单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,第,4,节 万有引力理论的成就,1,第4节 万有引力理论的成就1,1.,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,2,1.了解万有引力定律在天文学上的重要应用；学习目标2,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？,3,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,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？,F,n,R,M,G,m,w,r,F,引,物体,m,在纬度为,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,。,4,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,“,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,?,5,“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,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,。,6,称量地球的质量1.思路：地球的质量不可能用天平称量.重力是万,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。,7,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,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,8,著名文学家马克吐温满怀激情地说：称量地球的质量8,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,9,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,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？,r,M,m,F,10,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？r,天体质量的计算,r,M,m,F,地球公转,角速度,不能,直接测出,但我们知道地球公转的周期,T,（,M,与,m,无关）,11,天体质量的计算rMmF地球公转角速度 不能直接测出,但我,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,12,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,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=3.8410,8,m,M,地,=,5.9810,24,kg,13,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,天体,密度,的,计算,14,天体密度的计算14,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,gR,2,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,15,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,线速度,v,：,v,角速度,：,周期,T,：,向心加速度,a,n,：,16,线速度v：v 角速度：周期T：向心加速度an：16,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,.,17,发现未知天体-海王星 在1781年发现的第,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,18,预言并发现冥王星：18,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,3.84,10,8,m,，月球绕地球运动的周期为,2.3610,6,s,，地球半径,取,6,400 km,，试估算地球的质量,M,和密度,。（,G=6.6710,-11,Nm,2,/kg,2,，计算结果均保留一位有效数字,）,19,常考题型题组一计算天体质量和密度题12019广东佛山一,【,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,=,610,24,kg,。,地球,的密度,=,=,510,3,kg/m,3,。,【,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。,20,【解】（1）根据牛顿第二定律：=ma,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,gR,2,=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,。,21,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，,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。,22,题3 2019广东仲元中学高一检测人造卫星绕地球做匀速,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,23,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,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,R,0,，月球表面处重力加速度为,g,0,，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,24,题5 2019石家庄一中高一检测“嫦娥四号”探测器已于,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,弧度，已知引力常量为,G,，则月球的质量是（）,A,.,B,.,C,.,D,.,C,25,题6 2019辽宁大连高三一模如图 所示，“嫦娥三号”,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.2gD.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,26,题7 2019安徽宿州高一期末地球表面的重力加速度为g,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,27,题8 2015重庆卷航天员王亚平在“天宫一号”飞船内进,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.pq,2,B,.,C.pq,D,.,D,28,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,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.94,B.6,1,C.3,2D.11,【,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,=94,。,【,答案,】,A,题组三万有引力定律与抛体运动知识的综合应用,29,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,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60 m，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.10 m,B,.15,m,C,.90 mD.360 m,A,30,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,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