6.1行星的运动.ppt

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1、,太阳系主要成员太阳和其八大行星： 水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星,美丽的家园地球,木星,火星,海王星,导入新课,毛泽东的著名诗句“坐地日行八万里，巡天遥看一千河”中的“坐地日行八万里”和“巡天遥看一千河”分别指什么意思？,“坐地日行八万里”这充分说明了地球是运动的而不是静止的，地心说是错误的。 “巡天遥看一千河”说明了人们在随地球转动过程中看到的壮丽璀璨的星系如此的繁多。,第一节 行星的运动,本节导航,1.地心说与日心说之争 2.天文学家对天体运动进一步的研究 3.开普勒行星运动定律 4.高中阶段对行星运动的近似化研究,教学目标,知识与能力,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 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 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,过程与方法,通过托勒密、哥白尼、第谷布拉赫、开普勒等几位科学家对行星运动的不同认识，了解人类认识事物本质的曲折性并加深对行星运动的理解,情感态度与价值观,澄清对天体运动神秘、模糊的认识，掌握人类认识自然规律的科学方法。 感悟科学是人类进步不竭的动力。,教学重难点,重点 理解和掌握开普勒行星运动定律，认识行星的运动学好本节有利于对宇宙中行星的运动规律的认识，

3、掌握人类认识自然规律的科学方法，并有利于对人造卫星的学习 难点 对开普勒行星运动定律的理解和应用，通过本节的学习可以澄清人们对天体运动神秘、模糊的认识,一 . 地心说与日心说之争,首先，我们来了解对太阳、行星运动的认识过程。,在古代，人们对于天体的运动存在地心说和日心说两种对立的看法。,“地心说”和“日心说”的发展过程,内容:认为地球是静止不动的，地球是宇宙的中心，太阳和月亮以及其他行星绕地球转动。,地心说为什么统治了人们很长时间?,符合人们的日常经验，也符合宗教神学关于地球是宇宙中心的说法.,代表人物：托勒密,(1)地心说,托勒密的“地心说”模型 存在的问题,随着人们对天体运动的不断研究，发

4、现“地心说”所描述的天体的运动不仅复杂而且问题很多.如果把地球从天体运动的中心位置移到一个普通的、绕太阳运动的行星的位置，换一个角度来考虑天体的运动，许多问题都可以解决，行星运动的描述也变得简单了. 随着世界航海事业的发展，人们希望借助星星的位置为船队导航，因而对行星的运动观测越来越精确，科学家经过长期观测及记录的大量的观测数据，用托勒密的“地心说”模型很难得出完美的解答。对行星的运动很难得出完满的解答,所描述的行星运动也很复杂.,内容,(2)日心说,代表人物 哥白尼,日心说提出的背景,在当时，哥伦布和麦哲伦的探险航行已经使不少人相信地球并不是一个平台，而是一个球体。, 哥白尼的推测,是不是地

5、球每天在围绕自己的轴线旋转一周 .,他假设地球并不是宇宙的中心，太阳是静止不动的，地球和其他行星都是围绕着太阳做匀速圆周运动.,哥白尼日心说的进步 行星运动的描述简单了，地心说遇到的问题解决了,哥白尼日心说为什么在发表一个世纪中完全被人们所忽视 ?,在他的著作中，“日心说”只是一个“假设” 当时的欧洲正处于基督教改革与反改革的骚乱中. 在哥白尼的著作中有一些很不精确的数据，根据这些数据得出的计算结果不能很好地与行星位置的观测结果相符合,地球公转和自转视频,(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

6、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.,其后，许多天文学家对天体运动进行不断的探索、完善，建立了最初的天体运动理论。,二.天文学家对天体运动进一步的研究,(2)德国物理学家开普勒的研究.,总结了他的导师第谷的全部观测资料，在他最初研究时，他得到的结果与第谷的观察数据相差8，而当时第谷公认的误差位2,开普勒想,这8/可能就是认为行星绕太阳匀速圆周运动造成的.后来他花了四年时间一遍一遍地进行数学计算，通过计算这一怀疑使他发现了行星运动三大定律.,了解椭圆 可以用一条细绳和两图钉来画 椭圆。如图所示，把白纸镐在木板 上，然后按上图钉把细绳的两端 系

7、在图钉上用一枝铅笔紧贴着细绳滑动，使绳始终 保持张紧状态铅笔在纸上画出的轨迹就是椭圆， 图钉在纸上留下的痕迹叫做椭圆的焦点,三.开普勒行星运动定律,(1)开普勒第一定律 （轨道定律）,所有行星围绕太阳运动的轨道都是椭圆，太阳处在椭圆的一个焦点上。,开普勒第一定律，解决了行星动行的轨道 问题，得出了行星运动的轨道不是圆，行星与太阳的距离不断的变化，有时远离太阳，有时靠近太阳，所以行星的运动就不是哥白尼在“日心说”中所提出的行星的运动是圆周运动。,可以推证，当行星离太阳比较近时，运动速度比较快，而离太阳比较远时速度比较慢，这也就是在地理中所提到的，在近日点速度大于远日点速度。,注意： 1、太阳并不

8、是位于椭圆中心，而是位于焦点处。 2、不同行星轨道不同，但所有轨道的焦点重合。,(2)开普勒第二定律 （面积定律）,对于每一个行星而言，太阳和行星的联线在相等的时间内扫过相等的面积。,(3)开普勒第三定律 （周期定律）,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。,注意： 比值k是一个与行星本身无关的物理量,对于地球和木星，就有：,（4）开普勒行星运动定律的意义,开普勒关于行星运动的描述为万有引力定律的发现奠定了基础。,虽然，行星的运动是椭圆轨道，运动速度大小不断的变化，但实际上，多数大行星的轨道与圆十分接近，所以在中学阶段的研究中能够按圆处理，所以 (1)多数大行星绕太阳运

9、动的轨道十分接近圆，太阳处在圆心 (2)对某一行星来说，它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)所以行星轨道半径的三次方跟它的公转周期的二次方的比值都相等。 总体来说，就是变速椭圆运动作为匀速圆周 运动处理，对应的半长轴即为圆的半径。,四.高中阶段对行星运动的近似化研究,课堂小结,1 .地心说与日心说 地心说 地球是宇宙的中心，是静止不动的，其他星体都围绕地球运动。 日心说 太阳是静止不动的，其他星体都围绕太阳运动。,2.开普勒行星运动定律 （1）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。 （2）对任意一个行星来说，它与太阳的连线在相等的时间

10、内扫过相等的面积。 （3）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。,中国航天事业视频,课堂练习,1 、下列说法正确的是（ ） A. 地球是宇宙的中心，太阳、月亮及其他行星都绕地球运动 B. 太阳是宇宙的中心，所有天体都绕太阳运动 C. 太阳是静止不动的，地球和其他行星都绕太阳运动 D. “地心说”和哥白尼提出的“日心说”现在看来都是不正确的,D,分析 “地心说”是错误的，所以A不正确太阳系在银河系中运动，银河系也在运动，所以，B、C不正确，D正确,2、16世纪，哥白尼根据天文观测的大量资料，经过40多年的天文观测和潜心研究，提出“日心说”的如下四个基本理论，这四个论点

11、目前看存在缺陷是（ ）,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. 地球是绕太阳做匀速圆周运动的行星，月球是绕地球做匀速圆周运动的卫星，它绕地球运转的同时还跟地球一起绕太阳运动。 C. 天穹不转动，因为地球每天自西向东自转一周，造成天体每天东升西落的现象。 D. 与日地距离相比，恒星离地球都十分遥远，比日地间的距离大得多。,分析 所有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；行星在椭圆轨道上运动的周期和轨道半长轴满足恒量,故所有行星实际并不是在做匀速圆周运动，整个宇宙是在不停运动的。,说明 天文学家开普勒在整理了第谷的观测资料后，在哥白尼学说的基础上，抛

12、弃了圆轨道的说法，提出了以大量观察资料为依据的三大定律，揭示了天体运动的真相，它们中的每一条都是以观测事实为依据的定律。,3、关于行星的运动，一下说法正确的是 （ ） A. 行星轨道的半长轴越长，自转周期就越大 B. 行星轨道的半长轴越长，公转周期就越大 C. 水星的半长轴最短，公转周期最大 D. 冥王星离太阳“最远”，绕太阳运动的公转周期最长,BD,解析 由 可知，越大，越大，故、正确，错误；式中的是公转周期而非自转周期，故错误。 说明 对公式中的各个量一定要把握其物理意义，对一些说法中的个别字要读明白，如为半长轴，为公转周期。,1. 答：行星绕太阳的轨道按圆处理，根据开普勒 第三定律有 即

13、 所以 2. 答：根据开普勒第二定律，卫星在近地点速度较大，在远地点速度较小。,问题与练习,3. 答：设通信卫星离地心的距离为 ，运行周期为 ，月心离地心的距离为 ，月球绕地球运行的周期为 ，根据开普勒第三定律,4. 答：根据开普勒第三定律,得 到：,则哈雷彗星下次出现的时间是：,1986年+76年=2062年,课外阅读,开普勒 (1571-1630) 天体运动的立法者,开普勒是德国近代著名的天文学家、数学家、物理学家和哲学家。他以数学的和谐性探索宇宙，在天文学方面做出了巨大的贡献。开普勒是继哥白尼之后第一个站出来捍卫太阳中心说、并在天文学方面有突破性成就的人物，被后世的科学史家称为“天上的立

14、法者”。,开普勒出生在德国威尔的一个贫民家庭，他是一个早产儿，体质很差。开普勒在童年时代遭遇了很大的不幸，四岁时患上了天花和猩红热，虽侥幸死里逃生，身体却受到了严重的摧残，视力衰弱，一只手半残。但开普勒身上有一种顽强的进取精神，他坚持努力学习，成绩一直名列前茅。 1587年开普勒进入蒂宾根大学，在校中遇到秘密宣传哥白尼学说的天文学教授麦斯特林。在他的影响下，很快成为哥白尼学说的忠实维护者。大学毕业后，开普勒获得了天文学硕士的学位，被聘请到格拉茨新教神学院担任教师。,后来，由于学校被天主教会控制，开普勒离开神学院前往布拉格，与卓越的天文观察家第谷一起专心地从事天文观测工作。正是第谷发现了开普勒的

15、才能。在第谷的帮助和指导下，开普勒的学业有了巨大的进步。第谷死后，开普勒接替了他的职位，被聘为皇帝的数学家。然而皇帝对他十分悭吝，给他的薪俸仅仅是第谷的一半，还时常拖欠不给。这一点点收入不足以养活年迈的母亲和妻儿，因此生活非常困苦。但开普勒却从未中断过自己的科学研究，并且在这种艰苦的环境下取得了天文学上的累累成果。,对火星轨道的研究是开普勒重新研究天体运动的起点。因为在第谷遗留下来的数据中火星的资料是最丰富的，而哥白尼的理论在火星轨道上的偏离最大。开始，开普勒用正圆编制火星的运行表，发现火星老是出轨。他便将正圆改为偏心圆。在进行了无数次的试验后，他找到了与事实较为符合的方案。可是，依照这个方法

16、来预测卫星的位置，却跟第谷的数据不符，产生了8分的误差。这8分的误差相当于秒针002秒瞬间转过的角度。开普勒知道第谷的实验数据是可信的，那错误出在什么地方呢？ 正是这个不容忽略的8分使开普勒走上了天文学改革的道路。,他敏感的意识到火星的轨道并不是一个圆周。随后，在进行了多次实验后，开普勒将火星 轨道确定为椭圆，并用三角定点法测出地球的轨道也是椭圆，断定它运动的线速度跟它与太阳的距离有关。这样就得出了关于行星运动的第二条定律：“行星的向径在相等的时间内扫过相等的面积。”这两条定律，刊登于1609年出版的新天文学一书。书中他还指出，这两条定律同样适用于其他行星和月球的运动。 1612年，开普勒的保

17、护人鲁道夫二世被迫退位，因此他也离开布拉格，到奥地利的林茨。当地专门为他设立了一个数学家的职务。,经过长期繁复的计算和无数次失败，他终于发现了行星运动的第三条定律：“行星公转周期的平方等于轨道半长轴的立方。”这一结果发表在1619年出版的宇宙和谐论中。行星运动三定律的发现为经典天文学奠定了基石，并导致数十年后万有引力定律的发现。 1604年9月30日在蛇夫 座附近出现一颗新星，最亮时 比木星还亮。开普勒对这颗新 星进行了17个月的观测并发表 了观测结果。历史上称它为开 普勒新星(这是一颗银河系内 的超新星)。,开普勒新星,1607年，他观测了一颗大彗星，就是后来的哈雷彗星。 不仅在天文学上，开

18、普勒在光学领域的贡献也是非常卓越的。他是近代光学的奠基者。他研究了小孔成像，并从几何光学的角度加以解释说明。他指出光的强度和光源的距离的平方成反比。 1611年，开普勒发表了折光学一书，阐述了光的折射原理，为折射望远镜的发明奠定了基础。开普勒还对人的视觉进行了研究，纠正了以前人们所认为的视觉是由眼睛发射出光的错误观点。,他把伽利略望远镜的凹透镜目镜改成小凸透镜，这种望远镜被称为开普勒望远镜。 他出版的哥白尼天文学概要叙述他对宇宙结构和大小的观点；在彗星论中，他指出彗尾总是背着太阳，是因为太阳光排斥彗头的物质所造成；1627年出版的鲁道夫星表是根据他的行星运动定律和第谷的观测资料编制的。根据此表

19、可以知道行星的位置，其精度比以前的任何星表都高，直到十八世纪中叶，一直被视为天文学上的标准星表。,他于1629年出版的稀奇的1631年天象中预言1631年11月7日水星凌日现象，12月6日金星也将凌日，果然如期观测到了水星凌日，而金星凌日西欧看不到。 晚年的开普勒坚持不懈地同唯心主义的宇宙论作斗争。1625年，他写了题为为第谷布拉赫申辩的著作，驳诉了乌尔苏斯对第谷的攻击，因而受到了天主教会的迫害。天主教会将开普勒的著作列为禁书。 1626年，一群天主教徒包围了开普勒的住所,扬言要处决他。后来,开普勒因为曾担任皇帝的数学家而幸免遇难。,1630年11月,因数月未得到薪金,生活难以维持,年迈的开普勒不得不亲自到雷根斯堡索取。不幸的是,他刚刚到那里就抱病不起。1630年11月15日，开普勒在一家客栈里悄悄地离开了世界。他死时，除一些书籍和手稿之外,身上仅剩下了7分尼(1马克等于10分尼)。 开普勒被葬于拉提斯本圣彼得堡教堂，战争过后，他的坟墓已荡然无存。但他突破性的天文学理论，以及他不懈探索宇宙的精神却成为了后人铭记他的最好的丰碑。,