1、第十三章 宇 宙 A 萬有引力定律,（新課教學） 上大市北附中 呂德庫,萬有引力定律,萬有引力定律,萬有引力定律,銀河系,萬有引力定律,萬有引力定律,被排除行星 稱為矮行星,浩瀚宇宙，斗轉(zhuǎn)星移，天體不停地運動和演化。19世紀英國著名詩人菲茨杰拉德（E.Fitz-Gerald）的詩句，“進入這個宇宙，卻不知道自己源自何方，就像流水無奈地流淌?！?這句詩表達了詩人對于宇宙存在向往，但又沒有太多的認識，存在這很多疑問，比如：我們所處的宇宙究是怎樣的？有多大？什么時候形成的？未來又會怎樣？從今天開始，我們就一起共同學習第13章宇宙。,萬有引力定律,丹麥天文學家第谷用20年對行星的位置進行觀測，積累了天

2、文學上從未有過的大量第一手資料，編寫了天體編目，在編目上列出了700多顆恒星的位置。,第谷逝世后，他的學生德國天文學家開普勒用了大量的時間研究火星的運動。但是所得結(jié)果卻與第谷的觀測數(shù)據(jù)至少有8的角度誤差。,萬有引力定律,開普勒結(jié)論： 所有的行星圍繞太陽運動的軌道不是圓，而是橢圓，并先后發(fā)表了關于行星運動的三條定律。,開普勒三定律 點擊flash,萬有引力定律,這三大定律告訴我們行星是怎樣運動的？,行星運動的軌跡是橢圓，但是這個橢圓軌道的長半軸和短半軸相差不大，為了研究和學習的方便，我們近似地做一些簡化，把行星的運動近似地看成勻速圓周運動。,任何物體做圓周運動都需要什么力？,如果是一根繩子拉一個

3、小球在水平面上作圓周運動，是什么力提供了向心力？,萬有引力定律,天體做圓周運動的向心力由誰提供？,天體做圓周運動的向心力由誰提供？ 難道是有一根隱性的鐵鏈？,在開普勒時代，科學家們從不同角度作出猜想。 1、吉爾伯特（英）：行星依靠太陽發(fā)出的磁力維持繞日運動。 2、開普勒（德）：意識到太陽有一種力支配著行星的運動。 3、笛卡兒（法）：提出“漩渦”假設，空間存在一種看不見的物質(zhì)旋轉(zhuǎn)，帶動行星繞日運動。 4、胡克（英）、哈雷等物理學家認為是引力。,萬有引力定律,牛頓的猜想,牛頓研究行星運動首先從研究月球軌道開始。,到底是什么力使月球作圓周運動的呢？,他想即使我們登上最高的樓頂或高山的頂峰，這種蘋果落

4、向地心的力絲毫不會減小(至少在我們的感覺中)，所以有理由認為：這種力的作用能延伸到十分遙遠的地方，很可能一直延伸到月球，對月球的運動產(chǎn)生影響使月球保持在自己的軌道上。,萬有引力定律,牛頓又考慮行星繞太陽運動是因為行星受到太陽的引力。,牛頓又進行了大膽的設想：其實任何兩個物體之間都存在這種引力，第一次提出了“萬有引力”這一概念。,1.萬有引力： 任何具有質(zhì)量的物體間都存在相互吸引的作用力，這種力叫做萬有引力。,萬有引力定律,萬有引力的大小與哪些因素有關呢？,牛頓在前人研究成果的基礎上，再通過自己的思考和研究，最終得出著名的萬有引力定律。,注意：萬有引力定律只有在兩個物體的大小比它們之間的距離小得

5、多時才正確，即只適用于兩個質(zhì)點的情況。,萬有引力定律,2.萬有引力定律 兩個物體間的引力大小,跟這兩個物體的質(zhì)量的乘積成正比，跟兩物體距離的平方成反比，方向在兩物體連線上，這就是萬有引力定律。 公式為：,萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)，是17世紀自然科學最偉大的成果之一。它把地面上物體運動的規(guī)律和天體運動的規(guī)律統(tǒng)一了起來，對以后物理學和天文學的發(fā)展具有深遠的影響。它第一次揭示了自然界中一種基本相互作用的規(guī)律，在人類認識自然的歷史上樹立了一座里程碑。,萬有引力定律,例1:兩個物體間的引力的大小，跟兩個物體_成正比，跟兩物體距離的平方成_，方向在兩物體_上這就是萬有引力定律。 萬有引力定律可用公式_表示。,質(zhì)

6、量的乘積,反比,連線,萬有引力定律,例2:在公路上有兩個行駛的大貨車A、B，A的質(zhì)量為6103kg，B的質(zhì)量為8103kg，兩者相距d=3m，簡單估算兩車之間的引力大小。,解：根據(jù)萬有引力定律，,代人得：,很小很小?。?例3:在宇宙天體中，大麥云的質(zhì)量為太陽質(zhì)量的1010倍，即2.01040kg，小麥云的質(zhì)量為太陽質(zhì)量的109倍，即2.01039kg，兩者相距6.61014l.y.（1l.y.=9.51015m），求兩者之間的引力。 （l.y.為光年符號）,解：根據(jù)萬有引力定律:,萬有引力定律,代人得：,很大很大！,牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律，但引力常量G這個數(shù)值是多少，連他本人也不知道。按說只要

7、測出兩個物體的質(zhì)量，測出兩個物體間的距離，再測出物體間的引力，代入萬有引力定律，就可以測出這個常量。但因為一般物體的質(zhì)量太小了，它們間的引力無法測出，而天體的質(zhì)量太大了，又無法測出質(zhì)量。所以，萬有引力定律發(fā)現(xiàn)了100多年，萬有引力常量仍沒有一個準確的結(jié)果，這個公式就仍然不能是一個完善的等式。 直到100多年后，英國人卡文迪許巧妙地利用扭秤第一次在實驗室里較準確地測出了這個常量。,萬有引力定律,3.卡文迪許扭秤實驗,卡文迪許扭秤的主要部分是一個輕而堅固的T型架，倒掛在一根金屬絲的下端。T形架水平部分的兩端各裝一個質(zhì)量是m的小球，T形架的豎直部分裝一面小平面鏡M，它能把射來的 光線反射到刻度尺上，

8、 這樣就能比較精確地測 量金屬絲的扭轉(zhuǎn)。從而 測出兩球之間的微小的 引力。,萬有引力定律,1、實驗原理：,力矩平衡，即引力矩=扭轉(zhuǎn)力矩,2、巧妙之處：,兩次放大及等效的思想：扭秤裝置把微小力轉(zhuǎn)變成力矩來反映（一次放大），扭轉(zhuǎn)角度（微小形變）通過光標的移動來反映（二次放大），從而確定物體間的萬有引力。,萬有引力定律,引力常量的測定卡文迪許扭秤實驗,卡文迪利用扭秤實驗驗證萬有引力定律， 并成功的測出引力常量。,大家談1：既然地球吸引蘋果和吸引月球的力都是萬有引力，為什么蘋果會掉到地上，而月球不會掉下來？,月球相對于地球有初速度，這個初速度的大小足以讓它圍繞地球做圓周運動。月球受到的萬有引力是提供它

9、作圓周運動所需要的向心力，僅僅改變它運動的方向，而沒有改變它速度的大小。而蘋果相對于地球靜止，受到引力后下落到地面。,萬有引力定律,大家談2：如果有一天萬有引力突然消失，世界將發(fā)生什么變化？,通過繩系小球做圓周運動，突然釋放繩子后小球的運動情況來模擬重力消失后的運動情況。,所有的物體將沿著當時位置的切線方向做直線運動。,萬有引力定律,示例1：一個質(zhì)子由兩個u夸克、一個d夸克組成，一個夸克的質(zhì)量是7.110-29kg，求兩個夸克距離1.010-16m時的相互引力。（質(zhì)子半徑為1.010-15m ）,解：根據(jù)萬有引力定律，,萬有引力定律,示例2：地球表面的物體所受到的重力也遵循萬有引力定律，已知地

10、球的質(zhì)量m = 5.9761024kg，地球半徑r = 6.371106m。求地球表面重力加速度的大小。,【分析】在地球表面，物體所受重力的大小可看做地球?qū)λ娜f有引力的大小，知道了引力常量和地球質(zhì)量m，就可計算重力加速度的大小。,解：設物體質(zhì)量為m，由 可得,萬有引力定律,而質(zhì)量為m2的物體在地面上所受的重力也等于地球?qū)λ娜f有引力，不同之處僅在于距離是到地球的半徑，于是可得,示例3：一熱氣球上升到離地面20km處，如果地面重力加速度的值為9.8m/s2，求這一高度處的重力加速度。,萬有引力定律,由上述兩式相除可得,代入數(shù)值得,示例3：一熱氣球上升到離地面20km處，如果地面重力加速度的值為

11、9.8m/s2，求這一高度處的重力加速度。,萬有引力定律,示例4: 地球中心和月球中心的距離大約是地球半徑的60倍，試估算地球表面的同一物體，再靠近月球一側(cè)和遠離月球一側(cè)時，該物體和月球間萬有引力的比值。,【分析】設地球半徑為R，地球表面物體在靠近月球一側(cè)時與月球的距離為59R，在遠離月球一側(cè)時，距離為61R，利用萬有引力定律就可以求出其比例。,解：設月球質(zhì)量為m1，地球表面物體質(zhì)量為m2。因此靠近月球一側(cè)時該物體的萬有引力大小為,萬有引力定律,遠離地球一側(cè)時的萬有引力大小為,因此，,實際上，正是因為有這樣微小的差距，才使地球表面產(chǎn)生了潮汐現(xiàn)象。,萬有引力定律,示例5:計算月球表面的重力加速度。（已知月球的質(zhì)量是地球的1/81，月球半徑是地球的1/3.7）,解：設地球質(zhì)量為m地，半徑為R地；月球質(zhì)量為m月，半徑為R月，由萬有引力定律可得：,由上述兩式相除可得,代入已知條件得,萬有引力定律,示例6:月球、地球中心間的距離大約是地球半徑的60倍，如果地球表