2020版高中物理（新教材）人教必修第2册：第7章 3 万有引力理论的成就

3．万有引力理论的成就【学习素养·明目标】物理观念：1.了解万有引力定律在天文学上的重要应用.2.了解“称量地球质量”“计算太阳质量”的基本思路，会用万有引力定律计算天体的质量.3.理解运用万有引力定律处理天体运动问题的思路和方法．科学态度与责任：1.体会万有引力定律对人类探索未知世界的作用.2.了解人造卫星的相关知识.3.知道科学的发展是人类认识世界和推动人类进步的强大动力．一、计算天体的质量1．地球质量的计算(1)依据：地球表面的物体，若不考虑地球自转，物体的重力等于地球对物体的万有引力，即mg＝Geq\f(Mm,R2).(2)结论：M＝eq\f(gR2,G)，只要知道g、R的值，就可计算出地球的质量．2．太阳质量的计算(1)依据：质量为m的行星绕太阳做匀速圆周运动时，行星与太阳间的万有引力充当向心力，即Geq\f(Mm,r2)＝eq\f(4π2mr,T2).(2)结论：M＝eq\f(4π2r3,GT2)，只要知道行星绕太阳运动的周期T和半径r，就可以计算出太阳的质量．3．其他行星质量的计算(1)依据：绕行星做匀速圆周运动的卫星，同样满足Geq\f(Mm,r2)＝eq\f(4π2mr,T2)(M为行星质量，m为卫星质量)．(2)结论：M＝eq\f(4π2r3,GT2)，只要知道卫星绕行星运动的周期T和半径r，就可以计算出行星的质量．二、发现未知天体及预言哈雷彗星回归1．海王星的发现英国剑桥大学的学生亚当斯和法国年轻的天文学家勒维耶根据天王星的观测资料，利用万有引力定律计算出天王星外“新”行星的轨道.1846年9月23日，德国的伽勒在勒维耶预言的位置附近发现了这颗行星——海王星．2．其他天体的发现近100年来，人们在海王星的轨道之外又发现了冥王星、阋神星等几个较大的天体．3．预言哈雷彗星回归英国天文学家哈雷依据万有引力定律，计算了三颗彗星的轨道，并大胆预言这三次出现的彗星是同一颗星，周期约为76年．1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)地球表面的物体，重力就是物体所受的万有引力． (×)(2)绕行星匀速转动的卫星，万有引力提供向心力． (√)(3)利用地球绕太阳转动，可求地球的质量． (×)(4)海王星、冥王星的发现表明了万有引力理论在太阳系内的正确性． (√)(5)科学家在观测双星系统时，同样可以用万有引力定律来分析． (√)(6)冥王星被称为“笔尖下发现的行星”． (×)2．下列说法正确的是()A．海王星是人们直接应用万有引力定律计算出轨道而发现的B．天王星是人们依据万有引力定律计算出轨道而发现的C．海王星是人们经过长期的太空观测而发现的D．天王星的运行轨道与由万有引力定律计算的轨道存在偏差，其原因是天王星受到轨道外的行星的引力作用，由此人们发现了海王星D[由行星的发现历史可知，天王星并不是根据万有引力定律计算出轨道而发现的；海王星不是通过观测发现，也不是直接由万有引力定律计算出轨道而发现的，而是人们发现天王星的实际轨道与理论轨道存在偏差，然后运用万有引力定律计算出“新”星的轨道，从而发现了海王星．由此可知，A、B、C错误，D正确．]3．已知引力常量G、月球中心到地球中心的距离R和月球绕地球运行的周期T，仅利用这三个数据，可以估算出的物理量有()A．月球的质量 B．地球的质量C．地球的半径 D．地球的密度B[由天体运动规律知Geq\f(Mm,R2)＝meq\f(4π2,T2)R可得地球质量M＝eq\f(4π2R2,GT2)，由于不知地球的半径，无法求地球的密度，故选项B正确．]计算天体的质量与密度[问题探究]1．(1)卡文迪什在实验室里通过实验测出了引力常量G的值，他是怎样“称量”地球的质量的呢？(2)已知地面附近的重力加速度g＝9.8m/s2，地球半径R＝6.4×106m，引力常量G＝6.67×10－11N·m2/kg2，试估算地球的质量．提示：(1)在地球表面，物体受到的重力近似等于地球对物体的万有引力，即mg＝Geq\f(mM,R2)，解得地球的质量M＝eq\f(gR2,G)，只要测出G、g、R来，便可“称量”地球的质量．(2)M＝eq\f(gR2,G)＝eq\f(9.8×6.4×1062,6.67×10－11)kg≈6.0×1024kg.2．如果知道地球绕太阳的公转周期T和它与太阳的距离r，能求出太阳的质量吗？若要求太阳的密度，还需要哪些量？提示：由eq\f(Gm地M太,r2)＝eq\f(4π2,T2)m地r知M太＝eq\f(4π2r3,GT2).由密度公式ρ＝eq\f(M太,\f(4,3)πR\o\al(3,太))可知，若要求太阳的密度还需要知道太阳的半径．[探究归纳]1．天体质量的计算(1)重力加速度法若已知天体(如地球)的半径R及其表面的重力加速度g，根据在天体表面上物体的重力近似等于天体对物体的引力，得mg＝Geq\f(Mm,R2)，解得天体的质量为M＝eq\f(gR2,G)，g、R是天体自身的参量，所以该方法俗称“自力更生法”．(2)环绕法借助环绕中心天体做圆周运动的行星(或卫星)计算中心天体的质量，俗称“借助外援法”．常见的情况如下：万有引力提供向心力中心天体的质量说明Geq\f(Mm,r2)＝meq\f(v2,r)M＝eq\f(rv2,G)r为行星(或卫星)的轨道半径，v、ω、T为行星(或卫星)的线速度、角速度和周期Geq\f(Mm,r2)＝mrω2M＝eq\f(r3ω2,G)Geq\f(Mm,r2)＝mreq\f(4π2,T2)M＝eq\f(4π2r3,GT2)2.天体密度的计算若天体的半径为R，则天体的密度ρ＝eq\f(M,\f(4,3)πR3)，将M＝eq\f(4π2r3,GT2)代入上式可得ρ＝eq\f(3πr3,GT2R3).特殊情况：当卫星环绕天体表面运动时，卫星的轨道半径r可认为等于天体半径R，则ρ＝eq\f(3π,GT2).【例1】(多选)若宇航员在月球表面附近自高h处以初速度v0水平抛出一个小球，测出小球的水平射程为L.已知月球半径为R，万有引力常量为G.则下列说法正确的是()A．月球表面的重力加速度g月＝eq\f(2hv\o\al(2,0),L2)B．月球的质量m月＝eq\f(2hR2v\o\al(2,0),GL2)C．月球的自转周期T＝eq\f(2πR,v0)D．月球的平均密度ρ＝eq\f(3hv\o\al(2,0),2πGL2)AB[根据平抛运动规律，L＝v0t，h＝eq\f(1,2)g月t2，联立解得g月＝eq\f(2hv\o\al(2,0),L2)，选项A正确；由mg月＝Geq\f(mm月,R2)解得m月＝eq\f(2hR2v\o\al(2,0),GL2)，选项B正确；根据题目条件无法求出月球的自转周期，选项C错误；月球的平均密度ρ＝eq\f(m月,\f(4,3)πR3)＝eq\f(3hv\o\al(2,0),2πGL2R)，选项D错误．]求解天体质量和密度时的两种常见误区(1)根据轨道半径r和运行周期T，求得M＝eq\f(4π2r3,GT2)是中心天体的质量，而不是行星(或卫星)的质量．(2)混淆或乱用天体半径与轨道半径，为了正确并清楚地运用，应一开始就养成良好的习惯，比如通常情况下天体半径用R表示，轨道半径用r表示，这样就可以避免如ρ＝eq\f(3πr3,GT2R3)误约分；只有卫星在天体表面做匀速圆周运动时，如近地卫星，轨道半径r才可以认为等于天体半径R.1．过去几千年来，人类对行星的认识与研究仅限于太阳系内，行星“51pegb”的发现拉开了研究太阳系外行星的序幕．“51pegb”绕其中心恒星做匀速圆周运动，周期约为4天，轨道半径约为地球绕太阳运动半径的eq\f(1,20).该中心恒星与太阳的质量比约为()A.eq\f(1,10) B．1C．5 D．10B[根据Geq\f(Mm,r2)＝meq\f(4π2,T2)r得M∝eq\f(r3,T2)，代入数据得恒星与太阳的质量比约为1.04，所以B项正确．]天体运动的分析与计算[观察探究]如图所示，太阳系的行星在围绕太阳运动．(1)地球、火星等行星绕太阳的运动遵守什么规律？(2)如何比较地球、火星等行星绕太阳的运动的线速度、角速度、周期及向心加速度等各量的大小关系？提示：(1)地球、火星等行星绕太阳的运动可看作匀速圆周运动，万有引力提供向心力．(2)由Geq\f(Mm,r2)＝man＝meq\f(v2,r)＝mω2r＝meq\f(4π2,T2)r表达式可知线速度、角速度、周期及向心加速度等各量都与轨道半径有关系．[探究归纳]1．解决天体运动问题的基本思路一般行星或卫星的运动可看成匀速圆周运动，所需要的向心力都由中心天体对它的万有引力提供，所以研究天体时可建立基本关系式：Geq\f(Mm,R2)＝ma，式中a是向心加速度．2．四个重要结论项目推导式关系式结论v与r的关系Geq\f(Mm,r2)＝meq\f(v2,r)v＝eq\r(\f(GM,r))r越大，v越小ω与r的关系Geq\f(Mm,r2)＝mrω2ω＝eq\r(\f(GM,r3))r越大，ω越小T与r的关系Geq\f(Mm,r2)＝mreq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(2π,T)))2T＝2πeq\r(\f(r3,GM))r越大，T越大a与r的关系Geq\f(Mm,r2)＝maa＝eq\f(GM,r2)r越大，a越小【例2】有的天文学家倾向于把太阳系外较小的天体叫作“矮行星”，而另外一些人把它们叫作“小行星”，谷神星就是小行星之一．现有两个这样的天体，它们的质量分别为m1和m2，绕太阳运行的轨道半径分别是r1和r2，求：(1)它们与太阳间的万有引力之比；(2)它们的公转周期之比．[解析](1)设太阳质量为M，由万有引力定律得，两天体与太阳间的万有引力之比eq\f(F1,F2)＝eq\f(G\f(Mm1,r\o\al(2,1)),G\f(Mm2,r\o\al(2,2)))＝eq\f(m1r\o\al(2,2),m2r\o\al(2,1)).(2)两天体绕太阳的运动可看成匀速圆周运动，向心力由万有引力提供，则有Geq\f(Mm,r2)＝meq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(2π,T)))eq\s\up20(2)r所以，天体绕太阳运动的周期T＝2πeq\r(\f(r3,GM))则两天体绕太阳的公转周期之比eq\f(T1,T2)＝eq\r(\f(r\o\al(3,1),r\o\al(3,2))).[答案](1)eq\f(m1r\o\al(2,2),m2r\o\al(2,1))(2)eq\r(\f(r\o\al(3,1),r\o\al(3,2)))上例中，若r1＞r2，则两行星的运行的角速度ω1、ω2和线速度v1、v2的关系怎样？提示：ω1＜ω2，v1＜v2.2．探测器绕月球做匀速圆周运动，变轨后在周期较小的轨道上仍做匀速圆周运动，则变轨后与变轨前相比()A．轨道半径变小 B．向心加速度变小C．线速度变小 D．角速度变小A[探测器做匀速圆周运动，由万有引力提供向心力，则：Geq\f(Mm,r2)＝meq\f(4π2,T2)r，整理得T＝2πeq\r(\f(r3,GM))，可知周期T较小的轨道，其半径r也小，A正确；由Geq\f(Mm,r2)＝man＝meq\f(v2,r)＝mω2r，整理得：an＝Geq\f(M,r2)，v＝eq\r(G\f(M,r))，ω＝eq\r(\f(GM,r3))，可知半径变小，向心加速度变大，线速度变大，角速度变大，故B、C、D错误．]宇宙双星问题[要点归纳]如图所示，宇宙中两个靠得比较近的天体称为双星，它们绕其连线上的某固定点做匀速圆周运动．双星具有以下特点：(1)由于双星和该固定点总保持三点共线，所以双星做匀速圆周运动的角速度和周期分别相同．(2)由于每颗星的向心力都是由双星间相互作用的万有引力提供的，因此大小必然相等．(3)轨道半径与质量的关系由F＝mrω2和L＝r1＋r2，可得r1＝eq\f(m2,m1＋m2)L，r2＝eq\f(m1,m1＋m2)L，则eq\f(r1,r2)＝eq\f(m2,m1).【例3】(多选)2017年，人类第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波．根据科学家们复原的过程，在两颗中子星合并前约100s时，它们相距400km，绕二者连线上的某点每秒转动12圈．将两颗中子星都看作是质量均匀分布的球体，由这些数据、万有引力常量并利用牛顿力学知识，可以估算出这一时刻两颗中子星()A．质量之积B．质量之和C．速率之和D．各自的自转角速度BC[由题意可知，合并前两中子星绕连线上某点每秒转动12圈，则两中子星的周期相等，且均为T＝eq\f(1,12)s，两中子星的角速度均为ω＝eq\f(2π,T)，两中子星构成了双星模型，假设两中子星的质量分别为m1、m2，轨道半径分别为r1、r2，速率分别为v1、v2，则有：Geq\f(m1m2,L2)＝m1ω2r1、Geq\f(m1m2,L2)＝m2ω2r2，又r1＋r2＝L＝400km，解得m1＋m2＝eq\f(ω2L3,G)，A错误，B正确；又由v1＝ωr1、v2＝ωr2，则v1＋v2＝ω(r1＋r2)＝ωL，C正确；由题中的条件不能求解两中子星自转的角速度，D错误．]3．(多选)宇宙中两颗相距很近的恒星常常组成一个双星系统．它们以相互间的万有引力彼此提供向心力，从而使它们绕着某一共同的圆心做匀速圆周运动，若已知它们的运转周期为T，两星到某一共同圆心的距离分别为R1和R2，那么，双星系统中两颗恒星的质量关系描述正确的是()A．这两颗恒星的质量必定相等B．这两颗恒星的质量之和为eq\f(4π2R1＋R23,GT2)C．这两颗恒星的质量之比为m1∶m2＝R2∶R1D．必有一颗恒星的质量为eq\f(4π2R1R1＋R22,GT2)BCD[对于两星有共同的周期T，由牛顿第二定律得eq\f(Gm1m2,R1＋R22)＝m1eq\f(4π2,T2)R1＝m2eq\f(4π2,T2)R2，所以两星的质量之比m1∶m2＝R2∶R1，C正确；由上式可得m1＝eq\f(4π2R2R1＋R22,GT2)，m2＝eq\f(4π2R1R1＋R22,GT2)，D正确，A错误；m1＋m2＝eq\f(4π2R1＋R23,GT2)，B正确．]课堂小结知识脉络1.若不考虑地球自转的影响，地面上物体所受重力等于地球对物体的引力，即mg＝Geq\f(Mm,R2)，可得地球质量M＝eq\f(gR2,G)，该公式同样适用于其他天体．2．根据万有引力提供行星做圆周运动的向心力，只要测得某行星绕太阳运行的轨道半径r和周期T，就可得太阳的质量为M＝eq\f(4π2r3,GT2).1．设太阳质量为M，某行星绕太阳公转周期为T，轨道可视作半径为r的圆．已知万有引力常量为G，则描述该行星运动的上述物理量满足()A．GM＝eq\f(4π2r3,T2) B．GM＝eq\f(4π2r2,T2)C．GM＝eq\f(4π2r2,T3) D．GM＝eq\f(4πr3,T2)A[本题根据行星所受的万有引力提供其做圆周运动的向心力列方程求解．对行星有：eq\f(GMm,r2)＝meq\f(4π2,T2)r，故GM＝eq\f(4π2r3,T2)，选项A正确．]2．土星最大的卫星叫“泰坦”，每16天绕土星一周，其公转轨道半径约为1.2×106km，已知引力常量G＝6.67×10－11N·m2/kg2，则土星的质量约为(