【课件】万有引力定律+课件高一下学期物理人教版（2019）必修第二册.ppt

7.2万有引力定律行星为何围绕太阳运动？是什么力使行星围绕太阳运动？17世纪的物理学家是怎么解释的？通过上一节课的学习，我们知道天体做沿椭圆轨道进行运动，做的是曲线运动。根据牛顿运动定律可知，力是改变物体运动的原因，因此运动的天体肯定受到了力的作用，那么这是什么力，又如何去进行描述呢？匀速匀速圆圆周运周运动动模型：模型：行星行星绕绕太阳做太阳做椭圆椭圆运运动动的的轨轨迹的两个焦点靠得很近，行星的运迹的两个焦点靠得很近，行星的运动轨动轨迹非常接近迹非常接近圆圆，所以将行星的运所以将行星的运动动看成以太阳看成以太阳为圆为圆心的心的匀速匀速圆圆周周运运动动。太阳太阳对对行星的行星的引力引力提供行星做提供行星做圆圆周运周运动动的的向心力向心力。太阳太阳行星行星a a太阳太阳行星行星r r简化简化理想化模型理想化模型质点模型：由于天体间的距离很远，研究天体间的引力时将天体看成质点，即天质点模型：由于天体间的距离很远，研究天体间的引力时将天体看成质点，即天体的质量集中在球心上。（距离为球心距）体的质量集中在球心上。（距离为球心距）思考以下思考以下问题问题：（1）卡文迪）卡文迪许实验许实验装置是如何解决装置是如何解决“通常物体通常物体间间万有引力因万有引力因为为很小而很小而难难于于测测量量”的的问题问题？（2）这这个个实验设计实验设计所包含怎所包含怎样样的物理思想方法？的物理思想方法？自主学自主学习习教材第教材第48页发页发展空展空间间卡文迪卡文迪许测许测定引力常量的定引力常量的实验实验扭秤实验测定引力常量扭秤实验测定引力常量扭秤实验测定引力常量扭秤实验测定引力常量卡文笛卡文笛许许扭称扭称实验实验巧妙之巧妙之处处巧妙的利用引力力矩与巧妙的利用引力力矩与悬丝悬丝的的弹弹性恢复力矩平衡性恢复力矩平衡.充分利用充分利用T型型轴将小球受到的万有引力作用效果将小球受到的万有引力作用效果进行一次放大行一次放大.充分利用光学反射原理，充分利用光学反射原理，对微小形微小形变进行再一次的放大行再一次的放大.证证明了万有引力的存在，明了万有引力的存在，测测出了引力常量使万有引力定律出了引力常量使万有引力定律进进入了真正入了真正实实用的用的时时代；代；开开创创了微小量了微小量测测量的先河，使科学放大思想得到推广。量的先河，使科学放大思想得到推广。卡文迪卡文迪许许扭称扭称实验实验的意的意义义(引力常量引力常量G=6.6710-11英国物理学家英国物理学家卡文迪卡文迪许卡文迪卡文迪许实验室室称称量量地地球球质质量量的的实实验验室室Nm2/kg2)扭秤实验测定引力常量扭秤实验测定引力常量行星行星绕绕太阳的运太阳的运动动可以看做可以看做匀速匀速圆圆周周运运动动，行星做匀速，行星做匀速圆圆周运周运动时动时，受到一个，受到一个指向指向圆圆心（太阳）心（太阳）的引力，正是的引力，正是这这个力提个力提供了匀速供了匀速圆圆周运周运动动所需的所需的向心力向心力，由此可，由此可推知太阳与行星推知太阳与行星间间引力的方向沿着引力的方向沿着二者的二者的连线连线。太阳与行星间的引力太阳与行星间的引力太阳太阳对对行星的引力（行星所受向心力的方向）行星的引力（行星所受向心力的方向）设设行行星星的的质质量量为为m，速速度度为为v，行行星星与与太太阳阳间间的的距距离离为为r，则则行行星星绕绕太太阳阳做做匀匀速速圆圆周运周运动动的向心力的向心力为为天文天文观测难观测难以以直接得到行星直接得到行星的速度的速度v，但，但可以得到行星可以得到行星的公的公转转周期周期TFMmr消去消去v消去消去T讨论讨论即太阳即太阳对对不同行星的引力，与行不同行星的引力，与行星的星的质质量量m成正比，与成正比，与r2成反比。成反比。F行行星星太太阳阳F类类比比法法行星行星对对太阳的引力跟太阳的太阳的引力跟太阳的质质量成正比，与行星到太阳的距量成正比，与行星到太阳的距离的二次方成反比。离的二次方成反比。太阳太阳对对行星行星的引力跟受力星体的的引力跟受力星体的质质量量成正比，与行星到太阳的距离的二次成正比，与行星到太阳的距离的二次方成反比。方成反比。行星行星对对太阳的引力太阳的引力太阳与行星太阳与行星间的引力的引力F F类类比比法法牛牛三三F F 和和F F 是一是一对作用力和反作用力和反作用力，那么可以得出作用力，那么可以得出F F大小大小跟太阳跟太阳质量量M M、行星、行星质量量m m的的关系式有什么关系？关系式有什么关系？牛三G G为比例系数，与比例系数，与太阳、行星无关。太阳、行星无关。方向：沿着太阳与行方向：沿着太阳与行星星间的的连线。说说明明公式表明，太阳与行星间的引力大小，与太阳的质量、行星的质量乘积公式表明，太阳与行星间的引力大小，与太阳的质量、行星的质量乘积成正比，与两者距离的二次方成反比。成正比，与两者距离的二次方成反比。式中式中G是比例系数，与太阳、行星都没有关系。是比例系数，与太阳、行星都没有关系。太阳与行星间引力的方向沿着两者的连线方向。太阳与行星间引力的方向沿着两者的连线方向。我我们们沿着牛沿着牛顿顿的足迹，一直是在已有的的足迹，一直是在已有的观测结观测结果（开普勒行星运果（开普勒行星运动动定律）和定律）和理理论论引引导导（牛（牛顿顿运运动动定律）下定律）下进进行推行推测测和分析，和分析，观测结观测结果果仅对仅对“行星行星绕绕太阳运太阳运动动”成立，成立，这还这还不是万有引力定律。不是万有引力定律。想一想：想一想：怎怎样证样证明明结论结论不但不但适用于行星与太阳之适用于行星与太阳之间间的作用力，而且的作用力，而且对对其他其他天体之天体之间间的作用力也适用？的作用力也适用？验证地球对地面上苹果的引力验证地球对地面上苹果的引力 地球对月球的引力地球对月球的引力遵循遵循假定猜想成立，理论推导假定猜想成立，理论推导实际测量、计算。实际测量、计算。理理论分析与分析与测算算结果一致果一致则假假设成立；不一致成立；不一致则假假设就不成立就不成立Rr地球地球对苹果的引力苹果的引力:猜想成立猜想成立 月月 地检验地检验F Fr rOF Fr rO地球地球对对月球的引力月球的引力:月球月球绕地球公地球公转的加速度：的加速度：苹果下落的加速度苹果下落的加速度:（r r地地=6.4=6.410106 6m m）在牛在牛顿顿的的时时代，已能比代，已能比较较精确精确测测定：定：月球与地球的距离月球与地球的距离 3.83.810108 8 m m月球公月球公转转周期周期 T T=27.3=27.3天天地球的自由落体加速度地球的自由落体加速度 g g=9.8 m/s=9.8 m/s2 2求求月球公月球公转转的向心加速度的向心加速度即月球公即月球公转轨转轨道半径道半径 r=3.8108mF Fr rO即即结果一致！结果一致！解：解：解：解：太阳太阳对行星的引力行星的引力 地球地球对月球的引力月球的引力 地球地球对地面上苹果的引力地面上苹果的引力是同一种性是同一种性质的力，的力，遵从相同遵从相同规律律“天上”的力“人间”的力是同种性是同种性质设地球自地球自转周期周期为T，质量量为M，引力常量，引力常量为G，假，假设地球可地球可视为质量均匀分布的球体，半径量均匀分布的球体，半径为R。同一物体在南极和赤道水平面上。同一物体在南极和赤道水平面上静止静止时所受到的支持力之比所受到的支持力之比为。组组成星球的物成星球的物质质是靠引力吸引在一起的，是靠引力吸引在一起的，这样这样的星球有一个最大的自的星球有一个最大的自转转速率。如果超速率。如果超过过了了该该速率，星球的万有引力将不足以速率，星球的万有引力将不足以维维持其赤道附近的持其赤道附近的物体做物体做圆圆周运周运动动。由此能得到半径。由此能得到半径为为R、密度、密度为为、质质量量为为M且均匀分且均匀分布的星球的最小自布的星球的最小自转转周期周期T。下列表达式中正确的是（。下列表达式中正确的是（）。）。星体自转不瓦解的条件是：理理论论上已上已经证经证明：明：质质量分布均匀的球壳量分布均匀的球壳对对壳内物体的万有引力壳内物体的万有引力为为零。零。现现假假设设地球地球是一半径是一半径为为R、质质量分布均匀的量分布均匀的实实心球体，心球体，O为为球心，以球心，以O为为原点建立坐原点建立坐标轴标轴Ox，如如图图甲所示。一个甲所示。一个质质量一定的小物体（假量一定的小物体（假设设它能它能够够在地球内部移在地球内部移动动）在）在x轴轴上各位上各位置受到的引力大小用置受到的引力大小用F表示，表示，则图则图乙所示的四个乙所示的四个F随随x的的变变化关系化关系图图正确的是（正确的是（）Ox甲甲R在科学的发展历程中，许多科学家做出了杰出的贡献。下列符合物理学史实的是（）A开普勒以行星运动定律为基础总结出万有引力定律B伽利略在前人的基础上通过观察总结得到行星运动三定律C牛顿提出了万有引力定律，并通过实验测出了万有引力常量D哥白尼提出了“日心说”D万有引力定律万有引力定律太阳太阳对行星的行星的引力提供向心引力提供向心力力F=F牛牛顿第二定律第二定律开普勒第三定律开普勒第三定律牛牛顿第三定律第三定律“月地月地检验”推推广到一切物体广到一切物体卡文迪卡文迪许扭秤扭秤实验测定定引力常量引力常量引力常量引力常量G=6.6710-11Nm2/kg2