7.1行星的運動課件高一下學(xué)期物理人教版

第七章

萬有引力與宇宙航行7.1行星的運動(牛頓的)《原理》將成為一座永垂不朽的深邃智慧的紀(jì)念碑，它向我們揭示了最偉大的宇宙定律，是高于(當(dāng)時)人類一切其他思想產(chǎn)物之上的杰作，這個簡單而普遍定律的發(fā)現(xiàn)，以它囊括對象之巨大和多樣性，給予人類智慧以光榮。拉普拉斯問題：不同行星都在各自的軌道上繞太陽運行，行星運行的軌道有怎樣的特點?行星繞太陽運行的周期與距離太陽的遠(yuǎn)近是否存在某種關(guān)系?在古代，人們對于天體的運動存在著地心說和日心說兩種對立的看法。地心說認(rèn)為地球是宇宙的中心，是靜止不動的，太陽、月球以及其他星體都繞地球運動。它符合人們的直接經(jīng)驗。日心說則認(rèn)為太陽是靜止不動的，地球和其他行星都繞太陽運動，似乎與人們的生活經(jīng)驗不相符合。經(jīng)過長期論爭，日心說戰(zhàn)勝了地心說，最終被接受無論地心說還是日心說，古人都把天體的運動看得很神圣，認(rèn)為天體的運動必然是最完美、最和諧的勻速圓周運動行星運動果真如此嗎?開普勒定律德國天文學(xué)家開普勒用20年的時間研究了丹麥天文學(xué)家第谷的行星觀測記錄，發(fā)現(xiàn)如果假設(shè)行星的運動是勾速圓周運動，計算所得的數(shù)據(jù)與觀測數(shù)據(jù)不符;只有假設(shè)行星繞太陽運動的軌道不是圓，而是橢圓，才能解釋這種差別。他還發(fā)現(xiàn)了行星運動的其他規(guī)律。開普勒分別于1609年和1619年發(fā)表了他發(fā)現(xiàn)的下列規(guī)律，后人稱為開普勒行星運動定律。開普勒第一定律所有行星繞太陽運動的軌道都是橢圓，太陽處在橢圓的一個焦點上。開普勒第一定律告訴我們:行星繞太陽運行的軌道嚴(yán)格來說不是圓而是橢圓;太陽不在橢圓的中心，而是在其中一個焦點上;行星與太陽間的距離是不斷變化的。做一做繪制橢圓可以用一條細(xì)繩和兩只圖釘來畫橢圓。如右圖7.1-1，把白紙鋪在木板上，然后按上圖釘。圖7.1-1把細(xì)繩的兩端系在圖釘上，用一支鉛筆緊貼著細(xì)繩滑動，使繩始終保持張緊狀態(tài)鉛筆在紙上畫出的軌跡就是橢圓，圖釘在紙上留下的痕跡叫作橢圓的焦點。保持繩長不變，當(dāng)兩焦點不斷靠近時，橢圓形狀如何變化?焦點重合時，半長軸轉(zhuǎn)變?yōu)槭裁?開普勒第二定律對任意一個行星來說，它與太陽的連線在相等的時間內(nèi)掃過的面積相等(圖7.1-2)。開普勒第二定律告訴我們:當(dāng)行星離太陽較近的時候運行的速度較大，而離太陽較遠(yuǎn)的時候速度較小

實際上，行星的軌道與圓十分接近，在中學(xué)階段的研究中我們可按圓軌道處理。這樣就可以說:1.行星繞太陽運動的軌道十分接近圓，太陽處在圓心。2.對某一行星來說，它繞太陽做圓周運動的角速度（或線速度）大小不變，即行星做勻速圓周運動。

科學(xué)漫步托勒密:地心宇由當(dāng)我們遠(yuǎn)古的祖先驚嘆星空的玄妙時，他們就開始試圖破譯日月星辰等天文現(xiàn)象的奧秘·.....那時，多數(shù)人都自然地認(rèn)為，地球是靜止不動的，太陽、月球和星星從頭上飛過，地球是宇市的中心我們的祖先發(fā)現(xiàn)，盡管所有辰每日都耍東升西落，但絕大多數(shù)星星的相互位置都幾乎是固定的，幾百年內(nèi)不會發(fā)生肉眼可見的變化，它們是“恒星”。然而，水星、全星、火星、木星、土星這五顆亮星則在眾星的背景前移動，有的在幾個星期中就能發(fā)現(xiàn)它的位置變化，所以它們叫作“行星”。細(xì)心的觀察表明，行星并非總向一個方向移動。大多數(shù)時間它相對于恒星由西向東移動但有時卻要停下來，然后向西移動一段時間，隨后又向東移動，這個現(xiàn)象叫作行星的逆行(圖7.1-4)。為了解釋行星的逆行，古希臘人提出一個理論這個理論認(rèn)為每個行星都沿著圓運動，這個圓叫作“本輪”，同時本輪的圓心又環(huán)繞著地球沼一個叫作“均輪”的大圓運動(圖7.1-5)。這個理論在公元2世紀(jì)由偉大的古代天文學(xué)家托勒密完善而成。值得指出的是，一個本輪與一個均輪還不能十分準(zhǔn)確地解釋行星的運動。為了與觀察結(jié)果更好地符合，每個行星需要不止一個本輪，結(jié)果“輪上輪”的總數(shù)達(dá)到80多個，并且還要引入“偏心點”和“偏心等距點”等復(fù)雜概念。這就使它缺少簡潔性而簡潔性正是科學(xué)家們所追求的。哥白尼:攔住了太陽，推動了地球公元1543年，波蘭的一位長者哥白尼臨終前在病榻上為其畢生致力的著作《天體運行論》簽上了自己的姓名，這部書預(yù)示了地心字宙論的終結(jié)。第谷:天才的觀測家哥白尼去世后三年，第谷在丹表出生了。他全身心授入到行星位置的觀測巾。在他以前，人們測量天體位置的誤差大約是10’，第谷把這個不確定性減小到2’。他的觀測結(jié)果為哥白尼的學(xué)說提供了關(guān)鍵性的支持。1600年，出生于德國的開普勒開始與第谷一起工作，他善于從理論上思考問題。為了完成他構(gòu)建理論宇宙學(xué)的追求，開普勒需要第谷的觀測數(shù)據(jù)。第谷為了把他的數(shù)據(jù)組織成有用的形式，需要開告勒的數(shù)學(xué)天才。18個月后，第谷去世了。開普勒以全部精力整理第谷的觀測數(shù)據(jù)，企望求得對行星運動軌道的更準(zhǔn)確的描述。開普勒:真理超出期望開普勒相信哥白尼的學(xué)說，所以開始時他按行星繞太陽做勻速圓周運動的觀點來思考問題。在他對火星軌道的研究中，70余次嘗試所得的結(jié)果都與第谷的觀測效據(jù)有至少8的偏差。是第谷測量錯了嗎”開普勒對第谷數(shù)據(jù)的精確性深信不疑。他想，這不容忽初的8’也許正是因為行星的運動并非勻速圓周運動。至此，人們長期以來視為真理的觀念一一天體在做“完美的”勻速圓周運動，第一次受到了懷疑。此后，他經(jīng)過多年的嘗試性計算，終于發(fā)現(xiàn)并先后于1609年和1619年發(fā)表了行星運動的三個定律。學(xué)以致用-練習(xí)鞏固1.地球公轉(zhuǎn)軌道的半徑在天文學(xué)上常用來作為長度單位，叫作天文單位，用來量度太陽系內(nèi)天體與太陽的距離。(這只是個粗略的說法。在天文學(xué)中，“天文單位”有嚴(yán)格的定義，用符號AU表示。)已知火星公轉(zhuǎn)的軌道半徑是1.5AU，根據(jù)開普勒第三定律，火星公轉(zhuǎn)的周期是多少個地球日?2.開普勒行星運動定律不僅適用于行星繞太陽的運動，也近用于衛(wèi)星繞行星的運動。如果一顆人造地球衛(wèi)星沿橢圈軌道運動