高中物理人教版 (新课标)必修22.太阳与行星间的引力教学设计

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第二节 太阳与行星间的引力文本素材
认识一下水星
英文名：Mercury
水星最接近太阳，是太阳系中第二小行星。水星在直径上小于木卫三和土卫六，但它更重。
水星基本参数：
轨道半长径： 5791万 千米 (0.38 天文单位)
公转周期： 87.70 天
平均轨道速度： 47.89 千米/每秒
轨道偏心率： 0.206
轨道倾角： 7.0 度
行星赤道半径： 2440 千米
质量(地球质量＝1)： 0.0553
密度： 5.43 克/立方厘米
自转周期： 58.65 日
卫星数： 无
公转轨道: 距太阳 57,910,000 千米 (0.38 天文单位)
在古罗马神话中水星是商业、旅行和偷窃之神，即古希腊神话中的赫耳墨斯，为众神传信的神，或许由于水星在空中移动得快，才使它得到这个名字。
早在公元前3000年的苏美尔时代，人们便发现了水星，古希腊人赋于它两个名字：当它初现于清晨时称为阿波罗，当它闪烁于夜空时称为赫耳墨斯。不过，古希腊天文学家们知道这两个名字实际上指的是同一颗星星，赫拉克赖脱（公元前5世纪之希腊哲学家）甚至认为水星与金星并非环绕地球，而是环绕着太阳在运行。
仅有水手10号探测器于1973年和1974年三次造访水星。它仅仅勘测了水星表面的45％（并且很不幸运，由于水星太靠近太阳，以致于哈博望远镜无法对它进行安全的摄像）。
水星的轨道偏离正圆程度很大，近日点距太阳仅四千六百万千米，远日点却有7千万千米，在轨道的近日点它以十分缓慢的速度按岁差围绕太阳向前运行（岁差：地轴进动引起春分点向西缓慢运行，速度每年0.2"，约25800年运行一周，使回归年比恒星年短的现象。分日岁差和行星岁差两种，后者是由行星引力产生的黄道面变动引起的。）在十九世纪，天文学家们对水星的轨道半径进行了非常仔细的观察，但无法运用牛顿力学对此作出适当的解释。存在于实际观察到的值与预告值之间的细微差异是一个次要（每千年相差七分之一度）但困扰了天文学家们数十年的问题。有人认为在靠近水星的轨道上存在着另一颗行星（有时被称作Vulcan，“祝融星”），由此来解释这种差异，结果最终的答案颇有戏剧性：爱因斯坦的广义相对论。在人们接受认可此理论的早期，水星运行的正确预告是一个十分重要的因素。（水星因太阳的引力场而绕其公转，而太阳引力场极其巨大，据广义相对论观点，质量产生引力场，引力场又可看成质量，所以巨引力场可看作质量，产生小引力场，使其公转轨道偏离。类似于电磁波的发散，变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场，传向远方。－－译注）
在1962年前，人们一直认为水星自转一周与公转一周的时间是相同的，从而使面对太阳的那一面恒定不变。这与月球总是以相同的半面朝向地球很相似。但在1965年，通过多普勒雷达的观察发现这种理论是错误的。现在我们已得知水星在公转二周的同时自转三周，水星是太阳系中目前唯一已知的公转周期与自转周期共动比率不是1:1的天体。
由于上述情况及水星轨道极度偏离正圆，将使得水星上的观察者看到非常奇特的景像，处于某些经度的观察者会看到当太阳升起后，随着它朝向天顶缓慢移动，将逐渐明显地增大尺寸。太阳将在天顶停顿下来，经过短暂的倒退过程，再次停顿，然后继续它通往地平线的旅程，同时明显地缩小。在此期间，星星们将以三倍快的速度划过苍空。在水星表面另一些地点的观察者将看到不同的但一样是异乎寻常的天体运动。
水星上的温差是整个太阳系中最大的，温度变化的范围为90开到700开。相比之下，金星的温度略高些，但更为稳定。
水星在许多方面与月球相似，它的表面有许多陨石坑而且十分古老；它也没有板块运动。另一方面，水星的密度比月球大得多，(水星 5.43 克/立方厘米 月球 3.34克/立方厘米)。水星是太阳系中仅次于地球，密度第二大的天体。事实上地球的密度高部分源于万有引力的压缩；或非如此，水星的密度将大于地球，这表明水星的铁质核心比地球的相对要大些，很有可能构成了行星的大部分。因此，相对而言，水星仅有一圈薄薄的硅酸盐地幔和地壳。
巨大的铁质核心半径为1800到1900千米，是水星内部的支配者。而硅酸盐外壳仅有500到600千米厚，至少有一部分核心大概成熔融状。
事实上水星的大气很稀薄，由太阳风带来的被破坏的原子构成。水星温度如此之高，使得这些原子迅速地散逸至太空中，这样与地球和金星稳定的大气相比，水星的大气频繁地被补充更换。
水星的表面表现出巨大的急斜面，有些达到几百千米长，三千米高。有些横处于环形山的外环处，而另一些急斜面的面貌表明他们是受压缩而形成的。据估计，水星表面收缩了大约0.1％（或在星球半径上递减了大约1千米）。
水星上最大的地貌特征之一是Calris 盆地（右图），直径约为1300千米，人们认为它与月球上最大的盆地Maria相似。如同月球的盆地，Calris盆地很有可能形成于太阳系早期的大碰撞中，那次碰撞大概同时造成了星球另一面正对盆地处奇特的地形（左图）。
除了布满陨石坑的地形，水星也有相对平坦的平原，有些也许是古代火山运动的结果，但另一些大概是陨石所形成的喷出物沉积的结果。
水手号探测器的数据提供了一些近期水星上火山活动的初步迹象，但我们需要更多的资料来确认。
令人惊讶的是，水星北极点的雷达扫描（一处未被水手10号勘测的区域）显示出在一些陨石坑的被完好保护的隐蔽处存在冰的迹象。
水星有一个小型磁场，磁场强度约为地球的1％。
至今未发现水星有卫星。
通常通过双筒望远镜甚至直接用肉眼便可观察到水星，但它总是十分靠近太阳，在曙暮光中难以看到。Mike Harvey的行星寻找图表指出此时水星在天空中的位置（及其他行星的位置），再由“星光灿烂”这个天象程序作更多更细致的定制。
行星定义委员会最初提出的方案，在确定金星、土星、木星、水星、地球、火星、天王星、海王星为经典行星之外，将冥王星降格为二级行星，同时增加谷神星、卡戎星和编号为2003UB313的齐娜星为二级行星。