公转轨道接近圆，但彗星的运动轨道是一个非常扁的椭圆如图所
示。近日点与太阳中心的距离为 ，远日点到太阳的距离为 。天文学家哈雷成
在中学阶段的研
究中我们可按圆
轨道处理。
1. 行星绕太阳运动的轨道近似为圆，太阳处于圆心。
2. 行星绕太阳做匀速圆周运动。
3. 所有行星轨道半径的三次方与它的公转周期的二次

最后一位肉眼观测星星的天文学家
一、对行星运动规律的认识
4.开普勒——天空立法者
开普勒相信哥白尼的学说，所以开始时他按行星 绕太阳做匀速圆周 运动的观点来思考问题。在他对火 星轨道的研究中，70 余次尝试所得的结果都与第谷的 观测数据 有至少8′的偏差。
是第谷测量错了吗？还是哥白尼错了？
“完美的”匀速圆周运动，第一次受到了质疑
②行星绕太阳做圆周运动的角速度 （线速度）大小不变，即行星
做匀速圆周运动
③所有行星轨道半径r的三次方跟它的公转周期的二次方的比值都
相等
r3 T2
=
k，k是一个对所有行星都相同的常量
太阳系轨道示意图
太阳的八大行星谁的周期最长呢？
例题
1. 地球绕太阳的运行轨道是椭圆，因而地球与太阳之间的距离随季节变化。冬至 这天地球离太阳最近，夏至最远。下列关于地球在这两天绕太阳公转速度大小
➢最后他假设行星绕太阳运动的 轨道不是圆，而是椭圆，终于解 释这种差别。 同时他还发现了行 星运动的其他规律。他把他发现 的规律分别于1609 年和 1619 年 公开发表，后人称为开普勒行星 运动定律。
二、开普勒行星运动定律
1.开普勒第一定律 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。（轨道定律）
• 从表面上看，日心说与地心说不过是参考系的改变。其实，这是 一次真正的科学革命，因为它使人们的世界观发生了重大变革。 宇宙中心的转变暗示了宇宙可 能根本没有中心！
一、对行星运动规律的认识
3.第谷——天才的观测家
他的天象记录，几乎包罗了望远镜发明之前肉眼所能观测的全部
➢在他以前，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′。他的观测结果为哥 白尼的学说提供了关键性的支持。

开普勒第一定律 （几何定律）
*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。
开普勒第二定律 （面积定律）
*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。
开普勒第三定律 （周期定律）
aHale Waihona Puke *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。
a3 T2
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飞行中打开舱盖进行实验
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k
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一 行星的运动
以下是一组宇宙探索的图片，浏 览它们，你有什么感受呢……
我们的银河系
太阳系的主要成员——太阳和其九大行星： 水星、金星、地球、火星、木星、土星、 天王星、海王星、冥王星。
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国际空间站的首批乘员
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绕行 天体
中心 天体
半长轴 （x106k
m）
期公（转天周）k/（m3/s2）
水星
57.91 87.97 3.36×1018
金星
太阳
108.94
224.7 1
地球 同步 卫星
月球
149.60 365
0.0424 1
地球
K值计算器 0.3844
27.32
1.02×1013
八大行星的中心天体都是太阳，K值相同！
2、开普勒行星运动定律
地球
F
F
R
第一定律：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。
（轨道定律）
2、开普勒行星运动定律
第二定律：对任意一个行星来说，它与太阳的连线在 相等的时间内扫过相等的面积。
F
F
（面积定律）
行星在远离太阳的过程中速度如何变化？ 秋
F
F
冬
夏
春 近日点速度快，远日点速度慢．
开普勒 第一定律 第二定律
1609
开普勒 第三定律
1619
2、开普勒行星运动定律
第三定律：所有行星的椭圆轨道的半长轴的三
次方跟它的公转周期的二次方的比值都相等。
地球
(周期定律)
F
F
半长轴
a3
表达式：
=k
a
T2
行星绕太阳
公转的周期
k中寻是探心找仅究天比由四体值中：相K心同取天的决体系于决统什定里么,与k因相绕素同行？。天体无k关，Ta在32
例如：
k
a地3 T地 2
a水3 T水 2
练一练
2、木星的公转周期约为12年，地球到太阳 的距离为1天文单位，则木星到太阳的距离约 为（C ）

所有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
从太阳到行星的连线在 _相__等____的时间内扫过 _相__等____的面积
公式或图示
定律
开普勒 第三 定律
内容
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
(2)还需要知道地球、火星各自轨道的半长轴； (3)对于圆轨道，开普勒第三定律仍然适用，只是Ta32＝k 中的半长轴 a 换成圆的轨道半径 r。
要点提炼
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。
探究 二
开普勒第三定律的应用
情景导入
如图所示是火星冲日的年份示意 图，请思考：
(1)观察图中地球、火星的位置，地 球和火星谁的公转周期更长？
(2)已知地球的公转周期是一年，由 此计算火星的公转周期还需要知道哪些 数据？
(3)地球、火星的轨道可近似看成圆 轨道，开普勒第三定律还适用吗？
提示：(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；
第七章 万有引力与宇宙航行
〔情 境 导 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。

【解析】选B。根据开普勒第一定律: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,故A错误;根据开普勒第二定律: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, 所以对任何一颗行星来说,离太阳越近,运行速率就越 大,故B正确;开普勒第三定律中的公式 =k,可知半
【解析】选B、D。根据开普勒第二定律可知,“嫦娥三 号”从A点到B点运行速率逐渐减小,选项A错误,B正确 ;“嫦娥三号”从A点到C点运行的平均速率大于从C点 到B点运行的平均速率,可知从A点到C点运行时间小于 四分之一周期,选项C错误,D正确。
【素养训练】 1.开普勒分别于1609年和1619年发表了他发现的行星 运动规律,后人称之为开普勒行星运动定律。关于开普 勒行星运动定律,下列说法正确的是 ( ) A.所有行星绕太阳运动的轨道都是圆,太阳处在圆心上 B.对任何一颗行星来说,离太阳越近,运行速率就越大 C.行星公转周期与行星的质量有关 D.所有行星的轨道的半长轴与公转周期成正比
动遵循开普勒行星运动定律吗? (科学思维)
提示:遵循。
【典例示范】(多选)如图所示,“嫦娥三号”绕月球沿 椭圆轨道运行,绕行方向为逆时针方向,A、B分别为近 月点和远月点,C是轨道上到A、B距离相等的点,则下列 说法正确的是 ( )
A.“嫦娥三号”从A点到B点运行速率逐渐增大 B.“嫦娥三号”从A点到B点运行速率逐渐减小 C.“嫦娥三号”从A点到C点的运行时间等于四分之一 周期 D.“嫦娥三号”从A点到C点的运行时间小于四分之一 周期
(2)意义:否定了行星圆形轨道的说法,建立了正确的轨 道理论,给出了太阳的准确位置。
2.开普勒第二定律: (1)说明:行星靠近太阳时速度增大,远离太阳时速度减 小。近日点速度最大,远日点速度最小,如图所示。

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
高中物理 必修第二册 第七章 万有引力与宇宙航行
➢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。
=k，以下理解正确的
是（ D ）
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
a地3 T地2
=
a月3 T月2
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。
7.1 行星的运动
高中物理 必修第二册 第七章 万有引力与宇宙航行
学习目标
1. 了解人类对行星运动规律的认识历程 2. 知道观察是研究行星运动规律的一种重要的方法 3. 知道如何画椭圆及椭圆的特征 4. 知道开普勒行星运动定律，知道开普勒行星运动定律的科学价值

练习：
求同步卫星离地面高度
设卫星离地面高度为h
由 GM地m卫 (R地 h)2

m卫
(
2
T
)2 (R地
h)h
3
解得h
GM 地T 2
4 2
R地
3.6104 km
5.6R地
地球同步卫星能否位于厦门正上方某一确定高度h ？
同步卫星的线速度
解：万有引力提供向心力 故
=
由此解出v = 将地球质量 M及轨道半径r带入
GM 地
23.14
6.67
(6.37 1011
106 )3 5.891024
s
5.07103 s 84.5min
我们能否发射一颗周期为 50min的卫星呢？
人造地球卫星
问题：卫星的轨道圆心在哪儿？
赤道卫
所有卫星的轨道圆心都在地心上 其他卫星
其他卫星
极地卫星
其他卫星
赤道卫星
人造卫星的发射速度
1、第一宇宙速度： (环绕速度）
GM
v1
7.9km / s R
V3=16.7km/s V2=11.2km/s
法二：v1 gR 7.9km/ s
2、第二宇宙速度： (逃逸速度)
地球
V1=7.9km/s
v2 11.2km / s
人造行星 的发射速度： 11.2km/s>v>7.9km/s
重力=万有引力=向心力
mg=G
Mm r2

m
v2 r
式中：r R h g是高空h处的重力加速度
模型三、“双星”
• “双星”是由两颗绕着共同的中心旋转的星球 组成。它们围绕它们的连线上的某一固定点做 同周期的匀速圆周运动，这种结构称为双星。

思考：椭圆上某点到两个焦点的距离之和与椭圆上另一点到两焦点 的距离之和有什么关系?
二、开普勒三大定律 2.开普勒第二定律(面积定律）
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。
二、开普勒三大定律 问题 你认为春夏两季的时间长还是秋冬两季的时间长？
行
星
的
运
动
1、轨道定律
开普勒三大定律 2、面积定律
3、周期定律
课堂检测
D 1.下列说法都是“日心说”的观点，现在看来其中正确的是( )
A．宇宙的中心是太阳，所有行星都在绕太阳做匀速圆周运动 B．地球是绕太阳运动的普通行星，月球是绕地球旋转的卫星，它 绕地球做匀速圆周运动，同时还跟地球一起绕太阳运动 C．天体不动，因为地球每天自西向东转一周，造成天体每天东升 西落的现象 D．与日地距离相比，恒星离地球十分遥远，比日地间距离大得多
行星/卫星 半长轴（106km） 周期（天） k（m³/s²）
水星 金星 地球 火星 木星 土星 天王星 海王星 月球 同步卫星
57 108 149 228 778 1426 2870 4498 0.3844 0.0424
87.97 225 365 687 4333 10759 30660 60148 27.3 1
课堂检测
BD 2.关于行星绕太阳运动，下列说法正确的是( )
A．行星在椭圆轨道上绕太阳运动的过程中，其速度与行星和太阳 之间的距离有关，距离小时速度小，距离大时速度大 B．所有行星在椭圆轨道上绕太阳运动，太阳在椭圆轨道的一个焦 点上 C．所有行星绕太阳运动的周期都是相等的 D．行星之所以在椭圆轨道上绕太阳运动，主要是由于太阳对行星 的引力作用