高中物理人教版 (2019)必修 第二册行星的运动学案

这是一份高中物理人教版 (2019)必修 第二册行星的运动学案，共9页。
知识点一 人类对行星运动规律的认识
阅读教材“科学漫步”，关于托勒密的地心说的观点，思考下列问题：
(1)地心说的基本观点是什么？它是怎样解释天体运动的？
(2)托勒密模型为什么能流传1 000多年？
(3)我们知道“日心说”比“地心说”要准确一些，那么日心说是完全正确的吗？






1.地心说：________是宇宙的中心，是静止不动的，太阳、月球以及其他星体都绕________运动。代表人物________。
2.日心说：________是静止不动的，地球和其他行星都绕________运动。代表人物________。
3.局限性：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________________________________________________________________________，而与丹麦天文学家第谷的观测数据不符。
例1 (多选)人类对行星运动规律的认识有两种学说，下列说法正确的是( )
A.地心说的代表人物是“托勒密”
B.地心说的代表人物是“亚里士多德”
C.日心说的代表人物是“开普勒”
D.地心说和日心说都有其局限性
知识点二 开普勒定律
我们生活的地球自转的同时还绕太阳公转，从而造成四季变换，如图所示为地球绕太阳运动的示意图及北半球春分、夏至、秋分、冬至时地球所在的位置。
太阳是否在轨道中心？夏至、冬至时地球到太阳的距离是否相等？





1.开普勒第一定律：
所有行星绕太阳运动的轨道都是________，太阳处在________的一个________上。开普勒第一定律又叫轨道定律。
2.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________相等。开普勒第二定律又叫面积定律。
注意：“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，对不同行星则不成立。
3.开普勒第三定律：
所有行星轨道的________________跟它的________________________的比都相等。其表达式为eq \f(a3,T2)＝k，其中a代表椭圆轨道的半长轴，T代表行星绕太阳公转的周期，k是对所有行星都相同的常量。开普勒第三定律也叫周期定律。该定律不仅适用于行星绕太阳的运动，也适用于卫星绕地球的运动(注意k值不同)。
【思考】
1.开普勒第一定律说明了行星运动轨迹的形状，那不同的行星绕太阳运行时椭圆轨道相同吗？




2.行星沿着椭圆轨道运行，太阳位于椭圆的一个焦点上，则行星在远日点的速率与在近日点的速率谁大？



3.开普勒第三定律中的常量k可能与谁有关？



例2 (教材P45图7.1－1改编)如图所示，焦点为F1和F2的椭圆表示火星绕太阳运行的轨道，已知火星运行到A点的速率比运行到B点的速率大，则根据开普勒定律可知，太阳应位于( )
A.A处 B.B处
C.F1处 D.F2处
听课笔记

例3 “天问一号”成功被火星捕获，成为火星的人造卫星。这也拉开了我国探索火星的序幕。结合开普勒行星运动定律，判断下列对火星的说法正确的是( )
A.太阳位于火星运行轨道的中心
B.火星绕太阳运行速度的大小始终相等
C.火星和地球公转周期之比的二次方等于它们轨道半长轴之比的三次方
D.相同时间内，火星与太阳连线扫过的面积等于地球与太阳连线扫过的面积
听课笔记

知识点三 开普勒定律的应用
1.当比较一个行星在椭圆轨道不同位置的速度大小时，选用开普勒第二定律；当比较或计算两个行星的周期问题时，选用开普勒第三定律。
2.由于大多数行星绕太阳运动的轨道与圆十分接近，因此在中学阶段的研究中我们可以按圆轨道处理，且把行星绕太阳的运动看作是匀速圆周运动，所有行星____________的三次方跟它的公转周期T的二次方的________________，即eq \f(r3,T2)＝k或eq \f(req \\al(3,1),Teq \\al(2,1))＝eq \f(req \\al(3,2),Teq \\al(2,2))。
角度1 开普勒第二定律的应用
例4 (2024·上海卷)如图所示，太阳系中木星沿着椭圆轨道绕太阳运行，其中a、c为椭圆长轴上的两个端点，b、d为椭圆短轴上的两个端点。木星绕太阳的运行周期为T。某时刻木星沿逆时针绕过a点，从该时刻起，经过eq \f(T,4)后，木星位于( )
A.ab间 B.b点
C.bc间 D.c点
听课笔记




角度2 开普勒第三定律的应用
例5 (教材P48T1改编)地球公转轨道的半径在天文学上被作为长度单位，叫天文单位，用来度量太阳系内天体与太阳的距离。已知火星的公转轨道半径是1.5天文单位，那么，火星的公转周期大约是( )
A.478天 B.548天
C.668天 D.821天
听课笔记




随堂对点自测
1.(地心说和日心说)自古以来，当人们仰望星空时，天空中壮丽璀璨的景象便吸引了人们的注意，人类用智慧的头脑不断地探索星体运动的奥秘。下列对星体运动认识的叙述中符合现代认识观点的是( )
A.人们观测到太阳每天都要东升西落，这说明地球是静止不动的，是宇宙的中心
B.人们观测到行星绕太阳做圆周运动，这说明太阳是静止不动的，是宇宙的中心
C.人们认为天体的运动是神圣的，因此天体的运动是最完美、最和谐的匀速圆周运动
D.开普勒通过对第谷大量观测数据的深入研究，得出了行星绕太阳运动的轨道是椭圆的结论
2.(开普勒定律的理解)地球沿椭圆轨道绕太阳运行，月球沿椭圆轨道绕地球运行。下列说法正确的是( )
A.地球位于月球运行轨道的中心
B.地球在近日点的运行速度大于其在远日点的运行速度
C.地球与月球公转周期二次方之比等于它们轨道半长轴三次方之比
D.相同时间内，地球与太阳连线扫过的面积等于月球与地球连线扫过的面积
3.(开普勒第二定律的应用)(多选)如图所示，某行星沿椭圆轨道运行，A为远日点，离太阳的距离为a，B为近日点，离太阳的距离为b，行星过远日点时的速率为va，过近日点时的速率为vb。已知图中的两个阴影部分的面积相等，则( )
A.vb＝eq \r(\f(a,b))va
B.vb＝eq \f(a,b)va
C.行星从A到A′的时间小于从B到B′的时间
D.太阳一定在该椭圆的一个焦点上
4.(开普勒第三定律的应用)2022年11月9日发生了天王星冲日现象，即太阳、地球、天王星处于同一直线，此时是观察天王星的最佳时间。已知日地距离为R0，天王星和地球的公转周期分别为T和T0，则天王星与太阳的距离为( )
A.eq \r(3,\f(T2,Teq \\al(2,0)))R0 B.eq \r(\f(T3,Teq \\al(3,0)))R0
C.eq \r(3,\f(Teq \\al(2,0),T2))R0 D.eq \r(\f(Teq \\al(3,0),T3))R0
第1节 行星的运动
知识点一
导学
提示 (1)地心说认为地球是静止不动的，太阳、月亮及其他行星都围绕地球运动。地球是宇宙的中心，月亮、太阳及各个行星围绕着地球在大小不同的轨道上运动。
(2)托勒密模型符合人们坐地观天的习惯，在当时，能较好地预报行星的位置、日食和月食，也能顺利地解释许多天文现象，是西方古代天文学的研究基础。
(3)日心说也并不是完全正确的，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。
知识梳理
1.地球 地球 托勒密 2.太阳 太阳 哥白尼 3.匀速圆周运动
例1 AD [地心说的代表人物是“托勒密”，日心说的代表人物是“哥白尼”，故A正确，B、C错误；地心说和日心说都有其局限性，故D正确。]
知识点二
导学
提示 太阳不在轨道中心，而在轨道的焦点上。夏至、冬至时地球到太阳的距离不相等，夏至时地球离太阳远些。
知识梳理
1.椭圆 椭圆 焦点 2.面积 3.半长轴的三次方 公转周期的二次方
[思考]
1.提示 不同，行星绕太阳运行的椭圆轨道不一样，但这些轨道有一个共同的焦点，即太阳所处的位置。
2.提示 行星在近日点的速率大于远日点的速率。
3.提示 k只与中心天体有关。
例2 D [根据开普勒第一定律可知，太阳位于椭圆轨道的焦点位置；根据开普勒第二定律可知，距离太阳越近的位置速率越大，则太阳应位于F2位置，故D正确。]
例3 C [太阳位于火星运行椭圆轨道的一个焦点上，故A项错误；由于火星沿椭圆轨道绕太阳运行，火星绕太阳运行的速度大小在变化，故B项错误；根据开普勒第三定律可知，火星与地球公转周期之比的二次方等于它们轨道半长轴之比的三次方，故C项正确；相等时间内，火星与太阳连线扫过的面积不等于地球与太阳连线扫过的面积，故D项错误。]
知识点三
2.轨道半径r 比值都相等
例4 C [木星从a点经b点运动到c点的过程中，根据开普勒第二定律可知，该过程中木星的速度一直减小，则木星在ab段的平均速度大于在bc段的平均速度，又tac＝eq \f(T,2)，所以tabeq \f(T,4)，故从该时刻起，经过eq \f(T,4)后，木星位于bc间，故C正确。]
例5 C [据题意，火星的公转轨道半径是地球公转轨道半径的1.5倍，地球绕太阳公转的周期是365天，据开普勒第三定律可得eq \f(req \\al(3,1),Teq \\al(2,1))＝eq \f(req \\al(3,2),Teq \\al(2,2))，解得火星的公转周期T2＝eq \r(\f(req \\al(3,2),req \\al(3,1)))·T1＝eq \r(1.53)×365天≈668天，故C正确，A、B、D错误。]
随堂对点自测
1.D [在太阳系中，包括地球在内的所有行星都绕太阳运转，故太阳是太阳系的中心，而在整个宇宙中，太阳也在不断绕着其他天体运转，故太阳不是宇宙的中心，A、B错误；开普勒通过对第谷大量观测数据的深入研究，得出了行星绕太阳运动的轨道是椭圆的结论，C错误，D正确。]
2.B [根据开普勒第一定律知，地球位于月球椭圆运行轨道的一个焦点上，A错误；根据开普勒第二定律，地球和太阳的连线在相等时间内扫过的面积相等，所以地球在近日点的运行速度大于其在远日点的运行速度，B正确；根据开普勒第三定律知，所有行星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，但地球与月球不是绕同一个星球运动，不满足这一结论，C错误；根据开普勒第二定律知，对任意一个行星而言，太阳与行星的连线在相等时间内扫过的面积相等，但地球与月球不是绕同一个星球运动，不满足这一结论，D错误。]
3.BD [取极短时间Δt，根据开普勒第二定律得eq \f(1,2)a·vaΔt＝eq \f(1,2)b·vbΔt，则vb＝eq \f(a,b)va，故A错误，B正确；已知题图中的两个阴影部分的面积相等，由开普勒第二定律可知它们的运动时间相等，故C错误；由开普勒第一定律可知太阳一定在该椭圆的一个焦点上，故D正确。]
4.A [由开普勒第三定律可知eq \f(R3,T2)＝eq \f(Req \\al(3,0),Teq \\al(2,0))，可得R＝eq \r(3,\f(T2,Teq \\al(2,0)))R0，故A正确，B、C、D错误。]