(共46张PPT)
万有引力理论的成就
人教高中物理 必修2
目 录
1、前情回顾
2、知识要点
3、例题解析
4、课堂练习
5、课堂总结
6、课后作业
前情回顾—万有引力理论
一、万有引力定律公式
二、适用条件
(1)适用于质点间引力大小的计算。
(2) 对于可视为质点的物体间的引力求解也可以利用万有引力公式。
(3) 当研究的物体不能看成质点时,可以把物体假想分割成无数质点,求分力,再求合力。
知识要点一:“称量”地球的质量
上一节我们学习了万有引力定律: ,这一节我们就来学习怎样利用它来算出下面地球的质量。
天平?
杠杆?
知识要点一:“称量”地球的质量
如图以地球表面物体为研究对象,物体m在纬度为θ的位置,万有引力指向地心,它可分解为两个分力:m随地球自转围绕地轴运动的向心力Fn和重力G。
实际上随地球自转的物体向心力远小于重力,在忽略自转的影响下万有引力大小近似等于重力大小。
知识要点一:“称量”地球的质量
1.结论:地球表面的物体,若不考虑地球自转的影响,物体的重力等于 地球对物体的引力。
2.关系式: 。
3.结果: ,只要知道g、R、G的值,就可计算出地球的质量.
4.推广:若知道其他某星球表面的重力加速度和星球半径,可计算出该星球的质量.
知识要点二:计算天体的质量
太阳
行星
v
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、基本思路
(1)简化模型:将行星绕太阳的运动看成是匀速圆周运动.
(2)万有引力充当向心力 F引=Fn
(3)依据万有引力定律和牛顿第二定律列出方程,从中解出太阳的质量。
知识要点二:计算天体的质量—中心天体
(4)F引=Fn 得
结论:
只要再知道引力常量G,行星绕太阳运动的周期T和轨道半径r就可以计算出太阳的质量。
(5)推广:若已知引力常量G,卫星绕行星运动的周期和卫星与行星之间的距离,可计算出行星的质量
知识要点二:计算天体的质量- -木星、月球
如果已知卫星绕行星运动的周期和卫星与行星之间的距离,也可以算出行星的质量。目前,观测人造地球卫星的运动,是测量地球质量的重要方法之一。
同样的道理,要得到木星的质量,可以选择对木星的卫星进行测量,只要测得一颗卫星的轨道半径和周期,就可计算木星的质量。
月球虽然没有天然的卫星,但人类发射的航天器会环绕月球运行,只要测得航天器绕月运行的轨道半径和周期,就可计算月球的质量。
卫星
木星
知识要点三:计算天体的密度—中心天体
(1)由天体表面的重力加速度g和半径R,求此天体的密度
知识要点三:计算天体的密度—中心天体
(2) ①若天体的某个行星(或卫星)的轨道半径为r,运行周期为T,中心天体的半径为R,则
知识要点三:计算天体的密度—中心天体
(2) ②近地卫星,则有R=r,此时
知识要点四:天体运动的分析与计算
1.(1)万有引力提供向心力:
(2)物体在天体表面时受到的万有引力等于物体重力,
整理可得: ,该公式通常被称为“黄金代换式”.
知识要点五:发现未知天体
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:海王星之外残存着太阳系形成初期遗留的物质.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.
海王星
知识要点六:预言哈雷彗星回归
英国天文学家哈雷计算了1531年、1607年和1682年出现的三颗彗星的轨道,他大胆预言这三颗彗星是同一颗星,周期约为 76年 ,并预言了这颗彗星再次回归的时间.1759年3月这颗彗星如期通过了 近日 点,它最近一次回归是1986年,它的下次回归将在 2061 年左右。
例题
经 典 例 题
真 题 再 现
题型一、天体质量和密度的计算
例1 一卫星绕地球做匀速圆周运动,其轨道半径为r,卫星绕地球做匀速圆周运动的周期为T,已知地球的半径为R,地球表面的重力加速度为g,引力常量为G,则地球的质量可表示为( )
例题
经 典 例 题
真 题 再 现
题型一、对万有引力定律的理解
答案:选AC
例题
经 典 例 题
真 题 再 现
题型一、天体质量和密度的计算
例2 若宇航员登上月球后,在月球表面做了一个实验:将一片羽毛和一个铁锤从同一高度由静止同时释放,二者几乎同时落地.若羽毛和铁锤是从高度为h处下落,经时间t落到月球表面.已知引力常量为G,月球的半径为R.求:(不考虑月球自转的影响)
(1)月球表面的自由落体加速度大小g月.
(2)月球的质量M.
(3)月球的密度.
例题
经 典 例 题
真 题 再 现
题型一、对万有引力定律的理解
练习
经 典 例 题
真 题 再 现
同 类 练 习
1.近年来,人类发射的火星探测器已经在火星上着陆,正在进行着激动人心的科学探索(如发现了冰),为我们将来登上火星、开发和利用火星奠定了坚实的基础。如果火星探测器环绕火星做“近地”匀速圆周运动,并测得它运动的周期为T,则火星的平均密度ρ的表达式为(k为某个常量)( )
答案:D
练习
经 典 例 题
真 题 再 现
同 类 练 习
2.如图所示,是美国的“卡西尼”号探测器经过长达7年的“艰苦”旅行,进入绕土星飞行的轨道.若“卡西尼”号探测器在半径为R的土星上空离土星表面高h的圆形轨道上绕土星飞行,环绕n周飞行时间为t,已知引力常量为G,则下列关于土星质量M和平均密度ρ的表达式正确的是( )
答案:D
例题
经 典 例 题
真 题 再 现
题型二、天体运动的分析与计算
例3 质量为m的探月航天器在接近月球表面的轨道上飞行,其运动视为匀速圆周运动.已知月球质量为M,月球半径为R,月球表面重力加速度为g,引力常量为G,不考虑月球自转的影响,则航天器的( )
例题
经 典 例 题
真 题 再 现
题型二、万有引力定律的应用
答案:选AC
例题
经 典 例 题
真 题 再 现
题型二、天体运动的分析与计算
例4 据报道,天文学家近日发现了一颗距地球40光年的“超级地球”,名为“55 Cancri e”.该行星绕母星(中心天体)运行的周期约为地球绕太阳运行周期的1480,母星的体积约为太阳的60倍.假设母星与太阳密度相同,“55 Cancri e”与地球均做匀速圆周运动,则“55 Cancri e”与地球的( )
例题
经 典 例 题
真 题 再 现
题型二、万有引力定律的应用
答案:选B
练习
经 典 例 题
真 题 再 现
同 类 练 习
1.设土星绕太阳的运动为匀速圆周运动,若测得土星到太阳的距离为r,土星绕太阳运动的周期为T,引力常量为G,则根据以上数据可解得的物理量有( )
A.土星线速度的大小 B.土星加速度的大小
C.土星的质量 D.太阳的质量
答案:D
练习
经 典 例 题
真 题 再 现
同 类 练 习
2.如图所示,在火星与木星轨道之间有一小行星带。假设该带中的小行星只受到太阳的引力,并绕太阳做匀速圆周运动。下列说法正确的是( )
A.太阳对各小行星的引力相同
B.各小行星绕太阳运动的周期均小于一年
C.小行星带内侧小行星的向心加速度值大于外侧小行星的向心加速度值
D.小行星带内各小行星圆周运动的线速度值均大于地球公转的线速度值
答案:C
知识点
提要
秤量计算天体的质量
计算天体的密度
天体运动相关分析
发现未知天体
课堂练习
1、火星的质量和半径分别约为地球的1/10和1/2,地球表面的重力加速度为g,则火星表面的重力加速度约为( )
A.0.2g B.0.4g
C.2.5g D.5g
答案:B
课堂练习
2、关于万有引力定律应用于天文学研究的历史事实,下列说法正确的( )
A.天王星、海王星和冥王星,都是用万有引力定律、经过大量计算后发现的
B.在18世纪已经发现的7个行星中,人们发现第七个行星——天王星的运动轨道总是同根据万有引力定律计算出来的结果有比较大的偏差,于是有人推测,在天王星轨道外还有一个行星,是它的存在引起了上述偏差
C.海王星是牛顿运用自己发现的万有引力定律,经大量计算而发现的
D.冥王星是英国剑桥大学的学生亚当斯和勒维耶合作研究后共同发现的
答案:B
课堂练习
答案:D
课堂练习
4.若地球绕太阳公转周期及公转轨道半径分别为T和R,月球绕地球公转周期和公转轨道半径分别为t和r,则太阳质量与地球质量之比为( )
答案:A
课堂练习
5.据报道,最近在太阳系外发现了首颗“宜居”行星,其质量约为地球质量的6.4倍,一个在地球表面重量为600 N 的人在这个行星表面的重量将变为960 N.由此可推知,该行星的半径与地球半径的比值为( )
A.0.5 B.2 C.3.2 D.4
答案:B
课堂练习
6.一物体从某行星表面某高度处自由下落。从物体开始下落计时,得到物体离行星表面高度h随时间t变化的图像如图所示,不计阻力。则根据h-t图像可以计算出( )
A.行星的质量 B.行星的半径
C.行星表面重力加速度的大小 D.物体受到行星引力的大小
答案:C
课堂练习
7.科学家们推测,太阳系的第十颗行星就在地球的轨道上,从地球上看,它永远在太阳的背面,人类一直未能发现它,可以说是“隐居”着的地球的“孪生兄弟”。由以上信息我们可能推知( )
A.这颗行星的公转周期与地球相等 B.这颗行星的自转周期与地球相等
C.这颗行星质量等于地球的质量 D.这颗行星的密度等于地球的密度
答案:A
课堂练习
8.进入21世纪,我国启动了探月计划——“嫦娥工程”。同学们也对月球有了更多的关注。
(1)若已知地球半径为R,地球表面的重力加速度为g,月球绕地球运动的周期为T,月球绕地球的运动近似看作匀速圆周运动,试求出月球绕地球运动的轨道半径;
(2)若宇航员随登月飞船登陆月球后,在月球表面某处以速度v0竖直向上抛出一个小球,经过时间t,小球落回抛出点。已知月球半径为r,万有引力常量为G,试求出月球的质量M月。
答案:
课
堂
总
结
夯实基础
把握重点
突破难点
进阶跃升
秤量计算天体的质量、密度
中心天体
天体运动相关分析
万有引力提供重力
万有引力提供向心力
黄金代换式
发现未知天体
海王星、冥王星、阋神星
计算哈雷彗星的回归
课后作业
- - 及 时 巩 固
课后作业-1
若有一星球密度与地球密度相同,它表面的重力加速度是地球表面重力加速度的3倍,则该星球质量是地球质量的
A.27倍 B.3倍 C.0.5倍 D.9倍
课后作业-2
在轨卫星碰撞产生的大量碎片会影响太空环境.假定有甲、乙两块碎片绕地球运动的轨道都是圆,甲的运行速率比乙的大,则下列说法中正确的是
A.甲的运行周期一定比乙的长
B.甲距地面的高度一定比乙的高
C.甲的向心力一定比乙的小
D.甲的向心加速度一定比乙的大
课后作业-3
(多选)(2019·西安高级中学期中)已知下列哪组数据,可以算出地球的质量M(引力常量G已知)
A.月球绕地球运动的周期T1及月球到地球中心的距离R1
B.地球绕太阳运行的周期T2及地球到太阳中心的距离R2
C.人造地球卫星在地面附近的运行速度v3和运行周期T3
D.地球绕太阳运行的速度v4及地球到太阳中心的距离R4
课后作业-4
我国高分系列卫星的高分辨对地观察能力不断提高.2018年5月9日发射的“高分五号”轨道高度约为705 km,之前已运行的“高分四号”轨道高度约为36 000 km,它们都绕地球做圆周运动.与“高分四号”相比,下列物理量中“高分五号”较小的是
A.周期 B.角速度
C.线速度 D.向心加速度
课后作业-5
假设在半径为R的某天体上发射一颗该天体的卫星,已知引力常量为G,忽略该天体自转.
(1)若卫星距该天体表面的高度为h,测得卫星在该处做圆周运动的周期为T1,则该天体的密度是多少?
(2)若卫星贴近该天体的表面做匀速圆周运动的周期为T2,则该天体的密度是多少?
谢谢观看!