第七章 万有引力与宇宙航行
7.1行星的运动
一、地心说和日心说　开普勒定律
1．地心说
地球是宇宙的中心，是静止不动的，太阳、月亮以及其他星体都绕地球运动。
2．日心说
太阳是静止不动的，地球和其他行星都绕太阳运动。
[注意]　古代两种学说都是不完善的，因为不管是地球还是太阳，它们都在不停地运动，并且行星的轨道是椭圆，其运动也不是匀速率的。鉴于当时人们对自然科学的认识能力，日心学比地心说更进一步。
3．开普勒定律
定律
内容
公式或图示
开普勒第一定律
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
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的面积相等
开普勒第三定律
所有行星轨道的半长轴的三次方跟它的公转周期的二次方的比都相等
公式：＝k，k是一个与行星无关的常量
[注意]　不同行星绕太阳运动时的椭圆轨道是不同的。
二、行星运动的近似处理
1．行星绕太阳运动的轨道十分接近圆，太阳处在圆心。
2．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。
3．所有行星轨道半径r的三次方跟它的公转周期T的二次方的比值都相等，即＝k。
对开普勒行星运动定律的理解
教材第45页“做一做”提示：保持绳长不变，当两焦点不断靠近时，椭圆形状逐渐接近圆的形状；焦点重合时，半长轴转变为圆的半径。
如图所示是地球绕太阳公转及四季的示意图，由图可知地球在春分日、夏至日、秋分日和
冬至日四天中哪一天绕太阳运动的速度最大？哪一天绕太阳运动的速度最小？
提示：冬至日，夏至日。由图可知，冬至日地球在近日点附近，夏至日在远日点附近，由开普勒第二定律可知，冬至日地球绕太阳运动的速度最大，夏至日地球绕太阳运动的速度最小。
对开普勒行星运动定律的理解
定律
认识角度
理解
开普勒第一定律
对空间分布的认识
各行星的椭圆轨道尽管大小不同，但太阳是所有轨道的一个共同焦点
不同行星的轨道是不同的，可能相差很大
开普勒第二定律
对速度大小的认识
行星沿椭圆轨道运动靠近太阳时速度增大，远离太阳时速度减小
近日点速度最大，远日点速度最小
开普勒第三定律
对周期长短的认识
椭圆轨道半长轴越长的行星，其公转周期越长
该定律不仅适用于行星，也适用于其他天体
常数k只与其中心天体有关
[特别提醒]　开普勒行星运动定律不仅适用于行星，也适用于其他天体，如绕某一行星运动的卫星。
【例1】　关于行星绕太阳运动的下列说法中正确的是(  )
A．所有行星都在同一椭圆轨道上绕太阳运动
B．行星绕太阳运动时，太阳位于行星轨道的中心处
C．行星在椭圆轨道上绕太阳运动的过程中，其速度与行星和太阳之间的距离有关，距离小时速度小，距离大时速度大
万有引力常量
D．离太阳越近的行星运动周期越短
D　[不同行星绕太阳运动时的椭圆轨道不同，但有一个共同的焦点，即太阳位置，A、B错误；由开普勒第二定律知，行星离太阳距离小时速度大，距离大时速度小，C错误；运动的周期T与半长轴a满足＝k，D正确。]
开普勒行星运动定律的三点注意
(1)开普勒三定律是通过对行星运动的观察结果总结而得出的规律，它们都是经验定律。
(2)开普勒第二定律与第三定律的区别：前者揭示的是同一行星在距太阳不同距离时的运动快慢的规律，后者揭示的是不同行星运动快慢的规律。
(3)绕同一中心天体运动的轨道分别为椭圆、圆的天体，k值相等，即＝＝k。
开普勒行星运动定律的应用
如图所示是火星冲日的年份示意图，请思考：
(1)观察图中地球、火星的位置，地球和火星谁的公转周期更长？
(2)已知地球的公转周期是一年，由此计算火星的公转周期还需要知道哪些数据？
(3)地球、火星的轨道可近似看成圆轨道，开普勒第三定律还适用吗？
提示：(1)由题图可知，地球到太阳的距离小于火星到太阳的距离，根据开普勒第三定律可得：火星的公转周期更长一些。
(2)还需要知道地球、火星各自轨道的半长轴。
(3)对于圆轨道，开普勒第三定律仍然适用，只是＝k中的半长轴a换成圆的轨道半径r。
1．适用范围：既适用于做椭圆运动的天体，也适用于做圆周运动的天体；既适用于绕太阳运动的天体，也适用于绕其他中心天体运动的天体。
2．意义：开普勒关于行星运动的确切描述，不仅使人们在解决行星的运动学问题上有了依据，更澄清了人们对天体运动神秘、模糊的认识，同时也推动了对天体动力学问题的研究。
3．近似处理：由于行星的椭圆轨道都跟圆近似，在近似计算中，可以认为，行星都以太阳为圆心做匀速圆周运动。
【例2】　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，如图所示。如果地球半径为R0，求飞船由A点运动到B点所需要的时间。
思路点拨：分析该题的关键是：
①开普勒第三定律对圆轨道和椭圆轨道都适用。
②椭圆轨道的半长轴大小为。
③飞船由A点运动到B点的时间为其椭圆轨道周期的一半。
[解析]　飞船沿椭圆轨道返回地面，由题图可知，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，椭圆轨道的半长轴为，设飞船沿椭圆轨道运动的周期为T′
根据开普勒第三定律有＝