【備課】高中物理教科2019版必修2：3.1 天體運(yùn)動(dòng)學(xué)案

1.天體運(yùn)動(dòng)課標(biāo)要求1.了解地心說(shuō)和日心說(shuō)，了解人類認(rèn)識(shí)行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律過(guò)程的曲折性，感悟真理來(lái)之不易．2．知道開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律的內(nèi)容，知道在中學(xué)階段研究行星運(yùn)動(dòng)時(shí)的近似處理．3．能用開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律分析一些簡(jiǎn)單的行星運(yùn)動(dòng)問(wèn)題．思維導(dǎo)圖必備知識(shí)·自主學(xué)習(xí)——突出基礎(chǔ)性素養(yǎng)夯基一、地心說(shuō)和日心說(shuō)1．地心說(shuō)：公元150年前后，古希臘學(xué)者托勒密構(gòu)建了地心宇宙體系．他認(rèn)為地球位于宇宙的中心，是靜止不動(dòng)的，其他天體繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)．2．日心說(shuō)：波蘭天文學(xué)家哥白尼提出日心說(shuō)，認(rèn)為太陽(yáng)是靜止不動(dòng)的，地球和其他行星都繞太陽(yáng)運(yùn)行．[導(dǎo)學(xué)1]日心說(shuō)的局限性：日心說(shuō)沒能擺脫地心說(shuō)的錯(cuò)誤觀念，認(rèn)為行星在圓軌道上做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，實(shí)際上所有行星軌道都是橢圓，運(yùn)動(dòng)速度大小也不是恒定的．二、開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律1．開普勒第一定律：所有的行星圍繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的軌道都是橢圓，太陽(yáng)處在所有橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上．2．開普勒第二定律：從太陽(yáng)到行星的連線在相等的時(shí)間內(nèi)掃過(guò)相等的面積．3．開普勒第三定律：行星軌道半長(zhǎng)軸的三次方與公轉(zhuǎn)周期的二次方的比是一個(gè)常量．其表達(dá)式為r3T2＝k，其中r代表橢圓軌道的半長(zhǎng)軸，T[導(dǎo)學(xué)2](1)同一行星在近日點(diǎn)的速度最大，在遠(yuǎn)日點(diǎn)的速度最?。?2)行星的公轉(zhuǎn)周期與軌道半長(zhǎng)軸之間有依賴關(guān)系，半長(zhǎng)軸越長(zhǎng)的行星，其公轉(zhuǎn)周期越長(zhǎng)．關(guān)鍵能力·合作探究——突出綜合性素養(yǎng)形成探究點(diǎn)一開普勒定律的理解導(dǎo)學(xué)探究如圖為太陽(yáng)系的八大行星繞太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)示意簡(jiǎn)圖，請(qǐng)?zhí)骄恳韵聠?wèn)題：(1)行星的軌道是什么樣的？(2)太陽(yáng)的位置有什么特點(diǎn)？(3)行星在軌道上不同位置的速度大小有什么特點(diǎn)？(4)不同的行星繞太陽(yáng)運(yùn)行的周期是否相同？歸納總結(jié)1.對(duì)開普勒第一定律的理解——確定行星運(yùn)動(dòng)的軌道(1)行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的軌道嚴(yán)格來(lái)說(shuō)不是圓而是橢圓，不同行星的軌道是不同的．(2)太陽(yáng)不在橢圓的中心，而是在其中的一個(gè)焦點(diǎn)上，太陽(yáng)的位置是所有行星軌道的一個(gè)共同焦點(diǎn)．(3)行星與太陽(yáng)間的距離是不斷變化的．2．對(duì)開普勒第二定律的理解——確定行星運(yùn)動(dòng)的快慢(1)行星離太陽(yáng)越近時(shí)速度越大，在近日點(diǎn)速度最大；行星靠近太陽(yáng)時(shí)速度增大．(2)行星離太陽(yáng)越遠(yuǎn)時(shí)速度越小，在遠(yuǎn)日點(diǎn)速度最小；行星遠(yuǎn)離太陽(yáng)時(shí)速度減小．(3)“行星與太陽(yáng)的連線在相等的時(shí)間內(nèi)掃過(guò)的面積相等”是對(duì)同一顆行星來(lái)說(shuō)的，不同的行星之間則無(wú)法比較．3．對(duì)開普勒第三定律的理解——確定行星運(yùn)動(dòng)的周期(1)公式：r3T2＝k(2)橢圓軌道半長(zhǎng)軸越長(zhǎng)的行星，其公轉(zhuǎn)周期越長(zhǎng)；反之，則公轉(zhuǎn)周期越短．典例示范例1(多選)關(guān)于衛(wèi)星繞地球的運(yùn)動(dòng)，根據(jù)開普勒定律，我們可以推出的正確結(jié)論有()A．所有人造地球衛(wèi)星都在同一橢圓軌道上繞地球運(yùn)動(dòng)B．衛(wèi)星繞地球運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，其速率與衛(wèi)星到地心的距離有關(guān)，距離小時(shí)速率小C．衛(wèi)星離地球越遠(yuǎn)，周期越大D．對(duì)于衛(wèi)星繞地球運(yùn)動(dòng)的a3T2值與月球繞地球運(yùn)動(dòng)的素養(yǎng)訓(xùn)練1(多選)如圖所示，對(duì)開普勒第一定律的理解，下列說(shuō)法中正確的是()A．在行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)一周的時(shí)間內(nèi)，它離太陽(yáng)的距離是不變的B．在行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)一周的時(shí)間內(nèi)，它離太陽(yáng)的距離是變化的C．某個(gè)行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的軌道一定是在某一固定的平面內(nèi)D．某個(gè)行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的軌道一定不在一個(gè)固定的平面內(nèi)素養(yǎng)訓(xùn)練2火星和木星沿各自的橢圓軌道繞太陽(yáng)運(yùn)行，根據(jù)開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律可知()A．太陽(yáng)位于木星運(yùn)行軌道的中心B．火星和木星繞太陽(yáng)運(yùn)行速度的大小始終相等C．火星與木星公轉(zhuǎn)周期之比的二次方等于它們軌道半長(zhǎng)軸之比的三次方D．相同時(shí)間內(nèi)，火星與太陽(yáng)連線掃過(guò)的面積等于木星與太陽(yáng)連線掃過(guò)的面積【思維方法】(1)開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律是對(duì)行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的總結(jié)，它也適用于其他天體的運(yùn)動(dòng)．(2)要注意開普勒第二定律描述的是同一行星離中心天體的距離不同時(shí)的運(yùn)動(dòng)快慢規(guī)律，開普勒第三定律描述的是不同行星繞同一中心天體運(yùn)動(dòng)快慢的規(guī)律．探究點(diǎn)二開普勒定律的應(yīng)用歸納總結(jié)1.適用范圍：(1)既適用于做橢圓運(yùn)動(dòng)的天體，也適用于做圓周運(yùn)動(dòng)的天體．(2)既適用于繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的天體，也適用于繞其他中心天體運(yùn)動(dòng)的天體．2．意義：開普勒關(guān)于行星運(yùn)動(dòng)的確切描述，不僅使人們?cè)诮鉀Q行星的運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題上有了依據(jù)，更澄清了人們對(duì)天體運(yùn)動(dòng)神秘、模糊的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也推動(dòng)了對(duì)天體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的研究．3．近似處理：由于行星的橢圓軌道都跟圓近似，在近似計(jì)算中，可以認(rèn)為，行星都以太陽(yáng)為圓心做勻速圓周運(yùn)動(dòng)．典例示范例2飛船沿半徑為R的圓周繞地球運(yùn)動(dòng)，其周期為T.如果飛船要返回地面，可在軌道上某點(diǎn)A處，將速率降低到適當(dāng)數(shù)值，從而使飛船沿著以地心為焦點(diǎn)的橢圓軌道運(yùn)動(dòng)，橢圓和地球表面在B點(diǎn)相切，如圖所示．如果地球半徑為R0，求飛船由A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)所需要的時(shí)間．素養(yǎng)訓(xùn)練3如圖是行星繞太陽(yáng)運(yùn)行的示意圖，下列說(shuō)法正確的是()A．速率最大點(diǎn)是B點(diǎn)B．速率最小點(diǎn)是C點(diǎn)C．行星從A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)做減速運(yùn)動(dòng)D．行星從A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)做加速運(yùn)動(dòng)素養(yǎng)訓(xùn)練4木星的公轉(zhuǎn)周期約為12年，如把地球到太陽(yáng)的距離作為1天文單位，則木星到太陽(yáng)的距離約為()A．2天文單位B．4天文單位C．5.2天文單位D．12天文單位隨堂演練·自主檢測(cè)——突出創(chuàng)新性素養(yǎng)達(dá)標(biāo)1．16世紀(jì)，哥白尼經(jīng)過(guò)40多年的天文觀測(cè)和潛心研究，提出“日心說(shuō)”的如下四個(gè)基本論點(diǎn)．這四個(gè)論點(diǎn)中目前看存在缺陷的是()A．與太陽(yáng)相比，其他恒星離地球的距離遠(yuǎn)得多B．宇宙的中心是太陽(yáng)，其它行星都圍繞太陽(yáng)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)C．地球自西向東自轉(zhuǎn)，使地球上的人感覺太陽(yáng)每天東升西落D．地球繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)，月球在繞地球運(yùn)動(dòng)的同時(shí)還跟地球一起繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)2.如圖所示，土星和火星都在圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，根據(jù)開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律可知()A．火星軌道是橢圓，土星軌道是圓B．土星比火星的公轉(zhuǎn)周期大C．火星遠(yuǎn)離太陽(yáng)的過(guò)程中，它與太陽(yáng)的連線在相等時(shí)間內(nèi)掃過(guò)的面積逐漸增大D．相同時(shí)間內(nèi)，土星與太陽(yáng)的連線掃過(guò)的面積等于火星與太陽(yáng)的連線掃過(guò)的面積3．已知日地距離為R0，天王星和地球的公轉(zhuǎn)周期分別為T和T0，則天王星與太陽(yáng)的距離為()A.3T2T04．開普勒被譽(yù)為“天空的立法者”、關(guān)于開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律，下列說(shuō)法正確的是()A．太陽(yáng)系的行星繞太陽(yáng)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)B．同一行星在繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)時(shí)近日點(diǎn)速度小于遠(yuǎn)日點(diǎn)速度C．繞太陽(yáng)運(yùn)行的多顆行星中離太陽(yáng)越遠(yuǎn)的行星運(yùn)行周期越大D．地球在宇宙中的地位獨(dú)特，太陽(yáng)和其他行星都圍繞著它做圓周運(yùn)動(dòng)5.(多選)某行星和地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的軌道均可視為圓．每過(guò)N年，行星會(huì)運(yùn)行到日地連線的延長(zhǎng)線上(與地球相距最近)，如圖所示，設(shè)該行星與地球的公轉(zhuǎn)周期之比為k1，公轉(zhuǎn)軌道半徑之比為k2，則()A．k1＝N+1NB．k1＝NN-1C．k2＝N+1N1．天體運(yùn)動(dòng)關(guān)鍵能力·合作探究探究點(diǎn)一【導(dǎo)學(xué)探究】提示：(1)是橢圓．(2)在所有行星運(yùn)動(dòng)橢圓軌道的一個(gè)共同焦點(diǎn)上．(3)距離太陽(yáng)越近，速率越大，反之越小．(4)不同．【典例示范】例1解析：人造地球衛(wèi)星在不同的橢圓軌道上繞地球運(yùn)動(dòng)，A項(xiàng)錯(cuò)誤；由開普勒第二定律知：衛(wèi)星離地心的距離越小，速率越大，B項(xiàng)錯(cuò)誤；由開普勒第三定律知：衛(wèi)星離地球越遠(yuǎn)，周期越大，C項(xiàng)正確；衛(wèi)星繞地球運(yùn)動(dòng)與月球繞地球運(yùn)動(dòng)的中心天體都是地球，衛(wèi)星繞地球運(yùn)動(dòng)的a3T2答案：CD素養(yǎng)訓(xùn)練1解析：根據(jù)開普勒第一定律的內(nèi)容可以判定：行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的軌道是橢圓，有時(shí)遠(yuǎn)離太陽(yáng)，有時(shí)靠近太陽(yáng)，所以它離太陽(yáng)的距離是變化的，A錯(cuò)誤，B正確；行星圍繞著太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的軌道都是橢圓，所以某個(gè)行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的軌道一定是在某一固定的平面內(nèi)，C正確，D錯(cuò)誤．答案：BC素養(yǎng)訓(xùn)練2解析：火星和木星在橢圓軌道上運(yùn)行，太陽(yáng)位于橢圓軌道的一個(gè)共同焦點(diǎn)上，A錯(cuò)誤；由于火星和木星在不同的軌道上運(yùn)行，且是橢圓軌道，速度大小變化，火星和木星的運(yùn)行速度大小不一定相等，B錯(cuò)誤；由開普勒第三定律可知，a火3T火2＝a木答案：C探究點(diǎn)二【典例示范】例2解析：飛船沿橢圓軌道返回地面，由題圖可知，飛船由A點(diǎn)到B點(diǎn)所需要的時(shí)間剛好是沿圖中整個(gè)橢圓運(yùn)動(dòng)周期的一半，橢圓軌道的半長(zhǎng)軸為R+R02根據(jù)開普勒第三定律有R3T2解得T′＝TR+R02R所以飛船由A點(diǎn)到B點(diǎn)所需要的時(shí)間為t＝T'2＝答案：R+素養(yǎng)訓(xùn)練3解析：由開普勒第二定律知行星與太陽(yáng)的連線在相等的時(shí)間內(nèi)掃過(guò)的面積相等，A點(diǎn)為近日點(diǎn)，速率最大，B點(diǎn)為遠(yuǎn)日點(diǎn)，速率最小，故選項(xiàng)A、B錯(cuò)誤；行星由A點(diǎn)到B點(diǎn)的過(guò)程中，離太陽(yáng)的距離越來(lái)越遠(yuǎn)，所以行星的速率越來(lái)越小，故選項(xiàng)C正確，D錯(cuò)誤。答案：C素養(yǎng)訓(xùn)練4解析：木星、地球都環(huán)繞太陽(yáng)按橢圓軌道運(yùn)動(dòng)，近似計(jì)算時(shí)可當(dāng)成圓軌道處理，因此它們到太陽(yáng)的距離可當(dāng)成是繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的軌道半徑，根據(jù)開普勒第三定律r木3T木2＝r地3T地2得答案：C隨堂演練·自主檢測(cè)1．解析：與太陽(yáng)相比，其他恒星離地球的距離遠(yuǎn)得多，A正確；宇宙的中心不是太陽(yáng)，其它行星也不都圍繞太陽(yáng)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，B錯(cuò)誤；地球自西向東自轉(zhuǎn)，使地球上的人感覺太陽(yáng)每天東升西落，C正確；地球繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)，月球在繞地球運(yùn)動(dòng)的同時(shí)還跟地球一起繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)，D正確．答案：B2．解析：根據(jù)開普勒第一定律可知，行星軌道都是橢圓，故A錯(cuò)誤；根據(jù)開普勒第三定律a3T2答案：B3．解析：天王星和地球繞太陽(yáng)做圓周運(yùn)動(dòng)，根據(jù)開普勒第三定律R03T02＝R3T2，解得答案：A4．解析：根據(jù)開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律可知，太陽(yáng)系的行星繞太陽(yáng)的軌道是橢圓，且速度大小在改變，A錯(cuò)