【備課】高中物理教科2019版必修2：3.1 天體運動學案

1.天體運動課標要求1.了解地心說和日心說，了解人類認識行星運動規(guī)律過程的曲折性，感悟真理來之不易．2．知道開普勒行星運動定律的內(nèi)容，知道在中學階段研究行星運動時的近似處理．3．能用開普勒行星運動定律分析一些簡單的行星運動問題．思維導(dǎo)圖必備知識·自主學習——突出基礎(chǔ)性素養(yǎng)夯基一、地心說和日心說1．地心說：公元150年前后，古希臘學者托勒密構(gòu)建了地心宇宙體系．他認為地球位于宇宙的中心，是靜止不動的，其他天體繞地球轉(zhuǎn)動．2．日心說：波蘭天文學家哥白尼提出日心說，認為太陽是靜止不動的，地球和其他行星都繞太陽運行．[導(dǎo)學1]日心說的局限性：日心說沒能擺脫地心說的錯誤觀念，認為行星在圓軌道上做勻速圓周運動，實際上所有行星軌道都是橢圓，運動速度大小也不是恒定的．二、開普勒行星運動定律1．開普勒第一定律：所有的行星圍繞太陽運動的軌道都是橢圓，太陽處在所有橢圓的一個焦點上．2．開普勒第二定律：從太陽到行星的連線在相等的時間內(nèi)掃過相等的面積．3．開普勒第三定律：行星軌道半長軸的三次方與公轉(zhuǎn)周期的二次方的比是一個常量．其表達式為r3T2＝k，其中r代表橢圓軌道的半長軸，T[導(dǎo)學2](1)同一行星在近日點的速度最大，在遠日點的速度最?。?2)行星的公轉(zhuǎn)周期與軌道半長軸之間有依賴關(guān)系，半長軸越長的行星，其公轉(zhuǎn)周期越長．關(guān)鍵能力·合作探究——突出綜合性素養(yǎng)形成探究點一開普勒定律的理解導(dǎo)學探究如圖為太陽系的八大行星繞太陽的運動示意簡圖，請?zhí)骄恳韵聠栴}：(1)行星的軌道是什么樣的？(2)太陽的位置有什么特點？(3)行星在軌道上不同位置的速度大小有什么特點？(4)不同的行星繞太陽運行的周期是否相同？歸納總結(jié)1.對開普勒第一定律的理解——確定行星運動的軌道(1)行星繞太陽運動的軌道嚴格來說不是圓而是橢圓，不同行星的軌道是不同的．(2)太陽不在橢圓的中心，而是在其中的一個焦點上，太陽的位置是所有行星軌道的一個共同焦點．(3)行星與太陽間的距離是不斷變化的．2．對開普勒第二定律的理解——確定行星運動的快慢(1)行星離太陽越近時速度越大，在近日點速度最大；行星靠近太陽時速度增大．(2)行星離太陽越遠時速度越小，在遠日點速度最??；行星遠離太陽時速度減?。?3)“行星與太陽的連線在相等的時間內(nèi)掃過的面積相等”是對同一顆行星來說的，不同的行星之間則無法比較．3．對開普勒第三定律的理解——確定行星運動的周期(1)公式：r3T2＝k(2)橢圓軌道半長軸越長的行星，其公轉(zhuǎn)周期越長；反之，則公轉(zhuǎn)周期越短．典例示范例1(多選)關(guān)于衛(wèi)星繞地球的運動，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動B．衛(wèi)星繞地球運動的過程中，其速率與衛(wèi)星到地心的距離有關(guān)，距離小時速率小C．衛(wèi)星離地球越遠，周期越大D．對于衛(wèi)星繞地球運動的a3T2值與月球繞地球運動的素養(yǎng)訓練1(多選)如圖所示，對開普勒第一定律的理解，下列說法中正確的是()A．在行星繞太陽運動一周的時間內(nèi)，它離太陽的距離是不變的B．在行星繞太陽運動一周的時間內(nèi)，它離太陽的距離是變化的C．某個行星繞太陽運動的軌道一定是在某一固定的平面內(nèi)D．某個行星繞太陽運動的軌道一定不在一個固定的平面內(nèi)素養(yǎng)訓練2火星和木星沿各自的橢圓軌道繞太陽運行，根據(jù)開普勒行星運動定律可知()A．太陽位于木星運行軌道的中心B．火星和木星繞太陽運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軸之比的三次方D．相同時間內(nèi)，火星與太陽連線掃過的面積等于木星與太陽連線掃過的面積【思維方法】(1)開普勒行星運動定律是對行星繞太陽運動規(guī)律的總結(jié)，它也適用于其他天體的運動．(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的運動快慢規(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動快慢的規(guī)律．探究點二開普勒定律的應(yīng)用歸納總結(jié)1.適用范圍：(1)既適用于做橢圓運動的天體，也適用于做圓周運動的天體．(2)既適用于繞太陽運動的天體，也適用于繞其他中心天體運動的天體．2．意義：開普勒關(guān)于行星運動的確切描述，不僅使人們在解決行星的運動學問題上有了依據(jù)，更澄清了人們對天體運動神秘、模糊的認識，同時也推動了對天體動力學問題的研究．3．近似處理：由于行星的橢圓軌道都跟圓近似，在近似計算中，可以認為，行星都以太陽為圓心做勻速圓周運動．典例示范例2飛船沿半徑為R的圓周繞地球運動，其周期為T.如果飛船要返回地面，可在軌道上某點A處，將速率降低到適當數(shù)值，從而使飛船沿著以地心為焦點的橢圓軌道運動，橢圓和地球表面在B點相切，如圖所示．如果地球半徑為R0，求飛船由A點運動到B點所需要的時間．素養(yǎng)訓練3如圖是行星繞太陽運行的示意圖，下列說法正確的是()A．速率最大點是B點B．速率最小點是C點C．行星從A點運動到B點做減速運動D．行星從A點運動到B點做加速運動素養(yǎng)訓練4木星的公轉(zhuǎn)周期約為12年，如把地球到太陽的距離作為1天文單位，則木星到太陽的距離約為()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——突出創(chuàng)新性素養(yǎng)達標1．16世紀，哥白尼經(jīng)過40多年的天文觀測和潛心研究，提出“日心說”的如下四個基本論點．這四個論點中目前看存在缺陷的是()A．與太陽相比，其他恒星離地球的距離遠得多B．宇宙的中心是太陽，其它行星都圍繞太陽做勻速圓周運動C．地球自西向東自轉(zhuǎn)，使地球上的人感覺太陽每天東升西落D．地球繞太陽運動，月球在繞地球運動的同時還跟地球一起繞太陽運動2.如圖所示，土星和火星都在圍繞太陽公轉(zhuǎn)，根據(jù)開普勒行星運動定律可知()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．火星遠離太陽的過程中，它與太陽的連線在相等時間內(nèi)掃過的面積逐漸增大D．相同時間內(nèi)，土星與太陽的連線掃過的面積等于火星與太陽的連線掃過的面積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，則天王星與太陽的距離為()A.3T2T04．開普勒被譽為“天空的立法者”、關(guān)于開普勒行星運動定律，下列說法正確的是()A．太陽系的行星繞太陽做勻速圓周運動B．同一行星在繞太陽運動時近日點速度小于遠日點速度C．繞太陽運行的多顆行星中離太陽越遠的行星運行周期越大D．地球在宇宙中的地位獨特，太陽和其他行星都圍繞著它做圓周運動5.(多選)某行星和地球繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道均可視為圓．每過N年，行星會運行到日地連線的延長線上(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．天體運動關(guān)鍵能力·合作探究探究點一【導(dǎo)學探究】提示：(1)是橢圓．(2)在所有行星運動橢圓軌道的一個共同焦點上．(3)距離太陽越近，速率越大，反之越?。?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動，A項錯誤；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項錯誤；由開普勒第三定律知：衛(wèi)星離地球越遠，周期越大，C項正確；衛(wèi)星繞地球運動與月球繞地球運動的中心天體都是地球，衛(wèi)星繞地球運動的a3T2答案：CD素養(yǎng)訓練1解析：根據(jù)開普勒第一定律的內(nèi)容可以判定：行星繞太陽運動的軌道是橢圓，有時遠離太陽，有時靠近太陽，所以它離太陽的距離是變化的，A錯誤，B正確；行星圍繞著太陽運動，運動的軌道都是橢圓，所以某個行星繞太陽運動的軌道一定是在某一固定的平面內(nèi)，C正確，D錯誤．答案：BC素養(yǎng)訓練2解析：火星和木星在橢圓軌道上運行，太陽位于橢圓軌道的一個共同焦點上，A錯誤；由于火星和木星在不同的軌道上運行，且是橢圓軌道，速度大小變化，火星和木星的運行速度大小不一定相等，B錯誤；由開普勒第三定律可知，a火3T火2＝a木答案：C探究點二【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點到B點所需要的時間剛好是沿圖中整個橢圓運動周期的一半，橢圓軌道的半長軸為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點到B點所需要的時間為t＝T'2＝答案：R+素養(yǎng)訓練3解析：由開普勒第二定律知行星與太陽的連線在相等的時間內(nèi)掃過的面積相等，A點為近日點，速率最大，B點為遠日點，速率最小，故選項A、B錯誤；行星由A點到B點的過程中，離太陽的距離越來越遠，所以行星的速率越來越小，故選項C正確，D錯誤。答案：C素養(yǎng)訓練4解析：木星、地球都環(huán)繞太陽按橢圓軌道運動，近似計算時可當成圓軌道處理，因此它們到太陽的距離可當成是繞太陽公轉(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1．解析：與太陽相比，其他恒星離地球的距離遠得多，A正確；宇宙的中心不是太陽，其它行星也不都圍繞太陽做勻速圓周運動，B錯誤；地球自西向東自轉(zhuǎn)，使地球上的人感覺太陽每天東升西落，C正確；地球繞太陽運動，月球在繞地球運動的同時還跟地球一起繞太陽運動，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做圓周運動，根據(jù)開普勒第三定律R03T02＝R3T2，解得答案：A4．解析：根據(jù)開普勒行星運動定律可知，太陽系的行星繞太陽的軌道是橢圓，且速度大小在改變，A錯