万有引力与行星的运动课件.ppt

一、地心说一、地心说托勒密于公元二世纪，提出了自己的宇宙结构学说，即“地心说”.地心说认为地球是宇宙的中心，是静止不动的，太阳、月亮及其他的行星都绕地球运动 地心说直到16世纪才被哥白尼推翻.托 勒 密 地心说最初是由古希腊学者欧多克斯提出，后经亚里地心说最初是由古希腊学者欧多克斯提出，后经亚里多德、托勒密进一步发展而逐渐建立和完善起来多德、托勒密进一步发展而逐渐建立和完善起来 地心说地心说的建立与发展的建立与发展 基本观点：基本观点：1.1.地球是球体地球是球体 2.2.地球是静止不动的，而且处于宇地球是静止不动的，而且处于宇宙的中心宙的中心, ,从地球向外，依次有月从地球向外，依次有月球、水星、金星、太阳、火星、木球、水星、金星、太阳、火星、木星和土星星和土星, ,再外面是镶嵌着所有恒再外面是镶嵌着所有恒星的天球星的天球恒星天最外面，是恒星天最外面，是推动天体运动的原动天推动天体运动的原动天3.3.所有日月星辰都围绕地球匀速转所有日月星辰都围绕地球匀速转动托勒密对托勒密对地心说的改进地心说的改进1.1.偏心运动偏心运动2.2.本轮与均轮的概念本轮与均轮的概念3.3.偏心等距点偏心等距点。

地心说遇到的困难地心说遇到的困难1.1.北半球冬季的中午较之夏季的中午，太阳看起来要北半球冬季的中午较之夏季的中午，太阳看起来要大一些（因而近一些）大一些（因而近一些）2.2.火星逆行火星逆行3.3.太阳的运行在夏季较慢而在冬季稍快太阳的运行在夏季较慢而在冬季稍快二、日心说哥白尼在16世纪提出了日心说日心说认为太阳是静止不动的，地球和其他行星都绕太阳运动1543 年哥白尼的天体运行论 出版，书中详细描述了日心说理论.哥 白 尼日心说日心说的建立与发展的建立与发展在公元前在公元前300多年的赫拉克里特和阿里斯塔克斯就已经提到过太多年的赫拉克里特和阿里斯塔克斯就已经提到过太阳是宇宙的中心，地球围绕太阳运动完整的日心说宇宙模型是阳是宇宙的中心，地球围绕太阳运动完整的日心说宇宙模型是由波兰天文学家哥白尼在由波兰天文学家哥白尼在1543年发表的年发表的天体运行论天体运行论中提出的中提出的 基本观点：基本观点：（1）太阳是不动的，而且在太阳是不动的，而且在宇宙中心，水星、金星、火星、宇宙中心，水星、金星、火星、木星、土星和地球一样，都在圆木星、土星和地球一样，都在圆形轨道上匀速率地绕着太阳公转形轨道上匀速率地绕着太阳公转。

2）月球是地球的卫星，它月球是地球的卫星，它在以地球为中心的圆轨道上每月在以地球为中心的圆轨道上每月绕地球转一周，并随地球绕太阳绕地球转一周，并随地球绕太阳公转3）地球每天自转一周，天地球每天自转一周，天穹实际上不转动，只是由于地球穹实际上不转动，只是由于地球的自转才是我们看到了日月星辰的自转才是我们看到了日月星辰每天东升西落的现象每天东升西落的现象 丹麦伟大的天文学家第谷连续丹麦伟大的天文学家第谷连续2020年对行星的位置进行年对行星的位置进行观测并记录了精确的数据观测并记录了精确的数据 德国天文学家开普勒（德国天文学家开普勒（1571-16301571-1630）在最初研究他的）在最初研究他的导师家第谷（导师家第谷（1546-16011546-1601）所记录的数据时，也是以行星）所记录的数据时，也是以行星绕太阳做匀速圆周运动的模型来思考问题的，但是所得结绕太阳做匀速圆周运动的模型来思考问题的，但是所得结果却与第谷的观测数据果却与第谷的观测数据至少有至少有8 8分的角度误差分的角度误差当时公认当时公认的第谷的观测误差不超过的第谷的观测误差不超过2 2分，开普勒想，这不容忽视的分，开普勒想，这不容忽视的8 8分也许是分也许是因为人们认为行星绕太阳做匀速圆周运动所造成因为人们认为行星绕太阳做匀速圆周运动所造成的的。

至此，人们长期以来视为真理的观念至此，人们长期以来视为真理的观念天体做匀速天体做匀速圆周运动，第一次受到了怀疑后来开普勒又仔细研究了圆周运动，第一次受到了怀疑后来开普勒又仔细研究了第谷的观测资料，经过第谷的观测资料，经过四年多四年多的刻苦计算先后否定了的刻苦计算先后否定了1919种种设想，最后终于发现了天体运行的规律开普勒三大定律设想，最后终于发现了天体运行的规律开普勒三大定律开普勒行星运动的三大定律开普勒行星运动的三大定律开普勒第一定律：（椭圆轨道定律）开普勒第一定律：（椭圆轨道定律） 所有行星绕太阳运动的轨道都是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椭圆，太阳处在椭圆的一个焦点上将一条绳的两端固定在两个定点将一条绳的两端固定在两个定点（图钉）上，以铅笔拉紧绳子所（图钉）上，以铅笔拉紧绳子所画出的图形即为椭圆这两个定画出的图形即为椭圆这两个定点称为此椭圆的两个焦点从椭点称为此椭圆的两个焦点从椭圆上任一点至两焦点的距离之和圆上任一点至两焦点的距离之和为一定值，既为一定值，既 常数O O点为对称中心点点为对称中心点, , 称为半长轴；称为半长轴； 称为半称为半短轴；短轴；M MN N开普勒第二定律：（面积定律）开普勒第二定律：（面积定律） 对于任意一个行星来说，它与对于任意一个行星来说，它与太阳的连线在相等的时间里扫过的太阳的连线在相等的时间里扫过的面积相等。

面积相等S SABAB=S=SCDCD=S=SEKEK开普勒行星运动的三大定律开普勒行星运动的三大定律M MN N试比较近日点和远日点地球的速度大小？试比较近日点和远日点地球的速度大小？试求出近日点和远日点地球的速度大小的比值？试求出近日点和远日点地球的速度大小的比值？R1R2FF开普勒第二定律（面积定律）：开普勒第二定律（面积定律）：对于每一个行星，太阳和行星的连线在相等的时间内扫过的面积相等离太阳近时速度快，离太阳远时速度慢开普勒第三定律：（周期定律）开普勒第三定律：（周期定律） 所有行星的轨道的半长轴的立方所有行星的轨道的半长轴的立方和公转周期的平方成正比和公转周期的平方成正比R3/T2=KR开普勒行星运动的三大定律开普勒行星运动的三大定律1.425710-141.31410-14开普勒第三大定律开普勒第三大定律太太阳阳地地球球开普勒第三定律：（周期定律）开普勒第三定律：（周期定律） 所有行星的轨道的半长轴的立方所有行星的轨道的半长轴的立方和公转周期的平方成正比和公转周期的平方成正比R3/T2=KR开普勒行星运动的三大定律开普勒行星运动的三大定律注意注意:1.K:1.K是一个常量，它与行星无关，与中心是一个常量，它与行星无关，与中心 天体有关。

天体有关 2.2.轨道半长轴越大轨道半长轴越大, ,公转周期越大公转周期越大. .日心说成功地解决了地日心说成功地解决了地心说遇到的困难心说遇到的困难地心说遇到的困难地心说遇到的困难1.1.北半球冬季的中午较之夏季的中午，太阳看起来要北半球冬季的中午较之夏季的中午，太阳看起来要大一些（因而近一些）大一些（因而近一些）2.2.火星逆行火星逆行3.3.太阳的运行在夏季较慢而在冬季稍快太阳的运行在夏季较慢而在冬季稍快 假设地球绕太阳的运动是一个椭假设地球绕太阳的运动是一个椭圆运动圆运动,太阳在焦点上太阳在焦点上,根据曲线运动根据曲线运动的特点，得在秋分到冬至再到春分的的特点，得在秋分到冬至再到春分的时间比从春分到夏至再到秋分的时间时间比从春分到夏至再到秋分的时间短，所以秋冬两季比春夏两季要短短，所以秋冬两季比春夏两季要短春春92天天夏夏94天天秋秋89天天冬冬90天天根据开普勒第三定律知：所有行星绕太阳运动的半长轴的三次方跟公转周期二次方的比值是一个常数k，可以猜想，这个“k”一定与运动系统的物体有关因为常数k对于所有行星都相同，而各行星是不一样的，故跟行星无关，而在运动系中除了行星就是中心天体太阳，故这一常数“k一定与中心天体太阳有关(通过后面的学习将知道k值与太阳质量的关系)开普勒第三定律开普勒第三定律开普勒第三定律开普勒第三定律说说明：明：开普勘定律不仅适用于行星绕大阳运动，也适用于卫星绕着地球转，不过比例式 k中的k是不同的，与中心天体有关 规律：规律：1 1、多数行星绕太阳运动的轨道十分接近、多数行星绕太阳运动的轨道十分接近圆，太阳处在圆心；圆，太阳处在圆心；2 2、对某一行星来说，它绕太阳做圆周运、对某一行星来说，它绕太阳做圆周运动的角速度（或线速度大小）不变，即动的角速度（或线速度大小）不变，即行星做匀速圆周运动；行星做匀速圆周运动；3 3、所有行星轨道半径的三次方跟它的公、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。

转周期的二次方的比值都相等2 2 2 2太阳与行星间的引力太阳与行星间的引力万有引力万有引力伽利略伽利略行星的运动是受到了来自太阳的类似于磁力的作用 ，与距离成反比 行星的运动是太阳吸引的缘故，行星的运动是太阳吸引的缘故，行星的运动是太阳吸引的缘故，行星的运动是太阳吸引的缘故，并且力的大小与到太阳距离的平方并且力的大小与到太阳距离的平方并且力的大小与到太阳距离的平方并且力的大小与到太阳距离的平方成反比 在行星的周围有旋转的物质(以太)作用在行星上，使得行星绕太阳运动开普勒开普勒笛卡尔笛卡尔胡克胡克一切物体都有合并的趋势一切物体都有合并的趋势科学足迹科学足迹牛顿牛顿 (1643(16431727)1727)英国著名的物理学家英国著名的物理学家 当年牛顿在前人研究的基础上，也经过类似这样的思考，并凭借其超凡的数学能力和坚定的信念，深入研究，最终发现了万有引力定律牛顿在1676年给友人的信中写道： 如果说我看的比别人更远，如果说我看的比别人更远，那是因为我站在巨人的肩膀上那是因为我站在巨人的肩膀上 建立模型诱思：诱思：行星的实际运动是椭圆运动，但我们还不了解椭圆运动规律，那应该怎么办？能把它简化成什么运动呢？太阳太阳行星行星a建立模型太阳太阳行星行星r太阳太阳行星行星a诱思：既然把行星绕太阳的运动简化为圆周运动。

那么行星绕太阳运动可看成匀速圆周运动还是变速圆周运动？为什么？简简化化行星绕太阳做匀速圆周运动需要向心力，那什么力来提供做向心力？ 这个这个力的方向怎么样？力的方向怎么样？建立模型诱思：诱思：太阳对行星太阳对行星的引力提供的引力提供作为向心力，作为向心力，那这个力大那这个力大小有什么样小有什么样定量关系？定量关系？F太阳太阳行星行星 在在16651665年年，具有高明的数学才能的牛顿，根据自己独特的思维推导得出：太阳对行星的引力与距离平方成反比但没有弄清这个引力就是提供圆周运动所需要向心力，也没有推导得出行星绕太阳做椭圆运动时，太阳对行星的引力也存在距离平方成反比在在16791679年年，牛顿在与胡克等人的交流中，逐渐清楚圆周运动一定需要太阳对行星的与距离平方成反比的引力，并应用微积分，推导得出了行星绕太阳做椭圆运动时，太阳对行星的引力也存在距离平方成反比的数学关系式阅读材料科学有险阻，攻艰莫畏难科学有险阻，攻艰莫畏难课堂小结今天我们学到了什么今天我们学到了什么?古人古人观点观点牛顿牛顿思考思考理论理论演算演算总结总结规律规律建模建模理想化理想化类比类比 1、下列关于行星对太阳的引力的说法中正确的是（ ） A.行星对太阳的引力与太阳对行星的引力是同一性质的力 B.行星对太阳的引力与太阳的质量成正比，与行星的质量无关 C.太阳对行星的引力大于行星对太阳的引力 D.行星对太阳的引力大小与太阳的质量成正比，与行星距太阳的距离成反比随堂练习 A2、两个行星的质量分别为m1和m2，绕太阳运行的轨道半径分别是r1和r2，若它们只受太阳引力的作用，那么这两个行星的向心加速度之比为（ ）A1 B. C. D.随堂练习 D3下面关于行星绕太阳旋转的说法中正确的是（ ） A.离太阳越近的行星周期越大 B.离太阳越远的行星周期越大 C.离太阳越近的行星的向心加速度越大 D.离太阳越近的行。