1、第一节 行星的运动理解领悟万有引力定律的建立过程，是从观察行星运动、描述行星运动规律开始的。人类对行星运动规律的认识，经历了从“地心说”到“日心说” ，直到开普勒的行星运动定律等阶段。教材通过对托勒密、哥白尼、第谷、开普勒等科学家关于行星运动规律研究的介绍，使我们领略到前辈科学家们对自然奥秘不屈不挠探索的精神和对待科学研究一丝不苟的态度，感悟到科学的结论总是在顽强曲折的科学实践中悄悄地来临。1.地心说古希腊天文学家托勒密在公元 2 世纪，提出了地心说宇宙体系。在这个体系里，地球是静止不动的，地球是宇宙的中心。托勒密按照月亮、水星、金星、太阳、火星、木星、土星，最后是恒星天球（原动天）的顺序，安
2、排了后来以他的名字命名的地心说宇宙结构。他用“偏心轮” 、“本轮均轮”和“等距轮”三种基本运动 80 多个“轮上轮”巧妙地说明天体的各种运动，与实测数据符合得较好。虽然这只是用以计算天体角位置的一个数学方案，但因为同人们的直观经验一致，又迎合宗教教义，那以后的 1400多年里一直被大家所公认。2.日心说15 世纪，以波兰天文学家哥白尼为代表的日心说学派则认为太阳是静止不动的，地球和其他行星都绕太阳运动。哥白尼在天体运动论中提出了以下基本观点：宇宙的中心是太阳，所有的行星都在绕太阳做匀速圆周运动；地球是绕太阳旋转的普通行星，月球是绕地球旋转的卫星，它绕地球做匀速圆周运动，同时还跟地球一起绕太阳运
3、动；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；与日地距离相比，恒星离地都十分遥远，比日地间的距离大得多。日心说大大简化了对行星运动轨道的描述，经过与地心说的长期争论，最终被人们所接受。但日心说存在两大缺陷：一是错误地把太阳当成了宇宙的中心，二是沿用了行星在圆形轨道上做匀速圆周运动的陈旧观念。3.开普勒行星运动定律德国天文学家开普勒仔细整理了丹麦天文学家第谷留下的长期观测资料，并进行了详细的分析。为了解释计算结果与第谷的观测数据间的 8差异，他摒弃了行星做匀速圆周运动的假设，提出了行星的运动轨道是椭圆的新观点。经过 10 多年的悉心研究，终于发现了后来以他的名字命名的
4、行星运动定律： 开普勒第一定律（轨道定律） 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。 开普勒第二定律（面积定律） 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相等的面积。 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它的公转周期的二次方的比值都相等。由于开普勒把第谷的宏大数据表转化成了一个简单的和可以理解的曲线和规律的体系开普勒三定律，且与观测资料十分吻合，所有很快得到了天文学家们的公认，而开普勒也得到了“天空的立法者”的光荣称号。4.对开普勒行星运动定律的理解对于开普勒行星运动定律，我们可以从以下几方面来加以理解： 开普勒第一定律说明了行星的运动轨
5、迹是椭圆，太阳在此椭圆的一个焦点上，而不是位于椭圆的中心。不同的行星位于不同的椭圆轨道上，而不是位于同一椭圆轨道。再有。不同行星的椭圆轨道一般不在同一平面内。 开普勒第二定律行星运动的速率是在不断变化的。由于行星与太阳的连线在相等的时间内扫过相等的面积，说明行星在运转过程中离太阳越近速率越大，离太阳越远速率越小。也就是说，行星在近日点的速率最大，在远日点的速率最小。 若用 a 代表椭圆轨道的半长轴，T 代表公转周期，开普勒第三定律告诉我们，kTa23比值 k 是一个与行星无关的常量，仅与中心天体太阳的质量有关。 开普勒三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，更一般地讲，也适
6、用于其他天体绕某一中心天体的运动。当然，对于不同的中心天体，开普勒第三定律中的比例常数 k 是不同的。5.行星轨道按圆处理时的规律由于多数大行星的轨道十分接近圆，所以在中学阶段的研究中可按圆处理。根据开普勒行星运动定律，行星轨道按圆处理时遵循如下规律： 大多数行星绕太阳运动的轨道十分接近圆，太阳处在圆心。 对某一行星来说，它绕太阳做圆周运动的角速度（或线速度）不变，即行星做匀速圆周运动。 所有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。6.认识行星运动规律的曲折过程给我们的启示人类对行星运动规律的认识过程充满着曲折与艰辛，不同时期人们的宇宙观代表着与社会大背景相适应的主流观念和意识
7、。从地心说的直接经验开始，到日心说的转变，不是简单的参考系的变化，而是人类思想的一次重大解放，此次人类的视野超越了地球。然而，地心说和日心说都保留保留人们心目中所钟爱的完美图形 圆，这在一定程度上代表了古代人的审美观。开普勒能够最终放弃这一世世代代为人们所信仰的完美图形，而坚信第谷的精确观测数据，不仅需要严谨的科学态度与科学精神，也需要极大的勇气。7.认识椭圆开普勒第一定律指出：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。那么，什么是椭圆呢？教材“做一做”栏目介绍了用图钉和细绳画椭圆的方法，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。可见，椭圆上某点到两个
8、焦点的距离之和与椭圆上另一点到两个焦点的距离之和是相等的。所以，椭圆是到两定点的距离之和等于定长的点的轨迹，该两定点就是椭圆的焦点。椭圆是轴对称图形，有两个对称轴，其中长的一条叫做长轴，短的一条叫做短轴。长轴的一半叫做半长轴。当椭圆的两个焦点重合在一起时，椭圆就成了圆。因而，圆可看作椭圆的特例。这时，椭圆的短轴与长轴相等，半长轴就等于圆的半径。8.“科学足迹”解读教材在“科学足迹”栏目中介绍了“人类对行星运动规律的认识” ，此文值得一读。这部分内容有科学与历史、科学与艺术、物理与社会、科学发展与思想解放等等，寓意很深，包含许多教育因素。现对文中给出的科学家群体的三个主要人物哥白尼、第谷、开普勒
9、的活动过程和思维方法作一扼要分析说明。哥白尼：“哥白尼的眼光超越了地球使人类来到了牛顿物理学的门前。 ”在这里，哥白尼的开放观点并不是孤立的历史事件，把它放在当时社会经济、文化环境中，文艺复兴带来的思想与艺术的繁荣对哥白尼有深刻影响。一方面，艺术的繁荣使哥白尼坚信宇宙和自然是美的，而美的东西一定是简单与和谐的；另一方面，思想的繁荣解脱了束缚人们头脑的枷锁，使“哥白尼的眼光超越了地球 ”。第谷：“在他以前，人们观测天体位置的误差大约是10，第谷把这个不确定性减小到 2。他的观测结果为哥白尼的学说提供了关键性支持。 ”这里通过对第谷的精于 “观察自然”的描述，强调了实验观察手段在科学研究中的重要作
10、用。开普勒：开普勒从相信“行星绕太阳做匀速圆周运动的观点”思考问题开始，到对火星轨道“七十余次尝试所得的结果都与第谷的观测数据有至少 8的角度偏差 ”；直至最后他“对第谷数据的精确性深信不疑 这不容忽视的8也许正是因为行星的运动并非匀速圆周运动” ，第一次大胆地对“人们长期以来视为真理的观念天体在做完美的匀速圆周运动”表示怀疑。开普勒相信真理而不迷信权威的实事求是的科学态度，是极好的教育素材。第谷和开普勒是两个风格截然不同的科学家，一个擅长观察，另一个是数学天才，但是谁的作用也不可忽略。第谷从实验观察入手，开普勒再对实验结果进行数学归纳， “把几千个数据归纳成如此简洁的几句话” ，科学探索的乐
11、趣与科学方法的魅力可见一斑。应用链接本节知识的应用主要涉及人们对行星运动规律的认识，以及开普勒三定律的理解和运用。基础级例 1 木星绕太阳运动的周期为地球绕太阳运动周期的12 倍。那么，木星绕太阳运动轨道的半长轴是地球绕太阳运动轨道半长轴的多少倍？提示 行星公转半长轴的三次方跟运动周期的二次方的比值恒定。已知木星绕太阳运动的周期与地球绕太阳运动的周期的比值，根据开普勒第三定律可计算出木星绕太阳运动轨道的半长轴是地球绕太阳运动轨道半长轴的倍数。解析 设木星、地球绕太阳运动的周期分别为 T1、T 2，它们椭圆轨道的半长轴分别为 a1、a 2，根据开普勒第三定律有 ，231Ta则 。24.51332
12、可见，木星绕太阳运动轨道的半长轴约为地球绕太阳运动轨道半长轴的 5.24 倍。点悟 在理解开普勒第三定律时应注意，只有围绕同一天体运动的行星或卫星，它们半长轴的三次方与公转周期的二次方之比才是同一常数。木星、地球都围绕太阳沿不同的椭圆轨道运动，太阳在它们椭圆轨道的一个焦点上，遵循开普勒第三定律。例 2 天文学家观测到哈雷彗星绕太阳运转的周期是76 年，彗星离太阳最近的距离是 8.91010m，但它离太阳最远的距离不能测出。试根据开普勒定律计算这个最远距离。 （太阳系的开普勒恒量 k=3.3541018m3/s2）提示 算出哈雷彗星绕太阳运转轨道的半长轴，应用开普勒第三定律求解。解析 设彗星离太
13、阳的最近距离为 R1，最远距离为R2，则轨道半长轴为。21la根据开普勒第三定律有 ，kT3所以彗星离太阳最远的距离是 13228ll。m05.09.m)36024576(10354.8 128 点悟 本题运用椭圆轨道的几何关系得出了椭圆的半长轴。要注意数学知识和方法在解决物理问题中的应用。例 3 飞船沿半径为 R 的圆周绕地球运动，其周期为 T。如果飞船要返回地面，可在轨道上某点 A 处，将速率降低到适当数值，从而使飞船沿着以地心为焦点的椭圆轨道运动，椭圆和地球表面在 B 点相切，如图 71 所示。如果地球半径为 R0，求飞船由 A 点到B 点所需要的时间。提示 飞船沿椭圆轨道返回地面，由图
14、可知，飞船由 A点到 B 点所需要的时间刚好是沿图中整个椭圆运动周期的一半，由开普勒第三定律可以求解。解析 设飞船沿椭圆轨道运动的周期为 T，椭圆轨道的半长轴为 ，根据开普勒第三定律有 20R，2323TR解得 。RTRT2)(20030所以，飞船由 A 点到 B 点所需要的时间为ARR0B图 11。RTt 24)(200点悟 开普勒第三定律是根据行星绕太阳运动总结出来的规律，该结论对卫星绕行星的运动也是成立的。飞船绕地球做圆周 (长轴和短轴相等的特殊椭圆) 运动时，其轨道半径的三次方跟周期的二次方的比值也等于常数，即，且 k 与地球的卫星质量无关。TR23例 4 九大行星绕太阳运行的轨迹可粗
15、略地认为是圆，各星球半径和轨道半径的大小如下表所示：行星名称 水星金星地球火星木星土星天王星海王星冥王星星球半径(106m)2.446.056.373.4071.560.325.624.81.15轨道半径(1011m)0.5791.081.502.287.7814.328.745.059.1从表中所立数据可以估算出冥王星的公转周期最接近于（ ）A. 4 年 B. 40 年 C. 140 年 D. 240 年提示 从表格中查得冥王星和地球的轨道半径，应用开普勒第三定律求解。解析 根据开普勒第三定律有 ，23地地冥冥 TR从表格中查得 ，年又 地冥地 1,m1059.,105. RR故冥王星的公转
16、周期 ，年年）（ ）（地冥地冥 47.33 T正确选项为 D。点悟 本题是一道信息题，从题目所给信息中排除无效信息，获取有效信息，这是解题的关键。本题所给条件很多，但决定冥王星公转周期的只有它的轨道半径，与行星本身的大小、形状等无关。例 5 月球环绕地球运动的半径约为地球半径的 60 倍，运行周期约为 27 天。试用开普勒定律计算出：在赤道平面内离地面多大高度，人造地球卫星可以随地球一起转动，就像停留在空中一样？（地球半径约为 6.4103km）提示 月球和人造地球卫星都在环绕地球运动，根据开普勒第三定律，它们运行轨道半径的三次方跟圆周运动周期的二次方的比值都是相等的。解析 设人造地球卫星和月
17、球的轨道半径分别为R1、R 2，周期分别为 T1、T 2，根据开普勒第三定律有 ，231TR解得 km07.4k)360247(04.660 4323213211 T地。所以，人造地球卫星离地面的高度为。km1063.k104.6km104.274341 地RH点悟 随地球一起转动，就好像停留在天空中的卫星，通常称为同步卫星，也叫定点卫星，它们离地面的高度是一个确定的值。关于同步卫星，我们在本章第 5 节中还要作进一步的研究。例 6 某行星绕太阳沿椭圆轨道运行，它的近日点 A 到太阳的距离为 r，远日点 B 到太阳的距离为 R。若行星经过近日点时的速度为 vA，求该行星经过远日点时的速度 vB
18、的大小。提示 应用开普勒第二定律求解。解析 根据开普勒第二定律，行星绕太阳沿椭圆轨道运动时，它和太阳的连线在相等的时间内扫过的面积相等。如图 72 所示，分别以近日点 A 和远日点 B为中心，取一个很短的时间t，在该时间内扫过的面积如图中的两个曲边三角形所示。由于时间极短，可把这段时间内的运动看成匀速率运动，从而有图 12ABRvAvB。tRvtrBA21所以，该行星经过远日点时的速度大小为 。ABvRr点悟 根据开普勒第二定律，行星在近日点时的速度最大，在远日点时的速度最小，即行星从近日点到远日点的过程是减速过程，从远日点到近日点的过程是加速过程。对此，我们不难从太阳引力对行星做负功或正功，
19、从而引起行星动能的变化情况加以理解。【反馈练习】1、冥王星原来是在九大行星之列的，是目前最大的矮行星。1930 年美国天文学家汤博发现冥王星，当时错估了冥王星的质量，以为冥王星比地球还大，所以命名为大行星然而，经过近 30 年的进一步观测，发现它的直径只有 2300公里，比月球还要小 2006 年 8 月 24 日晚 在布拉格召开的国际天文学联合会(IAU)第 26 届大会上，来自各国天文界权威代表投票通过联合会决议，今后原来九大行星中的冥王星将不再位于“行星”之列，而属于矮行星，并提出了行星的新定义行星新定义的两个关键：一是行星必须是围绕恒星运转的天体；二是行星的质量必须足够大，它自身的重力
20、必须和表面力平衡使其形状呈圆球一般来说，行星直径必须在 800 公里以上，质量必须在 50 亿亿吨以上关于下列说法正确的是（ ）A、八大行星是围绕太阳运动的，而且都在同一椭圆轨道上B、矮行星不是绕太阳而是其他行星运动的C、冥王星被降级以后其轨道也发生了相应的变化 D、冥王星与地球同样绕太阳做椭圆运动2、一行星绕太阳做椭圆运动，已知其轨道近日点与太阳的距离为 a，远日点与太阳的距离为 b,求该行星在近日点的速率 v 和远日点的速率 v 的比值是多少？3、1990 年 4 月 25 日，科学家将哈勃天文望远镜送上距地球表面约 600 km 的高空，使得 人类对宇宙中星体的观测与研究有了极大的进展。
21、假设哈勃望远镜沿圆轨道绕地球运行。已知地球半径为 6.4106m，利用地球同步卫星与地球表面的距离为 3.6107m 这一事实可得到哈勃望远镜绕地球运行的周期。以下数据中最接近其运行周期的是（ ）A0.6 小时 B1.6 小时 C 4.0 小时 D24小时4、宇宙飞船进入一个围绕太阳运行的近似圆形轨道上运动，如果轨道半径是地球轨道半径的 9 倍，那么宇宙飞船绕太阳运行的周期是（ ）A3 年 B9 年 C27 年 D81 年5、月球距地球的距离为 ，月球绕地球运行周期是m8103天如果行星的运动规律也适用于地球与地球的卫星这.27一系统求同步卫星离地面的高度 （已知地球的半径为）m6104.6、飞船沿半径为 R 的圆周绕地球运动，其周期为 T如果飞船要返回地面，可在轨道上的某一点 A 处，将速率降低到适当的数值从而使飞船沿着以地心为焦点的椭圆轨道运动，椭圆轨道和地球表面在 B 点相切，如图 1-3 所示设地球半径为R ，求飞船由 A 点沿椭圆轨道返回到 B 点所需的时间AB R0R1-3
