
1.知道太陽與行星間的引力公式推導(dǎo)方法. 2.理解萬有引力定律的含義. 3.掌握萬有引力表達(dá)式的適用條件及應(yīng)用.4.知道萬有引力常量是重要的物理常量之一.
各行星都圍繞著太陽運(yùn)行,說明太陽與行星之間的引力是使行星如此運(yùn)動的主要原因。引力的大小和方向能確定嗎?
開普勒定律發(fā)現(xiàn)之后,人們開始更深入地思考:是什么原因使行星繞太陽運(yùn)動?歷史上科學(xué)家們的探索之路充滿艱辛。 但是由于關(guān)于運(yùn)動和力的清晰概念是由牛頓建立的,當(dāng)時沒有這些概念,因此他們無法深入研究。
牛頓 (1643—1727)英國著名的物理學(xué)家
當(dāng)年牛頓在前人研究的基礎(chǔ)上,憑借其超凡的數(shù)學(xué)能力和堅定的信念,深入研究,最終發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律。
牛頓在1676年給友人的信中寫道: 如果說我看的比別人更遠(yuǎn),那是因?yàn)槲艺驹诰奕说募绨蛏稀?
行星繞太陽的運(yùn)動可以看作勻速圓周運(yùn)動。行星做勻速圓周運(yùn)動時,受到一個指向圓心(太陽)的引力,正是這個引力提供了向心力,由此可推知太陽與行星間引力的方向沿著二者的連線。
設(shè)行星的質(zhì)量為 m,速度為 v,行星到太陽的距離為 r,則行星繞太陽做勻速圓周運(yùn)動的向心力由太陽對行星的引力來提供
天文觀測難以直接得到行星的速度 v,但可以得到行星的公轉(zhuǎn)周期 T
太陽對不同行星的引力,與行星的質(zhì)量成正比,與行星和太陽間的距離的二次方成反比。
其中除m、r外,其余都是常數(shù),對任何行星來說都是相同的,因此可以說太陽對行星的引力F與行星的質(zhì)量成正比,與r2成反比,即
由牛頓第三定律相互作用力可得行星對太陽的引力也與太陽的質(zhì)量M 成正比,由此可得
G 比例系數(shù),與太陽、行星的質(zhì)量無關(guān)
地球?qū)υ虑虻牧?,地球?qū)Φ孛嫔衔矬w的力,太陽對行星的力,是不是同一種力呢?
這些力是同一種性質(zhì)的力,并且都遵從與距離的平方成反比的規(guī)律。
當(dāng)然這僅僅是猜想,還需要事實(shí)來檢驗(yàn)!
檢驗(yàn)?zāi)康模旱厍蚝驮虑蛑g的吸引力是否與地球吸引蘋果的力為同一種力.
根據(jù)牛頓第二定律,知:
地表重力加速度:g = 9.8 m/s2地球半徑:R = 6400×103m月亮周期:T = 27.3天≈2.36×106 s月亮軌道半徑:r ≈ 60R=3 .84×108m
根據(jù)向心加速度公式,有:
=2.72×10-3m/s2
結(jié)論:地面物體所受地球的引力,月球所受地球的引力,與太陽與行星間的引力,真的遵從相同的規(guī)律!說明是同一種性質(zhì)的力。
1、內(nèi)容: 自然界中任何兩個物體都相互吸引,引力的方向在它們的連線上,引力的大小與物體的質(zhì)量m1和m2的乘積成正比,與他們之間距離r的二次方成反比。
注:G是比例系數(shù),叫做引力常量,適用于任何兩個物體;G在數(shù)值上等于兩個質(zhì)量都是1kg的物體相距1m時的相互作用力.
3.適用條件(1)萬有引力定律的公式適用于計算質(zhì)點(diǎn)間的相互作用,當(dāng)兩個物體間的距離比物體本身大得多時,可用此公式近似計算兩物體間的萬有引力。(2)質(zhì)量分布均勻的球體間的相互作用,可用此公式計算,式中r是兩個球體球心間的距離。(3)一個均勻球體與球外一個質(zhì)點(diǎn)的萬有引力也可用此公式計算,式中的r是球體球心到質(zhì)點(diǎn)的距離。
4、發(fā)現(xiàn)萬有引力定律的重大意義:揭示了地面上物體運(yùn)動的規(guī)律和天體上物體的運(yùn)動 遵從同一規(guī)律,讓人們認(rèn)識到天體上物體的運(yùn)動規(guī)律也是可以認(rèn)識的,解放了人們的思想,給人們探索自然的奧秘建立了極大信心, 對后來的物理學(xué)、天文學(xué)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)的影響。 特別提醒:(1)求地球?qū)ζ渲車矬w萬有引力的大小,r是物體到地心的距離,而不是到地面的高度(2)對于兩個不能看成質(zhì)點(diǎn)的物體間的萬有引力,不能直接用萬有引力公式求解,但萬有引力定律仍然適用.(3)任何有質(zhì)量的物體間都存在萬有引力,一般情況下,分析問題時,只考慮天體間或天體對放入其上的物體的萬有引力,質(zhì)量較小的物體間引力忽略不計.
牛頓得出了萬有引力與物體質(zhì)量及它們之間距離的關(guān)系,但無法算出兩個物體之間萬有引力的大小,因?yàn)樗恢酪ΤA縂的值。
一百多年以后,英國物理學(xué)家卡文迪什在實(shí)驗(yàn)室里通過 測量幾個鉛球之間的萬有引力,比較準(zhǔn)確地得出了 G 的數(shù)值。目前推薦的標(biāo)準(zhǔn)值 G = 6.672 59×10-11 N·m2 /kg2 ,通常取G=6.67× 10-11N·m2 /kg2。
實(shí)驗(yàn)意義: ①證明了萬有引力的存在,使萬有引力定律進(jìn)入了真正實(shí)用的時代; ②開創(chuàng)了微小量測量的先河,使科學(xué)放大思想得到推廣。
巧妙之處:兩次放大及等效的思想 1.扭秤裝置把微小力通過杠桿旋轉(zhuǎn)明顯反映出來(一次放大);2.扭轉(zhuǎn)角度(微小形變)通過光標(biāo)的移動來反映(二次放大),從而確定物體間的萬有引力。
1. 要使兩物體間的萬有引力減小到原來的1/4,下列辦法可采用的是( )A. 使兩個物體質(zhì)量各減小一半,距離不變B. 使其中一個物體的質(zhì)量減小到原來的1/4,距離不變C. 使兩物體的距離增為原來的2倍,質(zhì)量不變D. 兩物體的距離和兩物體質(zhì)量都減小為原來的1/4
2.對于萬有引力定律的表達(dá)式,下面說法中正確的是( )A. 公式中G為引力常量,它不是由實(shí)驗(yàn)測得的,而是人為規(guī)定的B. 當(dāng)兩物體表面距離r趨于零時,萬有引力趨于無窮大C. m1、m2受到彼此的引力總是大小相等的,而與m1、m2是否相等無關(guān)D. m1、m2受到彼此的引力總是大小相等、方向相反的,是一對平衡力
3.某星球“一天”的時間T=6 h,用彈簧測力計在星球的“赤道”上比在“兩極”處測同一物體的重力時讀數(shù)小10%,設(shè)想該星球自轉(zhuǎn)的角速度加快,使赤道上的物體會自動飄起來,這時星球的“一天”是多少小時?
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