第七章 第3节 万有引力理论的成就 课件(共49张PPT)

(共49张PPT)
第3节　万有引力理论的成就
核心素养导学
物理观念 (1)理解“称量”地球质量的基本思路。
(2)理解计算太阳质量的基本思路。
科学思维 (1)理解万有引力定律在天文学上的重要应用——发现未知天体、预言哈雷彗星的回归。
(2)能将天体问题中的对象和过程转换成相关模型后进行求解。
科学态度与责任 认识万有引力定律的科学成就，体会科学的迷人魅力，有探索太空、了解太空的兴趣。
卡文迪什测出引力常量G，也就意味着称出了地球的质量。　　
引力
三、发现未知天体　预言哈雷彗星回归
1．海王星的发现
英国剑桥大学的学生 和法国年轻的天文学家 ，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日晚，德国的 在勒维耶预言的位置附近发现了这颗行星——海王星。
向心力
亚当斯
勒维耶
伽勒
2．预言哈雷彗星回归
英国天文学家 ，依据万有引力定律计算彗星轨道，准确预言了彗星的回归时间。
3．意义： 的发现和 的“按时回归”确立了万有引力定律的地位。
1.如图是我们测量物体质量的常用工具，地球这么大，我们如何“称量”地球的质量呢？卡文迪什在实验室测出了引力常量G的值，他称自己是“可以称量地球质量的人”。他“称量”的依据是什么？
哈雷
海王星
哈雷彗星
2. 2020年10月14日，火星、地球和太阳处于三点一线，上演
“火星冲日”的天象奇观。火星与地球之间的距离只有
6 206万千米，为人类研究火星提供了很好的时机。“火
星冲日”的虚拟图如图所示，请思考：
(1)该时刻火星和地球谁的速度大呢？
(2)再经过一年时间，火星是否又回到了原位置？
提示：(1)地球的速度大。
(2)火星还没有回到原位置。
(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：
[典例体验]
[典例]　半径为R的某天体的一颗卫星距该天体表面的高度为h，测得卫星在该高度做圆周运动的周期为T，已知引力常量为G，求该天体的质量和密度。
[拓展]　在[典例]中，假设在该天体上发射一颗贴近该天体的表面做匀速圆周运动的卫星，它的周期为T0 。求该天体的质量和密度。
/易错警示/
计算天体质量和密度时应注意以下两点
(1)根据行星的轨道半径r和运行周期T，求出的是中心天体的质量，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，这样就可以避免代错数据；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。　　
[针对训练]
1．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
2．(2021·广东江门高一月考)取引力常量G＝6.67×10－11 N·m2/kg2，重力加速度g取10 m/s2，地球半径R＝6.4×106 m，则可知地球质量的数量级是 (　　)
A．1018 kg B．1020 kg
C．1022 kg D．1024 kg
3．我国500 m口径射电望远镜(天眼)发现毫秒脉冲星“J0318＋0253”，其自转周期T＝5.19 ms。假设该星体为质量均匀分布的球体，已知引力常量为6.67×10－11 N·m2/kg2。以周期T稳定自转的该星体的密度最小值约为 (　　)
A．5×109 kg/m3 B．5×1012 kg/m3
C．5×1015 kg/m3 D．5×1018 kg/m3
[系统归纳]
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作匀速圆周运动，所需要的向心力都由中心天体对它的万有引力提供。
2．四个重要结论
续表
新知学习(二)|天体运动的分析与计算
[典例体验]
[典例]　(2019·全国卷Ⅲ)金星、地球和火星绕太阳的公转均可视为匀速圆周运动，它们的向心加速度大小分别为a金、a地、a火，它们沿轨道运行的速率分别为v金、v地、v火。已知它们的轨道半径R金A．a金>a地>a火　　　　 B．a火>a地>a金
C．v地>v火>v金 D．v火>v地>v金
[针对训练]
1．(2019·天津高考)2018年12月8日，肩负着亿万中华儿女探月飞天梦想的嫦娥四号探测器成功发射，“实现人类航天器首次在月球背面巡视探测，率先在月背刻上了中国足迹”。已知月球的质量为M、半径为R，探测器的质量为m，引力常量为G，嫦娥四号探测器围绕月球做半径为r的匀速圆周运动时，探测器的 (　　)
[内化模型]
双星模型 三星模型
情景图
运动 特点 转动方向、周期、角速度相同，运动半径一般不等 转动方向、周期、角速度、线速度大小均相同，圆周运动半径相等
续表
新知学习(三)|宇宙双星和三星模型
[典例体验]
模型1　双星模型
[典例1]　银河系中某双星系统由星体A、B构成，两星体在万有引力的作用下绕两者连线上某一点做匀速圆周运动，已知星体A、B的质量分别为mA、mB，且mA＜mB，则下列说法正确的是 (　　)
A．两星体做圆周运动的周期相等
B．两星体做圆周运动的向心加速度大小相等
C．A的轨道半径小于B的轨道半径
D．B受到的万有引力大小大于A受到的万有引力大小
模型2　三星模型
[典例2]　宇宙中存在一些离其他恒星较远的、由质量相等的三颗星组成的三星系统，通常可忽略其他星体对它们的引力作用，已观测到的稳定的三星系统存在两种基本的构成形式：一种形式是三颗星位于同一直线上，两颗星围绕中央星在同一半径为R的圆轨道上运动；另一种形式是三颗星位于等边三角形的三个顶点上，并沿外接于等边三角形的圆形轨道运行，设每个星体的质量均为m。
(1)试求第一种形式下，星体运动的线速度和周期；
(2)假设两种形式下星体的运动周期相同，则第二种形式下星体之间的距离应为多少？
一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养
?科学思维——天体质量的计算
1．(选自教科版新教材“自我评价”)(多选)已知引力常量G和下列某组数据，就能计算出地球的质量。这组数据是 (　　)
A．地球绕太阳运行的周期及地球与太阳之间的距离
B．月球绕地球运行的周期及月球与地球之间的距离
C．人造地球卫星在地面附近绕行的速度及运行周期
D．若不考虑地球自转，已知地球的半径及重力加速度
?科学态度与责任——冥王星从太阳系行星中被除名
2．(选自粤教版新教材“资料活页”)海王星通过推算被成功预测之
后，科学家们继续采用计算、预测和观察结合的方法寻找新的天
体。由于技术的进步，人们用照相代替了肉眼的直接观察。1930
年2月18日，美国天文学家汤博(C.Tombaugh，1906－1997)用计
算、预测、观察和照相结合的方法，发现了冥王星(如图所示)。当时错估了冥王星的质量，以为冥王星与地球质量相当，所以命名为大行星。此后一段时间内，太阳系有九大行星(水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星和冥王星)的说法也被写进了教科书。
然而，经过近三十年的进一步观测，科学家们发现冥王星的直径只有地球直径的五分之一，比月球还要小。它还能被称为行星吗？九大行星的传统观念开始动摇，2005年7月，阋神星(Eris)的发现被公布，它是七十多年来首次在太阳系内发现的比冥王星更大的天体，这是推动行星概念被重新定义的决定性发现。事情已经到了非解决不可的程度，因为如果冥王星都可以算作太阳系的行星之一，那么阋神星无疑更有资格。
2006年，国际天文学联合会订立了行星的新定义：一颗行星首先要是一个天体，它满足：
①环绕太阳运转。
②有足够大的质量来克服固体应力以达到流体静力平衡的(外形接近圆球)形状。
③能清除邻近轨道上的其他天体。
根据行星的新定义，冥王星不符合定义②，即它的质量不够大；而且它也不符合定义③，因为冥王星的轨道与海王星的轨道交叉，如果把冥王星当成行星的话，那么海王星就不是行星。因此，冥王星在被发现76年之后，国际天文学联合会决定将冥王星从大行星中除名，降级列入太阳系的矮行星。教科书中太阳系的行星数量从此被改写。
由此可见，科学理论具有相对性，而科学实践则是检验理论正确与否的唯一标准。
4．(2021·全国乙卷)科学家对银河系中心附近的恒星S2进行了
多年的持续观测，给出1994年到2002年间S2的位置如图所
示。科学家认为S2的运动轨迹是半长轴约为1 000 AU(太阳
到地球的距离为1 AU)的椭圆，银河系中心可能存在超大质
量黑洞。这项研究工作获得了2020年诺贝尔物理学奖。若认为S2所受的作用力主要为该大质量黑洞的引力，设太阳的质量为M，可以推测出该黑洞质量约为 (　　)
A．4×104M B．4×106M
C．4×108M D．4×1010M