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1、phyzwlphyzwl第六章第六章 万有引力与航空万有引力与航空 托托 勒勒 密密地地心心说说 地球是世界的中心地球是世界的中心,并且静止不并且静止不动动,一切行星围绕地球做圆周运动一切行星围绕地球做圆周运动行星的运动的认识：行星的运动的认识：日日心心说说 太阳是世界的中心太阳是世界的中心,并且静止不动并且静止不动,一切行星都围绕太阳做圆周运动。一切行星都围绕太阳做圆周运动。哥白尼哥白尼行星的运动的认识：行星的运动的认识：“日心说日心说”也并不是绝对正确的也并不是绝对正确的：“日心说日心说”也并不是绝对正确的，因为也并不是绝对正确的，因为太阳只是太阳系的一个中心天体，而太太阳只是太阳系的一个
2、中心天体，而太阳系只是宇宙中众多星系之一，所以太阳系只是宇宙中众多星系之一，所以太阳并不是宇宙的中心，也不是静止不动阳并不是宇宙的中心，也不是静止不动的。的。“日心说日心说”，只是比，只是比“地心说地心说”更准确更准确一些罢了。一些罢了。“地心说地心说”占领统治地位的时间较长，占领统治地位的时间较长，原因是由于它比较符合人们的日常经验，原因是由于它比较符合人们的日常经验，如：太阳从东边升起，从西边落下。同如：太阳从东边升起，从西边落下。同时它也符合当时在政治上占统治地位的时它也符合当时在政治上占统治地位的宗教神学观点。宗教神学观点。为什么为什么“地心说地心说”能占领较长的统治时间能占领较长的统
3、治时间？“日心说日心说”所以能够战胜所以能够战胜“地心说地心说”是因为是因为好多好多“地心说地心说”不能解释的现象不能解释的现象“日心说日心说”则能则能说明，就是说说明，就是说“日心说日心说”比比“地心说地心说”更科学、更科学、更接近事实。例如：若地球不运动，昼夜交替是更接近事实。例如：若地球不运动，昼夜交替是太阳绕地球运动形成的，那么每天的情况就应是太阳绕地球运动形成的，那么每天的情况就应是相同，事实上，每天白天的长短不同，冷暖不同，相同，事实上，每天白天的长短不同，冷暖不同，而而“日心说日心说”则能说明这种情况；白昼是地球自则能说明这种情况；白昼是地球自转形成的，而四季是地球绕太阳公转形成
4、的。转形成的，而四季是地球绕太阳公转形成的。真理最终战胜了谬误真理最终战胜了谬误：古人认为天体运动古人认为天体运动形式：形式：古人把天体的运动看得十分神圣，古人把天体的运动看得十分神圣，他们认为天体运动不同于地面物体的他们认为天体运动不同于地面物体的运动，天体做的是最完美、最和谐的运动，天体做的是最完美、最和谐的匀速圆周运动。匀速圆周运动。开普勒的导师是丹麦伟大的开普勒的导师是丹麦伟大的天文学家第谷，他对天体运动的天文学家第谷，他对天体运动的看法与其他古人一样，也认为天看法与其他古人一样，也认为天体在做匀速圆周运动。体在做匀速圆周运动。开普勒开始受世俗及导师的开普勒开始受世俗及导师的影响，也认
5、为天体在做匀速圆周影响，也认为天体在做匀速圆周运动。运动。开普勒提出开普勒提出行星行星三大三大运运动动定律定律开普勒开普勒开开普普勒勒第第一一定定律律 所有的行星围绕太阳运动的轨道都是所有的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椭圆，太阳处在所有椭圆的一个焦点上开普勒行星运动定律开普勒行星运动定律探究椭圆轨道特征：探究椭圆轨道特征：椭圆动画图钉图钉图钉图钉F1F2PO做一做：做一做：开普勒开普勒开开普普勒勒第第二二定定律律 对于每一个行星而言，太阳和行星的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联线在相等的时间内扫过相等的面积开普勒行星运动定律开普
6、勒行星运动定律离太阳近时速度快，离太阳远时速度慢离太阳近时速度快，离太阳远时速度慢行星运行的速度变化有什么规律呢?开普勒开普勒开开普普勒勒第第三三定定律律所有行星的轨道的半长轴的三次方所有行星的轨道的半长轴的三次方跟跟公转公转周期的二次方的比值都相等周期的二次方的比值都相等开普勒行星运动定律开普勒行星运动定律高中阶段对行星运动的近似化研究：高中阶段对行星运动的近似化研究：虽然，行星的运动是椭圆轨道，运动速度大小不虽然，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，所以近，所
7、以在中学阶段的研究中能够按圆处理，所以多数大行星绕太阳运动的轨道十分接近圆，太多数大行星绕太阳运动的轨道十分接近圆，太阳处在圆心。阳处在圆心。对某一行星来说，它绕太阳做圆周运动的角速对某一行星来说，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。度（线速度）大小不变，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。二次方的比值都相等。总体来说，就是把行星的运动看作为匀速圆周运总体来说，就是把行星的运动看作为匀速圆周运动处理，对应的半长轴即为圆的半径。动处理，对应的半长轴即为圆的半径。R 3/T2=k例
8、例1 1：有两个行星，它们绕太阳运转的轨道有两个行星，它们绕太阳运转的轨道半径之比是半径之比是1 1：2 2，则它们绕太阳运转的周期，则它们绕太阳运转的周期之比为之比为 。例例2 2：有两个人造地球卫星，它们绕地球运有两个人造地球卫星，它们绕地球运转的轨道半径之比是转的轨道半径之比是1 1：2 2，则它们绕地球运，则它们绕地球运转的周期之比为转的周期之比为 。运用开普勒定律解决问题：运用开普勒定律解决问题：行星行星或卫星或卫星中心体中心体半长轴半长轴(x106km)公转周期公转周期(天天)K值值水星水星太阳太阳5787.973.361018金星金星1082253.351018火星火星22868
9、73.361018同步卫星同步卫星地球地球0.042411.021013月球月球0.384427.3221.021013探究探究K值的决定因素：值的决定因素：例例3:3:某行星绕太阳沿某行星绕太阳沿椭圆轨道运行，它的椭圆轨道运行，它的近日点近日点A到太阳的距离到太阳的距离为为r，远日点，远日点B到太阳到太阳的距离为的距离为R。若行星经。若行星经过近日点时的速度为过近日点时的速度为vA，求该行星经过远日，求该行星经过远日点时的速度点时的速度vB的大小。的大小。运用开普勒定律解决问题：运用开普勒定律解决问题：AA1BB1rRV运用开普勒定律解决问题：运用开普勒定律解决问题：例例4:4:一种通信卫星
10、要一种通信卫星要“静止静止”在地面上空在地面上空的某一点的某一点,因此它的运行周期必须与地球自因此它的运行周期必须与地球自转周期相同转周期相同.请你估算请你估算:通信卫星离地心的通信卫星离地心的距离大约是月心离地心距离的几分之一距离大约是月心离地心距离的几分之一?R R0AB例例5 5:飞船沿半径为飞船沿半径为R R的圆周绕地球运动，其周的圆周绕地球运动，其周期为期为T T，如果飞船要返回地面，可在轨道上某一，如果飞船要返回地面，可在轨道上某一点点A A处将速率降低到适当数值，从而使飞船沿着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行，椭圆与地球表以地心为焦点的椭圆轨道运行
11、，椭圆与地球表面在面在B B点相切，如图所示，求飞船由点相切，如图所示，求飞船由A A点运动到点运动到B B点所需要的时间。（已知地球半径为点所需要的时间。（已知地球半径为R R0 0）运用开普勒定律解决问题：运用开普勒定律解决问题：三、探究行星运动定律建立过程中的精三、探究行星运动定律建立过程中的精 神内涵：神内涵：材料材料：“哥白尼坚信宇宙与自然是美的，而哥白尼坚信宇宙与自然是美的，而 美的东西是简单与和美的东西是简单与和谐的。谐的。”“第谷第谷20年一直观测火星，在他以前测量天体位置的误差年一直观测火星，在他以前测量天体位置的误差大约是大约是10，第谷把这个不确定性减小到，第谷把这个不确
12、定性减小到2。为哥白尼的学。为哥白尼的学说提供了关健性支持。说提供了关健性支持。”“开普开普勒勒勒勒七十余次尝试所得的结果都与第谷的观测数据有至七十余次尝试所得的结果都与第谷的观测数据有至少少8的角度偏差的角度偏差”，“对第谷的数据的精确性深信不疑对第谷的数据的精确性深信不疑这不容忽视的这不容忽视的8 8也许正是因为行星并非做完美的匀速也许正是因为行星并非做完美的匀速圆周运动圆周运动”。“第谷与开普第谷与开普勒勒的美妙组合。的美妙组合。”“布鲁诺由于坚持日心说被教庭活活烧死在鲜花广场。布鲁诺由于坚持日心说被教庭活活烧死在鲜花广场。”材料材料1：“哥白尼坚信宇宙与自然是美的，而哥白尼坚信宇宙与自
13、然是美的，而 美的东西是简单与和谐的。美的东西是简单与和谐的。”对描述自然追求简单和谐是科学研究的动对描述自然追求简单和谐是科学研究的动力之一。力之一。材料材料2：“第谷第谷20余年一直观测火星，在他以余年一直观测火星，在他以前测量天体位置的误差大约是前测量天体位置的误差大约是10，第谷把这，第谷把这个不确定性减小到个不确定性减小到2，为哥白尼的学说提供了，为哥白尼的学说提供了关健性支持。关健性支持。”对自然奥秘不屈不挠探索的精神和对待科学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，而科学的结论总是在研究一丝不苟的态度，而科学的结论总是在顽强曲折的科学实践中悄悄来临。顽强曲折的科
14、学实践中悄悄来临。实验观察手段是科学研究的重要方法之一。实验观察手段是科学研究的重要方法之一。材料材料材料材料3 3：“开普开普开普开普勒勒勒勒七十余次尝试所得的结果都与第谷七十余次尝试所得的结果都与第谷七十余次尝试所得的结果都与第谷七十余次尝试所得的结果都与第谷的观测数据有至少的观测数据有至少的观测数据有至少的观测数据有至少88的角度偏差的角度偏差的角度偏差的角度偏差”“对第谷的数据的精确性深信不疑对第谷的数据的精确性深信不疑对第谷的数据的精确性深信不疑对第谷的数据的精确性深信不疑这不容这不容这不容这不容忽视的忽视的忽视的忽视的8 8 8 8也许正是因为行星并非做完美的匀速圆周也许正是因为行
15、星并非做完美的匀速圆周也许正是因为行星并非做完美的匀速圆周也许正是因为行星并非做完美的匀速圆周运动运动运动运动”“把几千个数据归纳成如此简洁的几句话。把几千个数据归纳成如此简洁的几句话。把几千个数据归纳成如此简洁的几句话。把几千个数据归纳成如此简洁的几句话。”实事求是、尊重客观事实、不迷信权威、敢于坚持真理和勇于探索的科学态度和科学精神。实验归纳和数学演绎相结合是科学研究中的重要方法。材料材料4：第谷与开普：第谷与开普勒勒的美妙组合。的美妙组合。科学探究需要合作精神。对自然奥秘不屈不挠探索的精神和对待科学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研究一丝不苟的态度.实事求是、尊重
16、客观事实、不迷信权威、敢实事求是、尊重客观事实、不迷信权威、敢于坚持真理和勇于探索的科学态度和科学精于坚持真理和勇于探索的科学态度和科学精神。神。实验观察手段是科学研究的重要方法之一。实验观察手段是科学研究的重要方法之一。实验归纳和数学演绎相结合是科学研究中的实验归纳和数学演绎相结合是科学研究中的重要方法。重要方法。科学探究需要合作精神。科学探究需要合作精神。三、探讨行星运动定律建立过程中三、探讨行星运动定律建立过程中所蕴含的科学精神和科学方法：所蕴含的科学精神和科学方法：材料材料：“第谷第谷20年一直观测火星，在他以前测量天体位置的误差年一直观测火星，在他以前测量天体位置的误差大约是大约是1
17、0，第谷把这个不确定性减小到，第谷把这个不确定性减小到2。为哥白尼的学。为哥白尼的学说提供了关健性支持。说提供了关健性支持。”“开普开普勒勒勒勒七十余次尝试所得的结果都与第谷的观测数据有至七十余次尝试所得的结果都与第谷的观测数据有至少少8的角度偏差的角度偏差”，“对第谷的数据的精确性深信不疑对第谷的数据的精确性深信不疑这不容忽视的这不容忽视的8 8也许正是因为行星并非做完美的匀速也许正是因为行星并非做完美的匀速圆周运动圆周运动”。“第谷与开普第谷与开普勒勒的美妙组合。的美妙组合。”“布鲁诺由于坚持日心说被教庭活活烧死在鲜花广场。布鲁诺由于坚持日心说被教庭活活烧死在鲜花广场。”一、一、“地心说地心说”与与“日心说日心说”地球是中心地球是中心太阳是中心太阳是中心宇宙无限宇宙无限（科学精神推动了认识发展）（科学精神推动了认识发展）二、行星运动定律二、行星运动定律1 1、轨道定律、轨道定律:-:-椭圆椭圆2 2、面积定律、面积定律:-:-V V近近远远3 3、周期定律、周期定律:-:-R 3/T2=k（K是一个只与是一个只与中心天体中心天体质量有关的物理量）质量有关的物理量）小结小结