物理-课件- 天体运动

1、万有引力与航天万有引力与航天 浑天说浑天说是我国古代的另一种重是我国古代的另一种重要宇宙理论，认为要宇宙理论，认为 浑天如鸡子，天浑天如鸡子，天体圆如蛋丸，地如鸡中黄体圆如蛋丸，地如鸡中黄 ，天内充，天内充满了水，天靠气支撑着，地则浮在水满了水，天靠气支撑着，地则浮在水面上。面上。天的大圆分为天的大圆分为365.25365.25度度，浑天，浑天旋轴两端分别称为南极、北极，旋轴两端分别称为南极、北极，赤道赤道垂直于天极，黄道斜交着天的大圆垂直于天极，黄道斜交着天的大圆，黄赤道交角为黄赤道交角为2424度度。我国古代的天文学我国古代的天文学 公元前，公元前，古人观察古人观察到北极星常到北极星常年不

2、动，以及北斗七星等拱极星的年不动，以及北斗七星等拱极星的回转，便以为星空是圆的。就象一回转，便以为星空是圆的。就象一只倒扣的大锅，覆盖在大地上，而只倒扣的大锅，覆盖在大地上，而北极则是这盖天的顶，又认为地是北极则是这盖天的顶，又认为地是方的，就象一围棋盘，此即方的，就象一围棋盘，此即“”之说。之说。东汉时的浑天仪东汉时的浑天仪行星运动的认识行星运动的认识托托 勒勒 密密 地球是宇宙的中心地球是宇宙的中心, ,并且静止不动并且静止不动, ,一一切行星围绕地球做圆周运动切行星围绕地球做圆周运动行星运动的认识行星运动的认识地心说地心说(Geocentric Universe)(Geocentric

3、Universe) 由于这一学说由于这一学说没有反映行星运动的本质没有反映行星运动的本质，经不起长时，经不起长时间的观测检验，后来间的观测检验，后来为哥白尼为哥白尼“日心说日心说”所推翻。所推翻。 托勒密的托勒密的“地心说地心说”天体模型之所以能够流行千年，是有天体模型之所以能够流行千年，是有它的优点和历史原因的。它的主要特点是：它的优点和历史原因的。它的主要特点是： 1 1绕着某一中心的匀角速运动，符合当时占主导思想的绕着某一中心的匀角速运动，符合当时占主导思想的柏拉图的假设，也适合于亚里士多德的物理学，易于被接受。柏拉图的假设，也适合于亚里士多德的物理学，易于被接受。 2 2用几种圆周轨道

4、不同的组合预言了行星的运动位置，用几种圆周轨道不同的组合预言了行星的运动位置，与实际相差很小，与实际相差很小，相比以前的体系有所改进，相比以前的体系有所改进，还能解释行星的还能解释行星的亮度变化。亮度变化。 3 3地球不动的说法，对当时人们的生活是令人安慰的假地球不动的说法，对当时人们的生活是令人安慰的假设，也符合基督教信仰。设，也符合基督教信仰。 太阳是宇宙的中心太阳是宇宙的中心, ,并且静止不动并且静止不动, ,一一切行星都围绕太阳做圆周运动。切行星都围绕太阳做圆周运动。哥白尼哥白尼行星运动的认识行星运动的认识日心说日心说(Solarcentric Universe)(Solarcentr

5、ic Universe) 由于哥白尼的学说触犯了基督教的教义，遭到了教会由于哥白尼的学说触犯了基督教的教义，遭到了教会的反对。他的著作更是被列为禁书。但真理是封锁不住的，的反对。他的著作更是被列为禁书。但真理是封锁不住的，哥白尼的学说后来得到了许多科学家的继承和发展。哥白尼的学说后来得到了许多科学家的继承和发展。18821882年，罗马教皇不得不承认哥白尼的学说是正确的年，罗马教皇不得不承认哥白尼的学说是正确的。这一光。这一光辉学说辉学说经过三个世纪经过三个世纪的艰苦斗争，终于获得完全胜利并为的艰苦斗争，终于获得完全胜利并为社会所承认。社会所承认。 “日心说日心说”也并不是绝对正确的，也并不是

6、绝对正确的，因为太阳只是太阳因为太阳只是太阳系的一个中心天体，而太阳系只是宇宙中众多星系之一，系的一个中心天体，而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，也不是静止不动的。所以太阳并不是宇宙的中心，也不是静止不动的。“日心日心说说”，只是比只是比“地心说地心说”更准确一些罢了更准确一些罢了。 为真理而献身的布鲁诺为真理而献身的布鲁诺( (视频视频) )乔达诺乔达诺布鲁诺布鲁诺(Giordano Bruno,1548-1600)(Giordano Bruno,1548-1600) 1600 1600年年2 2月月1717日，在意大利罗马的鲜花广场上，宗教裁日，在意大利罗马的鲜花广

7、场上，宗教裁判所奉教皇克莱门特八世之命，向众多虔诚的基督教徒宣布判所奉教皇克莱门特八世之命，向众多虔诚的基督教徒宣布了布鲁诺亵读神圣宗教的了布鲁诺亵读神圣宗教的“罪行罪行”，宣判了将布鲁诺处以火，宣判了将布鲁诺处以火刑的决定，熊熊烈火吞噬了一个杰出科学家的生命。刑的决定，熊熊烈火吞噬了一个杰出科学家的生命。 第谷认为，要创立一个满意的星体运行理论，必须精确掌握星第谷认为，要创立一个满意的星体运行理论，必须精确掌握星体的运行位置。在他以前体的运行位置。在他以前, ,人们测量天体位置的误差大约是人们测量天体位置的误差大约是10 ,10 ,第谷通过第谷通过，把这个，把这个不确定性减小到不确定性减小到

8、2 2 。 他他编制的星体位置图表，至今仍有使用价值编制的星体位置图表，至今仍有使用价值。第谷被后人誉为。第谷被后人誉为“星学之王星学之王”，并把天上的一颗恒星命名为，并把天上的一颗恒星命名为“第谷星第谷星”。第谷（丹麦）第谷（丹麦）第第 谷谷 星星 “星学之王星学之王”第第 谷谷 开普勒（德国）开普勒（德国）行星运动的认识行星运动的认识第谷的眼睛与开普勒的头脑第谷的眼睛与开普勒的头脑四年多的刻苦计算四年多的刻苦计算二十年的精心观测二十年的精心观测8 8 的偏差的偏差 否定否定19 19 种假设种假设750750多颗星的观测记录多颗星的观测记录几千个数据几千个数据误差仅为误差仅为22？行星轨道

9、是行星轨道是椭圆的椭圆的怎么回事怎么回事.进行了进行了7070多次尝试多次尝试第第 谷（丹麦）谷（丹麦） 开普勒出身贫寒，开普勒出身贫寒，4 4岁时患岁时患天花损坏了视力，一只手落下残天花损坏了视力，一只手落下残疾。他在用圆周运动模型对火星疾。他在用圆周运动模型对火星轨道的研究中，轨道的研究中，七十余次七十余次尝试所尝试所得的结果都与第谷的观测数据有得的结果都与第谷的观测数据有至少至少8 8 的角度偏差的角度偏差。开普勒对。开普勒对第谷数据的精确性深信不疑，第谷数据的精确性深信不疑，猜猜想行星的运动并非匀速圆周运动想行星的运动并非匀速圆周运动。人们长期以来视为真理的观念第人们长期以来视为真理的

10、观念第一次受到了怀疑。此后，他经过一次受到了怀疑。此后，他经过多年的尝试性计算，终于发现并多年的尝试性计算，终于发现并先后发表了先后发表了行星运动的三大定律行星运动的三大定律。开普勒开普勒 “ “天空立法者天空立法者”开普勒开普勒 开普勒行星运动定律开普勒行星运动定律开普勒第开普勒第一一定定律律开普勒行星运动定律开普勒行星运动定律开普勒第开普勒第二二定定律律 对于每一个行星而言，对于每一个行星而言，太阳和行星太阳和行星的联线的联线在相等的时间内在相等的时间内扫过相等的面积扫过相等的面积开普勒行星运动定律开普勒行星运动定律开普勒第开普勒第三三定定律律 所有行星的轨道的所有行星的轨道的半长轴的三次

11、半长轴的三次方跟公转周期的二次方方跟公转周期的二次方的比值都相等。的比值都相等。kTR23开普勒行星运动定律的近似处理开普勒行星运动定律的近似处理半长轴长为：半长轴长为：1.4981.498108km半短轴长为：半短轴长为：1.49581.4958108km1.001开普勒三大定律都开普勒三大定律都是是经验经验定律定律。【例例1 1】下列说法正确的是（下列说法正确的是（ ） A A太阳系中的八大行星有一个共同的轨太阳系中的八大行星有一个共同的轨道焦点道焦点 B B行星的运动方向总是轨道的切线方向行星的运动方向总是轨道的切线方向 C C行星的运动方向总是与它和太阳的连行星的运动方向总是与它和太阳

12、的连线垂直线垂直 D D日心说的说法是正确的日心说的说法是正确的【例例2 2】如图所示是行星如图所示是行星m m绕恒星绕恒星M M运动的情况示意运动的情况示意图，则下面的说法正确的是：图，则下面的说法正确的是： A A、速度最大的点是、速度最大的点是B B点点B B、速度最小的点是、速度最小的点是C C点点C C、m m从从A A到到B B做减速运动做减速运动D D、m m从从B B到到A A做减速运动做减速运动MABmDC 从从A到到B过程的速度、加速度的大小变化？过程的速度、加速度的大小变化？【例例3 3】地球到太阳的距离为水星到太阳距离地球到太阳的距离为水星到太阳距离的的2.62.6倍，

13、那么地球和水星绕太阳运转的线速倍，那么地球和水星绕太阳运转的线速度之比是多少？度之比是多少？【例例4 4】某一人造卫星绕地球做匀速圆周运动，某一人造卫星绕地球做匀速圆周运动，其轨道半径为月球绕地球轨道半径的其轨道半径为月球绕地球轨道半径的1/3，则，则此卫星运行的周期大约是此卫星运行的周期大约是() A.14天天 B.48天天 C.816天天 D.1620天天【例例5 5】某行星绕太阳沿椭圆轨道运行，它的某行星绕太阳沿椭圆轨道运行，它的近日点近日点A A到太阳的距离为到太阳的距离为r r，远日点，远日点B B到太阳的到太阳的距离为距离为R R. . 若行星经过近日点时的速度为若行星经过近日点时

14、的速度为V VA A 求求：该行星经过远日点时的速度该行星经过远日点时的速度V VB B 的大小的大小ABrROA1B1ABrRO 解：解：设行星设行星在极短的时间在极短的时间t t内内由由A A到到A A1 1，由，由B B到到B B1 1。RtvrtvBAABvRrv 由开普勒第二定律由开普勒第二定律可知：可知： OAA1与与OBB1面积相等面积相等极限思想极限思想-瞬时速度瞬时速度 例例、月球环绕地球运动的轨道半径约为地球半月球环绕地球运动的轨道半径约为地球半径的径的6060倍，其运行周期约为倍，其运行周期约为27 27 天天. . 现应用开普勒定律计算：在赤道平面内离地现应用开普勒定律

15、计算：在赤道平面内离地多高时，人造地球卫星可随地球一起转动，就象多高时，人造地球卫星可随地球一起转动，就象其停在天空一样（同步卫星）。其停在天空一样（同步卫星）。（已知（已知 R R地地= 6.4= 6.410103 3km)km) 绕同一天体运动的不同天体绕同一天体运动的不同天体,都循开普勒的周期定律都循开普勒的周期定律 解：解：设人造卫星运动的半径为设人造卫星运动的半径为R R1 1，周期为，周期为T T1 1 （此周期与地球自转周期相同），月球的轨道（此周期与地球自转周期相同），月球的轨道的半径为的半径为R R2 2 周期为周期为T T2 2同步卫星离地面的高度为同步卫星离地面的高度为:

16、 : 地RRRTT67. 622/3121mRRRh611063. 367. 5地地22322131TRTR一、一、“地心说地心说”与与 “ “日心说日心说”是中心是中心是中心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:- :- 椭圆轨道椭圆轨道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:-:- kTR23Stephen Hawking (1942- )Stephen Hawking (1942- ) 著名的科学家贝特郎著名的科学家贝特郎罗素罗素曾经作过一次关于天文学方面

17、的曾经作过一次关于天文学方面的讲演。他描述了地球如何绕着太讲演。他描述了地球如何绕着太阳运动，以及太阳又是如何绕着阳运动，以及太阳又是如何绕着我们称之为星系的巨大的恒星群我们称之为星系的巨大的恒星群的中心转动。演讲结束之时，一的中心转动。演讲结束之时，一位坐在房间后排的矮个老妇人站位坐在房间后排的矮个老妇人站起来说道：起来说道：“你说的这些都是废你说的这些都是废话。这个世界实际上是驮在一只话。这个世界实际上是驮在一只大乌龟的背上的一块平板。大乌龟的背上的一块平板。”这这位科学家很有教养地微笑着答道：位科学家很有教养地微笑着答道：“那么这只乌龟是站在什么上面那么这只乌龟是站在什么上面的呢？的呢？”“”“你