人教版高中物理必修二 （万有引力理论的成就）万有引力与宇宙航行教学课件

7.3万有引力理论的成就

1.了解万有引力定律在天文学上的重要应用； 2.会用万有引力定律计算天体质量；3.理解并运用万有引力定律处理天体问题的思路和方法。学习目标复习回顾

1.物体做圆周运动的向心力公式是什么？分别写出向心力与线速度、角速度以及周期的关系式。2.万有引力定律的内容是什么？如何用公式表示？重力是万有引力的一个分力，当忽略了地球的自转时,可认为重力在数值上就等于万有引力大小。3.重力和万有引力的关系？θFnRMGmwrF引物体m在纬度为θ的位置，万有引力指向地心，分解为两个分力：m随地球自转围绕地轴运动的向心力和重力。“给我一个支点，我可以撬动球。”

新课导入

那我们又是怎么知道巨大的地球的质量呢?称量地球的质量

1.思路：地球的质量不可能用天平称量.

万有引力定律是否能给予我们帮助呢?重力是万有引力的一个分力，当忽略了地球的自转时,可认为重力在数值上就等于万有引力大小。称量地球的质量

1.分析：若不考虑地球自转的影响，地面上物体的重力等于地球对它的引力。

M＝

其中g、R在卡文迪许之前已经知道，而卡文迪许测出G后，就意味着我们也测出了地球的质量。卡文迪许把他自己的实验说成是“称量地球的重量”是不无道理的。著名文学家马克·吐温满怀激情地说：

“科学真是迷人。根据零星的事实，增添一点猜想，竟能赢得那么多收获！”称量地球的质量

天体质量的计算

思考：应用万有引力可算出地球的质量，能否算出太阳的质量呢?1、地球公转实际轨道是什么形状？为了解决问题的方便，我们通常可以认为地球在绕怎样的轨道做什么运动？近似天体质量的计算

2、地球作圆周运动的向心力是由什么力提供的？rMmF天体质量的计算

rMmF地球公转角速度ω不能直接测出,但我们知道地球公转的周期T（M与m无关）天体质量的计算

中心天体M环绕天体m求解思路：环行天体的向心力由中心天体对其万有引力独家提供具体方法：注意：待求天体（M）的质量与环行天体（m）的质量无关拓展：利用月球求地球质量天体质量的计算月球绕地球运行的周期T=27.3天，月球与地球的平均距离r=3.84×108mM地=5.98×1024kg天体密度的计算

黄金替换质量为m的物体在地球(星体)表面受到的万有引力等于其重力，即G＝mg。可以得到：GM＝gR2由于G和M(地球质量)这两个参数往往不易记住，而g和R容易记住。所以粗略计算时，一般都采用上述代换，这就避开了万有引力常量G值和地球的质量M值线速度v：v＝

角速度ω：ω＝周期T：向心加速度an：发现未知天体---海王星

在1781年发现的第七个行星—天王星的运动轨道，总是同根据万有引力定律计算出来的有一定偏离.当时有人预测，肯定在其轨道外还有一颗未发现的新星,这就是后来发现的第八大行星—海王星.

海王星的实际轨道由英国剑桥大学的学生亚当斯和法国年轻的天文爱好者勒维耶根据天王星的观测资料各自独立地利用万有引力定律计算出来的.预言并发现冥王星：海王星发现之后，人们发现它的轨道也与理论计算的不一致。于是几位学者用亚当斯和勒维耶的方法预言另一颗新行星的存在．在预言提出之后，1930年，汤博发现了太阳系的后来曾被称为第九大行星的冥王星常考题型题组一计算天体质量和密度题1［2019•广东佛山一中高一检测］（1）开普勒第三定律指出：行星绕太阳运动椭圆轨道的半长轴a的三次方与它的公转周期T的二次方成正比，即=k，k是一个对所有行星都相同的常量。将行星绕太阳的运动按圆周运动处理，请你推导出太阳系中该常量k的表达式（已知引力常量为G，太阳的质量为M太）；（2）开普勒定律不仅适用于太阳系，它对一切具有中心天体的引力系统（如地月系统）都成立。经测定月地距离为3.84×108m，月球绕地球运动的周期为2.36×106s，地球半径取6400km，试估算地球的质量M和密度ρ。（G=6.67×10-11N•m2/kg2，计算结果均保留一位有效数字）【解】（1）根据牛顿第二定律：=ma，又根据开普勒第三定律：k=，由上两式得：k=（2）对地月系统：=，得：M地=≈6×1024kg。地球的密度ρ==≈5×103kg/m3。【点评】开普勒第三定律中的k是一个与中心天体质量有关的常量。计算天体质量的两个基本思路思路一（环绕法）：将行星绕恒星的运动、卫星绕行星的运动均视为匀速圆周运动，所需向心力是由万有引力提供的。有如下关系：G=m=mr。思路二（重力加速度法）：中心天体表面上物体的重力与所受万有引力相等，mg=。天体密度的计算方法（1）利用中心天体表面的重力加速度求密度

其中g为天体表面重力加速度，R为天体半径。（2）利用中心天体的卫星求密度

其中R为待求天体半径，r为卫星的轨道半径。题2某星球的半径为R，表面的重力加速度为g，引力常量为G，则该星球的平均密度为（）A. B. C. D.【解析】根据重力近似等于星球的万有引力，有解得M=。把该星球看做均匀球体，则星球体积为V=，则其密度为。【答案】

B“黄金代换法”的应用技巧在不考虑地球自转的影响时，在地球附近有mg=，化简得gR2=GM。此式通常叫做黄金代换式，适用于任何天体，主要用于天体的质量M未知的情况下，用该天体的半径R和表面的“重力加速度”g代换M。题3［2019•广东仲元中学高一检测］人造卫星绕地球做匀速圆周运动的线速度大小为v，轨道半径为r，已知引力常量为G，根据万有引力定律，可算出地球的质量为（）A. B. C. D.A【特别提醒】求中心天体的质量时，需要知道的半径是以该天体为圆心做圆周运动的轨道半径，不是中心天体的半径，也不是做圆周运动的天体的半径。题4有一星球的密度与地球的密度相同，但它表面处的重力加速度是地面上的重力加速度的2倍，则该星球的质量将是地球质量的（）A. B.8倍 C.16倍 D.64倍

B题5［2019•石家庄一中高一检测］“嫦娥四号”探测器已于2019年1月3日在月球背面安全着陆，开展月表形貌与地质构造调查等科学探测。已知月球半径为R0，月球表面处重力加速度为g0，地球和月球的半径之比为，表面重力加速度之比为，则地球和月球的密度之比为（）A. B. C.4 D.6

B题6［2019•辽宁大连高三一模］如图

所示，“嫦娥三号”的环月轨道可近似看成是圆轨道，观察“嫦娥三号”在环月轨道上的运动，发现每经过时间t通过的弧长为l，该弧长对应的圆心角为θ弧度，已知引力常量为G，则月球的质量是（）

A.B. C. D.C题7

［2019•安徽宿州高一期末］地球表面的重力加速度为g，则离地面高度等于地球半径的地方，重力加速度为（）A.0.25g B.0.5g C.2g D.4g【解析】地面上方高h处：mg′=G，地面上mg=G，联立解得g′=0.25g。【答案】

A

题组二天体表面及离天体某高度处的重力加速度题8［2015•重庆卷］航天员王亚平在“天宫一号”飞船内进行了我国首次太空授课，演示了一些完全失重状态下的物理现象。若飞船质量为m，距地面高度为h，地球质量为M，半径为R，引力常量为G，则飞船所在处的重力加速度大小为（）A.0 B. C. D.

B题9假设火星和地球都是球体，火星质量M火和地球质量M地之比为M火∶M地=p，火星半径R火和地球半径R地之比为R火∶R地=q，那么火星表面处的重力加速度g火和地球表面处的重力加速度g地之比g火∶g地等于（）A.pq2 B. C.pq D.

D题10

已知地题球质量为月球质量的81倍，地球半径约为月球半径的4倍。若在月球和地球表面同样高度处，以相同的初速度水平抛出物体，抛出点与落地点间的水平距离分别为s月和s地，则s月∶s地约为（）A.9∶4 B.6∶1 C.3∶2 D.1∶1【解析】对于处在星球表面的物体，其所受的重力近似等于万有引力，由公式=mg，代入数据可解得=；又由平抛运动的规律可知s=vt，t=，整理得s=，则s月∶s地=9∶4。【答案】

A题组三万有引力定律与抛体运动知识的综合应用题11某星球的质量约为地球的9倍，半径约为地球的一半，若从地球上高h处平抛一物体，射程为60m，则在该星球上，从同样高度、以同样的初速度平抛同一物体，射程应为（）A.10m

B.15m

C.90m D.360mA内容小结1.万有引力定律在天文学中的应用，一般有两条思路：地面（或某星球表面）的物体的重力近似等于万有引力(2)环绕天体所需的向心力由中心天体对环绕天体的万有引力提供2.了解了万有引力定律在天文学中具有的重要意义.

万有引力的成就

万有引力定律上节回顾其中G为引力常量，r为两物体的中心距离，m为物体的质量。说一说物体的重力和万有引力的区别和联系重力万有引力大小G=mg方向竖直向下指向地心地球表面附近的物体随地球的自转而做匀速圆周运动，受力分析FO

F1南极北极:赤道：除两极点外：万有引力的一个分力提供向心力，另外一个分力就是重力，提供向心力的力很小，物体的重力的数值和万有引力相差很小。FFnO

F1mg地球表面附近随纬度的增加，重力加速度值略微增大。忽略地球自转的影响，物体受到的万有引力约为物体在该处受到的重力，不予考虑二者的差别。若忽略地球自转的影响，物体在距离地心距离为r处的重力加速度为g:若不考虑地球自转的影响：地面的重力加速度g和地球半径R在卡文迪许之前就已知道，卡文迪许测出了引力常量G，就可以算出地球的质量M。这在当时看来就是一个科学奇迹。难怪著名文学家马克·吐温满怀激情地说：“科学真是迷人。根据零星的事实，增添一点猜想，竟能赢得那么多收获！”计算天体的质量计算太阳的质量：万有引力提供行星做匀速圆周运动的向心力

计算其他中心天体的质量：万有引力提供小星体绕中心天体做匀速圆周运动的向心力如何进一步测中心天体的密度？中心天体的体积:中心天体的密度：若：发现未知天体英国天文学家亚当斯和法国天文学家勒威耶根据万有引力定律计算出了这颗尚未发现的行星的轨道。1846年9月18日，德国天文学家伽勒对准勒威计算出的位置，真的看到了一颗蓝色的星星－－它就是人们所称的“笔尖上发现的行星“。在1682年，夜空中出现了一颗彗星。这颗彗星是围绕太阳运行的一个天体，它的轨道呈椭圆形。最令人兴奋的是，他发现这颗彗星每隔76年就要光临太阳系一次。76年以后，也就是1758年，曾在1682年引起人们莫大恐慌的大彗星，将再次出现于天空。哈雷彗星被称为准时回归的彗星。卡文迪许在实验室测量出了引力常量G的值，从而“称量”出了地球的质量，你知道他是怎样“称量”地球质量的吗？若忽略地球自转的影响，在地球表面上质量为m的物体所受的重力mg等于地球对物体的引力，即mg＝，所以有，只要测出G，便可“称量”地球的质量．设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＝6.67×10－11