1、第六章第六章萬有引力萬有引力 與航天與航天6-1 行星的運動行星的運動太陽系示意圖太陽系示意圖地心說是長期盛行于古代歐洲的宇宙學說。它最初由古希地心說是長期盛行于古代歐洲的宇宙學說。它最初由古希臘學者臘學者歐多克斯歐多克斯在公元前三世紀提出，后來經在公元前三世紀提出，后來經托勒密托勒密（90-168）進一步發展而逐漸建立和完善起來。）進一步發展而逐漸建立和完善起來。 由于地球的自轉，由于地球的自轉，我們在地球上看到天上我們在地球上看到天上的星星，感覺上都是繞的星星，感覺上都是繞地球運動，太陽與月亮地球運動，太陽與月亮也一樣，這樣人們就很也一樣，這樣人們就很容易得出，容易得出，地球是宇宙地球是宇

2、宙的中心，太陽、月亮及的中心，太陽、月亮及所有的星星都是繞地球所有的星星都是繞地球轉動的。這就是地心說。轉動的。這就是地心說。1 1、地心說、地心說(Geocentric Universe(Geocentric Universe) ) 托托 勒勒 密密 地球是宇宙的中心地球是宇宙的中心, ,并且靜止不并且靜止不動動, ,一切行星圍繞地球做圓周運動一切行星圍繞地球做圓周運動 隨著天文觀測隨著天文觀測不斷進步，不斷進步，“地心說地心說”暴露出許多問題。逐暴露出許多問題。逐漸被波蘭天文學家哥漸被波蘭天文學家哥白尼白尼(1473-1543)提出提出的的“日心說日心說”所取代。所取代。 波蘭天文學家哥波

3、蘭天文學家哥白尼經過白尼經過近四十年近四十年的的觀測和計算，于觀測和計算，于1543年出版了年出版了“天體運行天體運行論論”正式提出正式提出“日心日心說說”。 2 2、日心說、日心說(heliocentric theory)(heliocentric theory) 太陽是宇宙的中心太陽是宇宙的中心, ,并且靜止不動并且靜止不動, ,一切行星都圍繞太陽做圓周運動。一切行星都圍繞太陽做圓周運動。哥白尼哥白尼第谷的天文學觀測第谷的天文學觀測哥白尼的宇宙體系動搖了基督教宇宙體系的根基，但哥白尼的宇宙體系動搖了基督教宇宙體系的根基，但它并沒有在天文測算的精確度上有多大的提高。近代它并沒有在天文測算的精

4、確度上有多大的提高。近代早期最重要的觀測工作是由丹麥的早期最重要的觀測工作是由丹麥的第谷（第谷（1546-1601）進行的。進行的。仙后座的新星爆發仙后座的新星爆發德國的物理學家開普勒繼承和總結了他的導師德國的物理學家開普勒繼承和總結了他的導師第谷的全部觀測資料及觀測數據，也是以行星第谷的全部觀測資料及觀測數據，也是以行星繞太陽做勻速圓周運動的模型來思考和計算的繞太陽做勻速圓周運動的模型來思考和計算的，因為不管是，因為不管是“地心說地心說”還是還是“日心說日心說”，都，都把天體運動看得很神圣，認為天體運動必然是把天體運動看得很神圣，認為天體運動必然是最完美、最和諧的勻速圓周運動。但結果總是最完

5、美、最和諧的勻速圓周運動。但結果總是與第谷的觀測數據有與第谷的觀測數據有88的角度誤差的角度誤差. .當時公認當時公認的第谷的觀測誤差不超過的第谷的觀測誤差不超過2,2,開普勒想，天體開普勒想，天體運動很可能不是勻速圓周運動運動很可能不是勻速圓周運動. .在這個大膽思在這個大膽思路下，開普勒又經過四年多的刻苦計算，先后路下，開普勒又經過四年多的刻苦計算，先后否定了否定了1919種設想，最后終于計算出行星是繞太種設想，最后終于計算出行星是繞太陽運動的，并且運動軌跡為橢圓，證明了哥白陽運動的，并且運動軌跡為橢圓，證明了哥白尼的尼的“日心說日心說”是正確的是正確的. .并總結為行星運動并總結為行星運

6、動三定律。三定律。開普勒開普勒的天文學觀測的天文學觀測開普勒開普勒開普勒第一定律開普勒第一定律3 3、開普勒三定律、開普勒三定律做一做做一做o焦點焦點焦點焦點半長軸半長軸a橢圓上某點到兩個焦橢圓上某點到兩個焦點的距離之和與橢圓點的距離之和與橢圓上另一點到兩焦點的上另一點到兩焦點的距離之和有什么關系距離之和有什么關系?保證橢圓的周長不變保證橢圓的周長不變,當橢圓的形狀變圓時當橢圓的形狀變圓時,兩焦點兩焦點間的距離會如何變化間的距離會如何變化?半長軸半長軸a的長度呢的長度呢?開普勒開普勒開普勒第二定律開普勒第二定律 對于每一個行星而言，太陽和行星的對于每一個行星而言，太陽和行星的連線在相等的時間內

7、掃過相等的面積連線在相等的時間內掃過相等的面積3 3、開普勒三定律、開普勒三定律開普勒第一定律（軌道定律）開普勒第一定律（軌道定律） 所有行星分別在大小不同的橢圓軌道上繞太陽所有行星分別在大小不同的橢圓軌道上繞太陽運動，太陽是在這些橢圓的其中一個焦點上。運動，太陽是在這些橢圓的其中一個焦點上。開普勒第二定律（面積定律）開普勒第二定律（面積定律） 太陽和行星的連線在相等的時間內掃過相等的太陽和行星的連線在相等的時間內掃過相等的面積。即近日點速率最大，遠日點速率最小。面積。即近日點速率最大，遠日點速率最小。行星軌道行星軌道焦點焦點太陽太陽 開普勒自發表了第開普勒自發表了第一、二定律后，又過了一、二

8、定律后，又過了十年，經過更加艱苦的十年，經過更加艱苦的努力，在數字的海洋里努力，在數字的海洋里提煉出了聯系各行星軌提煉出了聯系各行星軌道的第三定律。道的第三定律。 3 3、開普勒三定律、開普勒三定律k水=3.361018K金=3.351018K地=3.311018K火=3.361018a3/T2=k開普勒第三定律（周期定律）開普勒第三定律（周期定律） 開普勒定律的得出為牛頓發現開普勒定律的得出為牛頓發現萬有萬有引力定律引力定律打下了堅實的基礎打下了堅實的基礎開普勒第一定律（軌道定律）開普勒第一定律（軌道定律） 所有行星分別在大小不同的橢圓軌道上繞太陽所有行星分別在大小不同的橢圓軌道上繞太陽運動

9、，太陽是在這些橢圓的其中一個焦點上。運動，太陽是在這些橢圓的其中一個焦點上。開普勒第二定律（面積定律）開普勒第二定律（面積定律） 太陽和行星的連線在相等的時間內掃過相等的太陽和行星的連線在相等的時間內掃過相等的面積。即近日點速率最大，遠日點速率最小。面積。即近日點速率最大，遠日點速率最小。開普勒第三定律（周期定律）開普勒第三定律（周期定律） 所有行星的橢圓軌道的半長軸所有行星的橢圓軌道的半長軸的三次方與周期的平方成正比的三次方與周期的平方成正比。即有即有: a13：a23=T12：T22注意注意: k: k的大小與行星無關，的大小與行星無關，只與太只與太陽有關。陽有關。 或或: a3/T2=k

10、短軸短軸長軸長軸3 3、開普勒三定律、開普勒三定律2、金星與地球都在繞太陽運轉、金星與地球都在繞太陽運轉,那么金星那么金星上的一天肯定比上的一天肯定比24小時短嗎小時短嗎?1、海王星離太陽、海王星離太陽“最遠最遠”，繞太陽運動，繞太陽運動的公轉周期最長，對嗎？的公轉周期最長，對嗎？3、實際上，多數行星的軌道與圓十分接實際上，多數行星的軌道與圓十分接近，那么近，那么開普勒三定律開普勒三定律又當如何表述呢？又當如何表述呢？觀察八大行星圖后請思考觀察八大行星圖后請思考:行行 星星軌道半長軸軌道半長軸a(10a(106 6km)km)軌道半短軸軌道半短軸b(10b(106 6km)km)水星水星57.

11、957.956.756.7金星金星108.2108.2108.1108.1地球地球149.6149.6149.5149.5火星火星227.9 227.9 226.9226.9木星木星778.3778.3777.4777.4土星土星1427.01427.01424.81424.8八大行星軌道數據表1、多數行星繞太陽運動的軌道十分接近、多數行星繞太陽運動的軌道十分接近圓，太陽處在圓心；圓，太陽處在圓心；2、對某一行星來說，它繞太陽做圓周運動、對某一行星來說，它繞太陽做圓周運動的角速度（或線速度大?。┎蛔儯葱行堑慕撬俣龋ɑ蚓€速度大小）不變，即行星做勻速圓周運動；做勻速圓周運動；3、所有行星軌道半徑

12、的三次方跟它的公、所有行星軌道半徑的三次方跟它的公轉周期的二次方的比值都相等。轉周期的二次方的比值都相等。簡化模型后的開普勒三定律開普勒三定律：1 1、開普勒第一定律（、開普勒第一定律（軌道定律軌道定律） 所有行星繞太陽的運動的軌道都是橢圓，太陽所有行星繞太陽的運動的軌道都是橢圓，太陽處在橢圓的一個焦點上。處在橢圓的一個焦點上。2 2、開普勒第二定律（、開普勒第二定律（面積定律面積定律）對任意一個行星來說，它與太陽的連線在相等對任意一個行星來說，它與太陽的連線在相等的時間內掃過相等的面積。的時間內掃過相等的面積。3 3、開普勒第三定律（、開普勒第三定律（周期定律周期定律） 所有行星的橢圓軌道的

13、所有行星的橢圓軌道的半長軸半長軸的三的三次方跟次方跟公轉周期公轉周期的平方的比值都相等的平方的比值都相等 k 的大小與行星無關，的大小與行星無關，只與太陽質量有關。只與太陽質量有關。短軸短軸長軸長軸小結小結akTa331、關于行星繞太陽運動的下列說法中正確的是（、關于行星繞太陽運動的下列說法中正確的是（ ） A、所有行星都在同一橢圓軌道上繞太陽運動。、所有行星都在同一橢圓軌道上繞太陽運動。 B、行星繞太陽運動時太陽位于行星軌道的中心處。、行星繞太陽運動時太陽位于行星軌道的中心處。 C、離太陽越近的行星運動周期越長。、離太陽越近的行星運動周期越長。 D、所有行星的軌道的半長軸的三次方跟公轉周期、

14、所有行星的軌道的半長軸的三次方跟公轉周期 的二次方的比值都相等。的二次方的比值都相等。D3 3、關于開普勒定律，下列說法正確的是（、關于開普勒定律，下列說法正確的是（ ）A.A.開普勒定律是根據長時間連續不斷的、對行星位置開普勒定律是根據長時間連續不斷的、對行星位置觀測記錄的大量數據，進行計算分析后獲得的結論觀測記錄的大量數據，進行計算分析后獲得的結論B.B.根據開普勒第二定律，行星在橢圓軌道上繞太陽運根據開普勒第二定律，行星在橢圓軌道上繞太陽運動的過程中，其速度隨行星與太陽之間距離的變化動的過程中，其速度隨行星與太陽之間距離的變化而變化，距離小時速度大，距離大時速度小而變化，距離小時速度大，

15、距離大時速度小C.C.行星繞太陽運動的軌道，可以近似看做為圓，即可行星繞太陽運動的軌道，可以近似看做為圓，即可以認為行星繞太陽做勻速圓周運動以認為行星繞太陽做勻速圓周運動D.D.開普勒定律，只適用于太陽系，對其他恒星系不適開普勒定律，只適用于太陽系，對其他恒星系不適用；行星的衛星（包括人造衛星）繞行星的運動，用；行星的衛星（包括人造衛星）繞行星的運動，是不遵循開普勒定律的是不遵循開普勒定律的ABC 3 3、地球繞太陽的運行軌道是橢圓，因而地球與太陽、地球繞太陽的運行軌道是橢圓，因而地球與太陽之間的距離隨季節變化。冬至這天地球離太陽最近之間的距離隨季節變化。冬至這天地球離太陽最近，夏至最遠。下列

16、關于地球在這兩天繞太陽公轉速，夏至最遠。下列關于地球在這兩天繞太陽公轉速度大小的說法中，正確的是度大小的說法中，正確的是 （ ）A A地球公轉速度是不變的地球公轉速度是不變的B B冬至這天地球公轉速度大冬至這天地球公轉速度大C C夏至這天地球公轉速度大夏至這天地球公轉速度大D D無法確定無法確定 B4 4、關于行星的運動說法正確的是（、關于行星的運動說法正確的是（ ）A A、行星半長軸越長，自轉周期越大、行星半長軸越長，自轉周期越大B B、行星半長軸越長，公轉周期越大、行星半長軸越長，公轉周期越大C C、水星半長軸最短，公轉周期最大、水星半長軸最短，公轉周期最大D D、冥王星半長軸最長，公轉周

17、期最大、冥王星半長軸最長，公轉周期最大BD5、行星繞恒星的運動軌道如果是圓形，那么運行周期、行星繞恒星的運動軌道如果是圓形，那么運行周期T的平方與軌道半徑的平方與軌道半徑r的三次方的比為常數，設的三次方的比為常數，設T2/r3=k,則則常數常數k的大小的大小( ) A . 只與恒星的質量有關只與恒星的質量有關 B. 與恒星的質量及行星的的質量有關與恒星的質量及行星的的質量有關 C. 只與行星的質量有關只與行星的質量有關 D. 與恒星的質量及行星的的速度有關與恒星的質量及行星的的速度有關 小結：小結： R3/T2=k，無論是對于不同行星繞太陽轉還是，無論是對于不同行星繞太陽轉還是 對于不同衛星繞

18、同一個行星轉，都是合適的，對于不同衛星繞同一個行星轉，都是合適的， 只是只是k值不同，值不同，k與行星或衛星無關，僅與中與行星或衛星無關，僅與中 心天體有關。心天體有關。A6 6、已知木星繞太陽的公轉周期是地球繞太陽、已知木星繞太陽的公轉周期是地球繞太陽公轉周期的公轉周期的1212倍，則木星軌道半長軸是地球倍，則木星軌道半長軸是地球軌道半長軸的多少倍？軌道半長軸的多少倍？根據開普勒第三定律有根據開普勒第三定律有24. 5123222332323地木地木地木地地木木rrTTrrTrTr一、形似沙漏的五彩星一、形似沙漏的五彩星云云 這是一團距離地這是一團距離地球球3000光年的星云，光年的星云，學

19、名為學名為Mz3。與其它。與其它星云有所不同的是：星云有所不同的是：該星云看上去就像是該星云看上去就像是一只一只“沙漏沙漏”，中間，中間窄，兩頭寬窄，兩頭寬(平常發現平常發現的其它星云通常為圓的其它星云通常為圓形形)。星云兩頭不時冒。星云兩頭不時冒出泡泡。這種現象令出泡泡。這種現象令天文學家驚奇不已天文學家驚奇不已。 “最酷最炫最酷最炫”的太空圖片的太空圖片1 二、讓無數人傾倒的二、讓無數人傾倒的獅子座流星雨獅子座流星雨11月顯身的獅子月顯身的獅子座流星雨讓無數人為座流星雨讓無數人為之傾倒。這次流星雨之傾倒。這次流星雨多而密，天文迷借此多而密，天文迷借此機會許完了整個世際機會許完了整個世際的心

20、愿。的心愿。“最酷最炫最酷最炫”的太空圖片的太空圖片2 三、絢爛、神秘的極三、絢爛、神秘的極光光由于太陽活動頻由于太陽活動頻繁，美國北部幾個州繁，美國北部幾個州的居民難得地見到了的居民難得地見到了平常只出現在南北極平常只出現在南北極的美麗極光。極光絢的美麗極光。極光絢爛、神秘，那些希望爛、神秘，那些希望遠離人類喧囂的天文遠離人類喧囂的天文迷恨不得乘極光離開迷恨不得乘極光離開地球。地球。 “最酷最炫最酷最炫”的太空圖片的太空圖片3 四、怒氣沖沖的太陽四、怒氣沖沖的太陽千萬別去惹千萬別去惹“太陽太陽公公公公”，他煩著呢。太，他煩著呢。太陽風暴平均陽風暴平均11年爆發一年爆發一次，太陽釋放出能量最次

21、，太陽釋放出能量最旺的耀斑，太陽風暴圖旺的耀斑，太陽風暴圖片的確很美，但千萬別片的確很美，但千萬別跑到操場上看太陽、找跑到操場上看太陽、找耀斑，因為耀斑，因為“太陽公公太陽公公”怒氣未消，他灼熱的怒氣未消，他灼熱的“目光目光”會讓你的眼睛會讓你的眼睛很受傷。很受傷。“最酷最炫最酷最炫”的太空圖片的太空圖片 五、飽經風霜的五、飽經風霜的“愛神愛神”小行星小行星既然被取名為既然被取名為“Eros”，“愛神愛神”小行星在人們的小行星在人們的心中是一個漂亮、干凈的心中是一個漂亮、干凈的形象。但登陸形象。但登陸“愛神愛神”的的Shoemaker號探測器發回號探測器發回的照片卻告訴我們，情況的照片卻告訴我

22、們，情況并非如此。照片顯示，行并非如此。照片顯示，行星表面布滿了坑洞星表面布滿了坑洞這這些坑洞是由火山爆發以及些坑洞是由火山爆發以及小行星相撞形成。小行星相撞形成。 “最酷最炫最酷最炫”的太空圖片的太空圖片 六、火星上的日出美景六、火星上的日出美景來看看日出美景。來看看日出美景。這可不是普通的日出景這可不是普通的日出景色，而是火星上的日出色，而是火星上的日出景色。天文藝術家利用景色。天文藝術家利用電腦軟件和有關數據創電腦軟件和有關數據創作了這幅圖片，圖中顯作了這幅圖片，圖中顯示的是示的是“火星大峽谷火星大峽谷”的的3D外形結構，有人外形結構，有人認為認為“火星大峽谷火星大峽谷”是是由冰川或水流

23、腐蝕形成。由冰川或水流腐蝕形成。 “最酷最炫最酷最炫”的太空圖片的太空圖片 七、并不那么明亮的七、并不那么明亮的慧星慧星今年九月，深空今年九月，深空一號探測器成功接近一號探測器成功接近這顆叫做這顆叫做“Borrelly”的彗星，并拍得數十的彗星，并拍得數十張彗核圖片。通過對張彗核圖片。通過對照片的分析，天文學照片的分析，天文學家們初步得出結論：家們初步得出結論：慧星比人類想象中要慧星比人類想象中要暗淡得多，可能是太暗淡得多，可能是太陽系中最暗的星。陽系中最暗的星?！白羁嶙铎抛羁嶙铎拧钡奶請D片的太空圖片 八、讓人看了做惡夢的八、讓人看了做惡夢的“鬼頭鬼頭星云星云”該圖是哈勃望遠鏡拍攝的該圖是哈勃望遠鏡拍攝的“鬼頭星云鬼頭星云”照片。照片。NGC 2080是是“鬼頭星云鬼