万有引力定律课件--高一下学期物理人教版必修2.pptx

制作者：河南驻马店高级中学制作者：河南驻马店高级中学 李阳李阳学习目标：学习目标：1 1、了解万有引力定律的发现过程了解万有引力定律的发现过程；2 2、理解万有引力定律的内容，会用万有引力定律公式解决有理解万有引力定律的内容，会用万有引力定律公式解决有关问题关问题；3 3、知道引力常量的测定方法及其在物理学上的重要意义知道引力常量的测定方法及其在物理学上的重要意义。重、难点：重、难点：1 1、万有引力定律及其应用万有引力定律及其应用；2 2、月、月地检验。地检验。第六章第六章万有引力与航天万有引力与航天6.3 6.3 万有引力定律万有引力定律 为什么行星不能飞离太阳，为什么行星不能飞离太阳，要围绕着太阳运动呢？要围绕着太阳运动呢？在自然界中，当以一定在自然界中，当以一定的初速度将物体抛出后，物的初速度将物体抛出后，物体总会落到地面上。是什么体总会落到地面上。是什么原因使得地面的物体不能离原因使得地面的物体不能离开地球，总要落回地面呢？开地球，总要落回地面呢？太阳与地球太阳与地球之间的之间的吸引力与吸引力与地球吸引物体地球吸引物体（苹果）的力是否是同（苹果）的力是否是同一种力呢一种力呢?设 想 即即使使在在最最高高的的建建筑筑物物上上和和最最高高的的山山顶顶上上，都都不不会会发发现现重重力力有有明明显显的的减减弱弱，那那么么，这这个个力力会会不不会会延延伸伸作作用到月球上用到月球上?拉住月球围绕地球运动？拉住月球围绕地球运动？也也就就是是说说，拉拉住住月月球球使使它它围围绕绕地地球球运运动动的的力力（行行星星与与卫卫星星之之间间作作用用力力，），与与地地球球拉拉着着苹苹果果下下落落的的力力，以以及及太太阳阳与与地地球球、众众行行星星之之间间的的作作用用力力是是否否是是同同一一种种力呢？他们遵循的规律力呢？他们遵循的规律是否相同的是否相同的呢呢?再设 想 牛牛顿顿(16431727)(16431727)是是英英国国著著名名的的物物理理学学家家、数数学学家家和和天天文文学学家家，是是十十七七世世纪纪最最伟伟大大的的科科学学巨巨匠匠。牛牛顿顿一一生生对对科科学学事事业业所所做做的的贡贡献献，遍遍及及物物理理学学、数数学学和和天天文文学学等等领领域域。牛牛顿顿在在物物理理学学上上最最主主要要的的成成就就，是是创创立立了了经经典典力力学学的的基基本本体体系系，对对于于光光学学，牛牛顿顿致致力力于于光光的的颜颜色色和和光光的的本本性性的的研研究究，也也作作出出了了重重大大贡贡献献。牛牛顿顿在在数数学学方方面面，总总结结和和发发展展了了前前人人的的工工作作，提提出出了了“流流数数法法”，建建立立了了二二项项式式定定理理，创创立立了了微微积积分分。在在天天文文学学方方面面，牛牛顿顿发发现现了了万万有有引引力力定定律律，创创制制了了反反射射望望远远镜镜，并且用它初步观察到了行星运动的规律。并且用它初步观察到了行星运动的规律。牛 顿猜想：猜想：假设假设地球对月亮地球对月亮、地球对苹果地球对苹果的力的力是同是同一种性质的力，这可能是地球对其表面上一种性质的力，这可能是地球对其表面上的物体的的物体的重力延伸到月亮重力延伸到月亮，且它们都是类，且它们都是类似太阳与行星间的引力，都应遵从似太阳与行星间的引力，都应遵从“与距与距离平方成反比离平方成反比”的规律。的规律。一、牛顿的猜想一、牛顿的猜想怎样根据事实来验证这一猜想呢？怎样根据事实来验证这一猜想呢？理论分析理论分析：假设假设它们是同一种性质的力，且遵从它们是同一种性质的力，且遵从“平方反比平方反比”规律。规律。月球围绕地球做匀速圆周运动，所需要的向心力由地球对月球的月球围绕地球做匀速圆周运动，所需要的向心力由地球对月球的引力提供。引力提供。思考思考1：月球围绕地球做什么运动？谁提供向心力？：月球围绕地球做什么运动？谁提供向心力？思考思考2：苹果下落，做什么运动？谁来提供加速度？：苹果下落，做什么运动？谁来提供加速度？苹果下落，做自由落体运动，加速度由地球对苹果的引力来提供。苹果下落，做自由落体运动，加速度由地球对苹果的引力来提供。地球半径：地球半径：R R=6.410=6.4106 6m m月亮轨道半径：月亮轨道半径：r=r=3.8103.8108 8m 60Rm 60R已知已知 月球轨道处月球轨道处的向心加速度就的向心加速度就应该是地面附近应该是地面附近苹果下落加速度苹果下落加速度的的1/36001/3600.事实检验事实检验：请根据天文观测数据（事实）计算月球所在请根据天文观测数据（事实）计算月球所在处的向心加速度：处的向心加速度：地球表面附近的重力加速度：地球表面附近的重力加速度：g=9.8m/sg=9.8m/s2 2 地球半径：地球半径：R R=6.410=6.4106 6m m 月球围绕地球公转的周期：月球围绕地球公转的周期：T T=27.3=27.3天天2.36102.36106 6s s 月球轨道半径：月球轨道半径：r=r=3.8103.8108 8m 60Rm 60R？两者十分接近，为牛顿的假想提供了有力的事实根据。两者十分接近，为牛顿的假想提供了有力的事实根据。月月地检验表明：地检验表明：地面物体所受地球的引力，与月球地面物体所受地球的引力，与月球所受地球的引力，是同一种性质的力。所受地球的引力，是同一种性质的力。牛顿再度思考牛顿再度思考：既然太阳与行星之间、地球与月球之既然太阳与行星之间、地球与月球之间、地球与物体之间都有引力，那么间、地球与物体之间都有引力，那么任何任何两个有质量的物体之间是否也都有这样的两个有质量的物体之间是否也都有这样的引力呢？引力呢？牛顿又大胆猜想，牛顿又大胆猜想，任何两个物任何两个物体之间的都存在这样的引力体之间的都存在这样的引力 三、万有引力定律三、万有引力定律1.内容内容：自然界中任何两个物体都自然界中任何两个物体都相互吸引相互吸引，引力，引力的方向在它们的的方向在它们的连线连线上，引力的大小与物体的上，引力的大小与物体的质量质量m1和和m2的的乘积乘积成成正比正比，与它们之间距离，与它们之间距离r的的二次方二次方成成反比反比。其中其中G为引力常量，为引力常量，r为两物体的中心距离。为两物体的中心距离。2.表达式：表达式：3.方向：方向：在两个物体的连线上。在两个物体的连线上。严格地说，万有引力定律严格地说，万有引力定律公式公式只适用于质点只适用于质点间的相互作用。间的相互作用。对两个对两个质量分布均匀质量分布均匀的球体间相互作用，也的球体间相互作用，也可用此定律来计算。此时，可用此定律来计算。此时，r是两个球体是两个球体球心间球心间的的距离。距离。对一个对一个均匀球体均匀球体与球外一个与球外一个质点质点的万有引力的万有引力也适用，其中也适用，其中r为为球心到质点间球心到质点间的距离。的距离。两个两个物体间距离远大于物体本身大小物体间距离远大于物体本身大小时，公时，公式也近似适用，其中式也近似适用，其中r为两物体为两物体质心间质心间的距离的距离4.4.万有引力定律适用的条件万有引力定律适用的条件5.引力常量的测量引力常量的测量卡文迪许卡文迪许卡文迪许扭秤实验卡文迪许扭秤实验 数值：数值：G=6.6710-11 Nm2/kg2 G值的物理含义：两个质量为值的物理含义：两个质量为1kg的物体相的物体相距距1m时，它们之间万有引力为时，它们之间万有引力为6.6710-11 N6.对万有引力定律的理解（找关键词）对万有引力定律的理解（找关键词）(1)普遍性普遍性：它存在于宇宙中它存在于宇宙中任何任何有质量的物有质量的物体之间，不管它们之间是否还有其他作用力。体之间，不管它们之间是否还有其他作用力。(2)普适性普适性：G是一个仅和是一个仅和m、r、F单位选择单位选择有关，而与物体性质无关的恒量。有关，而与物体性质无关的恒量。(3)相互性相互性：两物体间的相互引力，是一对作两物体间的相互引力，是一对作用力和反作用力，符合牛顿第三定律。用力和反作用力，符合牛顿第三定律。(4)宏观性宏观性：通常情况下，万有引力非常小，通常情况下，万有引力非常小，只有在质量巨大的天体间或天体与物体间，它的只有在质量巨大的天体间或天体与物体间，它的作用才有宏观的意义。作用才有宏观的意义。(5)特殊性特殊性：万有引力的大小只与它们的质量万有引力的大小只与它们的质量有关，与它们间的距离有关。与其他的因素均无有关，与它们间的距离有关。与其他的因素均无关。关。7 7、万有引力定律的意义、万有引力定律的意义万有引力定律的发现有着重要的物理意义万有引力定律的发现有着重要的物理意义:1717世纪自然科学最伟大的成果之一，第一次揭示了自世纪自然科学最伟大的成果之一，第一次揭示了自然界中的一种基本相互作用的规律，在人类认识自然的然界中的一种基本相互作用的规律，在人类认识自然的历史上树立了一座里程碑。历史上树立了一座里程碑。它对物理学它对物理学,天文学的发展具有深远的影响天文学的发展具有深远的影响;它把地面上物体运动的规律和天体运动的规律统一起它把地面上物体运动的规律和天体运动的规律统一起来来;对科学文化发展起了积极的推动作用对科学文化发展起了积极的推动作用,解放了人们的解放了人们的思想思想,给人们探索自然的奥秘建立了极大信心给人们探索自然的奥秘建立了极大信心,人们有能人们有能力理解天地间的各种事物力理解天地间的各种事物.地表物体所受的万有引力可以分解成物体所受地表物体所受的万有引力可以分解成物体所受到的重力和随地球自转而做圆周运动的向心力到的重力和随地球自转而做圆周运动的向心力四、万有引力和重力的关系四、万有引力和重力的关系1 1重力是万有引力的一个分力重力是万有引力的一个分力2 2物体在地球上不同位置处的重力物体在地球上不同位置处的重力a.a.赤道上：赤道上：c.c.两极处：两极处：b.b.纬度面上：纬度面上：d.d.（忽略自转时）高空处：（忽略自转时）高空处：方向指向地心方向指向地心方向并不指向地心方向并不指向地心方向指向地心方向指向地心例例1.1.以下对万有引力定律的公式理解正确的是（以下对万有引力定律的公式理解正确的是（）A A两物体间的吸引力是一对平衡力两物体间的吸引力是一对平衡力B B两物体间的吸引力是一对相互作用力两物体间的吸引力是一对相互作用力C C当物体间的距离趋近于零时，其吸引力趋近无穷大当物体间的距离趋近于零时，其吸引力趋近无穷大 D D当物体间的距离趋近于零时，公式不成立当物体间的距离趋近于零时，公式不成立解析：解析：m m1 1与与m m2 2之间的相互作用力是一对作用力与反作用力，之间的相互作用力是一对作用力与反作用力，它们分别作用在两个不同的物体上，不是平衡力它们分别作用在两个不同的物体上，不是平衡力当当r r趋近于零时，则两物体不能看成质点，公式不再适用趋近于零时，则两物体不能看成质点，公式不再适用例例 2.2.地地 球球 质质 量量 M=5.9810M=5.98102424kgkg，极极 半半 径径 R=6357km,R=6357km,赤赤 道道 半半 径径R R0 0=6378km,=6378km,求求：（1 1）质质量量为为m=1kgm=1kg的的物物体体在在两两极极和和赤赤道道上上随随地地球球自转时所需的向心力；（自转时所需的向心力；（2 2）两极和赤道上的重力加速度）两极和赤道上的重力加速度.解：（解：（1 1）地面上的物体在纬度不同处随地球自转的角速度相同）地面上的物体在纬度不同处随地球自转的角速度相同,两极上的物体不自转，其向心力为零，赤道上物体的向心力为两极上的物体不自转，其向心力为零，赤道上物体的向心力为（2 2）两极上的物体向心力为零，重力等于其受到的引力）两极上的物体向心力为零，重力等于其受到的引力赤道上的物体受到的引力提供重力和向心力赤道上的物体受到的引力提供重力和向心力例例3.3.地球与物体间的万有引力可以认为在数值上等于物体的地球与物体间的万有引力可以认为在数值上等于物体的重力，那么在重力，那么在6400km6400km的高空，物体的重力与它在地面上的重的高空，物体的重力与它在地面上的重力之比为力之比为(地球半径地球半径R R6400 km)(6400 km)()A A2 21 1B B1 12 2C C1 14 4 D D1 11 1例例4.4.如图一个质量均匀分布的球体，半径为如图一个质量均匀分布的球体，半径为2 2r r，在其内部挖去，在其内部挖去一个半径为一个半径为r r的球形空穴，其表面与球面相切已知挖去小球的球形空穴，其表面与球面相切已知挖去小球的质量为的质量为m m，在球心和空穴中心连线上，距球心，在球心和空穴中心连线上，距球心d d6 6r r处有一质处有一质量为量为m m2 2的质点，求剩余部分对的质点，求剩余部分对m m2 2的万有引力的万有引力将挖去的小球填入空穴中，由球体的体积公式将挖去的小球填入空穴中，由球体的体积公式知大球的质量为知大球的质量为8m8m，则剩余部分的质量为，则剩余部分的质量为7m.7m.大球对质点的引力大球对质点的引力小球对质点的引力小球对质点的引力剩余部分对质点的引力剩余部分对质点的引力点评：点评：万有引力表达式适用于质点间的相互作用，也适用于质量万有引力表达式适用于质点间的相互作用，也适用于质量分布均匀的球体，当球体挖去一个小球后，球体不再是质量分布分布均匀的球体，当球体挖去一个小球后，球体不再是质量分布均匀的球体，不能简单地套用万有引力公式计算采用填补法，均匀的球体，不能简单地套用万有引力公式计算采用填补法，把挖去的部分补上，然后把多计算的力从总的万有引力中减去把挖去的部分补上，然后把多计算的力从总的万有引力中减去例例5.5.宇航员在地球表面以一定初速度竖直上抛一物体，经过时宇航员在地球表面以一定初速度竖直上抛一物体，经过时间间t t物体落回原处，在某星球表面以相同的初速度竖直上抛另物体落回原处，在某星球表面以相同的初速度竖直上抛另一物体，经过时间一物体，经过时间5 5t t物体落回原处已知该星球的半径与地球物体落回原处已知该星球的半径与地球半径之比为半径之比为1 14 4，求该星球的质量与地球质量之比，求该星球的质量与地球质量之比解：地球上由竖直上抛规律知解：地球上由竖直上抛规律知同理在星球上有同理在星球上有不考虑自转的任何天体对其表面物体的引力就是物体的重力不考虑自转的任何天体对其表面物体的引力就是物体的重力点评：点评：处理此类综合题，关键是抓住两者之间的联系纽带处理此类综合题，关键是抓住两者之间的联系纽带重力加速度；另外将地球上已知的规律推广到在其他星球重力加速度；另外将地球上已知的规律推广到在其他星球