物理人教版（2019）必修第二册7.3万有引力理论的成就 课件（共27张ppt）
文档属性
| 名称 | 物理人教版（2019）必修第二册7.3万有引力理论的成就 课件（共27张ppt） |  | |
| 格式 | pptx | ||
| 文件大小 | 11.7MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2024-04-17 07:07:25 | ||
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文档简介
(共27张PPT)
7.3 万有引力理论的成就一
水星，金星，地球，火星，木星，土星，天王星，海王星
复习回顾公式：
引力常数G ＝ 6.67×10－11 N·m2／kg2
1.面积定律
2.周期定律
3.万有引力定律
适用条件
①适用于两个质点间的相互作用。
②对两个质量分布均匀球体也适用。
地球表面的物体所受的重力的实质是物体所受万有引力的一个分力
2.不考虑地球自转的条件下，地球表面的物体
复习：G和万有引力的关系
3.地表考虑自转
两极点
赤道
4.g随纬度增大而增大，随高度增大而减小
R
L
M
m
R
R/2
M
m
L
情景一
情景二
情景三
r
r
重点：估算天体质量和密度方法
1.了解万有引力定律在天文学上的重要应用.
2.了解“称量地球质量”“计算太阳质量”的基本思路，会用万有引力定律估算天体的质量和密度.
3.理解运用万有引力定律处理天体运动问题的思路和方法.
学习目标
7.3 万有引力理论的成就
“给我一个支点，我可以撬动地球。”
——阿基米德
疑惑：地球质量约为6×1024kg，设杠杆支点距离地球1m，阿基米德在另一端能产生的作用力为600N，根据杠杆原理可知杠杆大约长1亿光年。阿基米德能做到吗？
一、“科学真迷人“——“称量地球的质量”
若不考虑地球自转的影响，地面上物体的重力就等于地球对物体的万有引力
卡文迪许——被称为能称出地球质量的人
地球的质量怎样称量呢
即
地球表面g=9.8m/s2，
地球半径R=6400km，
G=6.67×10-11N m2/kg2
.
科学真是迷人。根据零星的事实，增加一点猜想，竟能赢得那么多的收获！——马克·吐温
一、计算天体的质量
例1 在一个半径为R的星球表面，离地h处无初速释放一小球，不计阻力，小球落地时速度为v。已知引力常量G，求：
（1）这颗星球表面的重力加速度；
（2）这颗星球的质量；
（1）小球做自由落体运动，由自由落体运动规律
所以
（2）在星球表面，物体受到的重力就等于星球对它的万有引力
则
一、计算天体的质量
方法一：重力加速度法
思考：能不能测量太阳的质量呢？
太阳M
地球m
r
由太阳对地球的万有引力提供地球绕太阳运行的向心力
得
讨论：此时能不能求出地球的质量？
能不能用这个方法计算地球的质量呢？
M= 2×1030 kg
日地距离r=1.5×1011m,
G=6.67×10－11 N·m2/kg2
方法二：环绕法（T、r）
注意：环绕法只能求出中心天体的质量。
一、计算天体的质量
r
由地球对月球的万有引力提供月球绕地球运行的向心力
得
月球公转周期
月球与地球之间距离
地球质量
测量地球质量
的重要方法之一
其他中心天体质量也可用该方法求出
神舟五号飞船轨道半径6700km.环绕地球绕一圈所花时间为90min.
一、计算天体的质量
一、计算天体的质量
物理模型：环绕天体m绕中心天体M做匀速圆周运动
方法二：环绕法（T、r）
中心天体
环绕天体
区分：轨道半径和天体半径
注意：此方法只能求解中心天体的质量，不能求解环绕天体的质量。
已知卫星的轨道r和环绕T；
已知卫星的轨道半径r和环绕速度v
已知卫星的轨道半径r和环绕角速度ω
天体质量的计算方法
方法总结
一、计算天体的质量
（1）环绕法只能求出中心天体的质量M，不能求出环绕天体的质量m。
特别说明：
（2）地球的公转周期（365天）、地球自转周期（1天）、月球绕地球的公转周期
（27.3天）等，在估算天体质量时，常作为已知条件。
（4）有些题目中，引力常量G不是已知条件，但已知地球表面重力加速度g和地球半径R
地球质量M等（地球质量M有时也不告诉），处理方法：
假设有一质量为m’的物体在地球表面（忽略地球自转，G=F引）
GM=gR2 （地球质量未知，利用黄金代换式整体代换）
（地球质量已知）
（3)要注意R、r的区分:R指中心天体的半径,r指环绕天体(行星或卫星)的轨道半径。
练1、登月密封舱在离月球表面h处的空中沿圆形轨道运行，周期是T，已知月球的半径是R，万有引力常数是G，据此试计算月球的质量。
一、计算天体的质量
r
其他测月球质量的方法？
思考
即
宇航员在月球上用弹簧秤测出质量为m的物体重力为F，已知月球半径为R，怎样利用这个条件估测月球的质量？
二、计算天体的密度
1.利用天体表面的重力加速度求天体的自身密度。
2.利用环绕天体来求中心天体的密度
若卫星近地飞行，则r≈R，得：
重力加速度法
环绕法
近地卫星
已知天体(如地球)的半径R和天体(如地球)表面的重力加速度g
已知行星或卫星轨道半径r和中心天体半径R，周期T
例2．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
故选B
月球绕地球运行
可得地球的质量
由于不知地球的半径，无法求地球的密度．
B
一、天体的质量和密度的计算
三、解决天体运动的两条思路
1.利用天体表面物体：
2.利用天体的卫星：
F万=Fn
注意：只能计算中心天体的质量，不能求出卫星的质量
r=R
r=R+h
r
重力加速度法
环绕法
三、天体运动的分析与计算
例3.把太阳系各行星的运动近似看成匀速圆周运动，则离太阳越远的行星( )
A．周期越小
B．线速度越小
C．角速度越小
D．加速度越小
BCD
取两个近似
匀速圆周运动
只受中心天体的万有引力
高轨低速周期长
注意：环绕天体绕中心天体做匀速圆周运动时万有引力=向心力=(环绕天体运行轨道处的）重力
四、发现未知天体
到了18世纪，人们已经知道太阳系有7颗行星，其中1781年发现的第七颗行星 —— 天王星的运动轨道有些“古怪”：根据万有引力定律计算出来的轨道与实际观测的结果总有一些偏差。
天王星
疑问：是天文观测数据不准确？是万有引力定律的准确性有问题？还是天王星轨道外面还有一颗未发现的行星？
天王星
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相信未知行星的存在。他们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这颗“新”行星的轨道。1846 年 9 月 23 日晚，德国的伽勒在勒维耶预言的位置附近发现了这颗行星，人们称其为“笔尖下发现的行星”——海王星。
四、发现未知天体
(英)亚当斯 (法)勒维耶
点击图片播放视频
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列的方法预言另一颗行星的存在。
在预言提出之后，1930年3月14日，汤博发现了这颗行星——冥王星。
四、发现未知天体
诺贝尔物理学奖获得者物理学家冯·劳厄说：
“没有任何东西像牛顿引力理论对行星轨道的计算那样，如此有力地树立起人们对年轻的物理学的尊敬。从此以后，这门自然科学成了巨大的精神王国…… ”
英国天文学家哈雷通过计算发现1531年、1607年和1682年出现的三颗彗星的轨道如出一辙，他大胆预言这三次出现的彗星是同一颗星，周期约为 ，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 点，它最近一次回归是1986年，它的下次回归将在 年左右。
76年
2061年
近日
四 预言哈雷彗星回归
例4. (2019·潍坊一中期末)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？
(1)设卫星的质量为m，天体的质量为M.卫星距天体表面的高度为h时，忽略自转有
又
(2)
解析
区分：轨道半径和天体半径
课堂小结
二、天体运动的分析与计算
1.画好背景图，标注已知量
2.习惯字母运算
3.数据计算要手算
做题要求：
1.利用下列哪组数据可以计算出地球的质量 （ ）
A. 地球半径R和地球表面的重力加速度g
B. 卫星绕地球运动的轨道半径r和周期T
C. 卫星绕地球运动的轨道半径r和角速度ω
D. 卫星绕地球运动的线速度V和周期T
快速解题：
ABCD
A
B
D
练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( )
D
解析：
由
又
得：
由
得：
练3.(多选)2011年7月在摩洛哥坠落的陨石被证实来自火星，某同学想根据平时收集的部分火星资料(如图所示)计算出火星的密度，再与这颗陨石的密度进行比较。下列计算火星密度的式子中正确的是(引力常量G已知，忽略火星自转的影响)( )
ACD
1.画好背景图，标注已知量
2.习惯字母运
3.数据计算要手算
做题要求：
7.3 万有引力理论的成就一
水星，金星，地球，火星，木星，土星，天王星，海王星
复习回顾公式：
引力常数G ＝ 6.67×10－11 N·m2／kg2
1.面积定律
2.周期定律
3.万有引力定律
适用条件
①适用于两个质点间的相互作用。
②对两个质量分布均匀球体也适用。
地球表面的物体所受的重力的实质是物体所受万有引力的一个分力
2.不考虑地球自转的条件下，地球表面的物体
复习：G和万有引力的关系
3.地表考虑自转
两极点
赤道
4.g随纬度增大而增大，随高度增大而减小
R
L
M
m
R
R/2
M
m
L
情景一
情景二
情景三
r
r
重点：估算天体质量和密度方法
1.了解万有引力定律在天文学上的重要应用.
2.了解“称量地球质量”“计算太阳质量”的基本思路，会用万有引力定律估算天体的质量和密度.
3.理解运用万有引力定律处理天体运动问题的思路和方法.
学习目标
7.3 万有引力理论的成就
“给我一个支点，我可以撬动地球。”
——阿基米德
疑惑：地球质量约为6×1024kg，设杠杆支点距离地球1m，阿基米德在另一端能产生的作用力为600N，根据杠杆原理可知杠杆大约长1亿光年。阿基米德能做到吗？
一、“科学真迷人“——“称量地球的质量”
若不考虑地球自转的影响，地面上物体的重力就等于地球对物体的万有引力
卡文迪许——被称为能称出地球质量的人
地球的质量怎样称量呢
即
地球表面g=9.8m/s2，
地球半径R=6400km，
G=6.67×10-11N m2/kg2
.
科学真是迷人。根据零星的事实，增加一点猜想，竟能赢得那么多的收获！——马克·吐温
一、计算天体的质量
例1 在一个半径为R的星球表面，离地h处无初速释放一小球，不计阻力，小球落地时速度为v。已知引力常量G，求：
（1）这颗星球表面的重力加速度；
（2）这颗星球的质量；
（1）小球做自由落体运动，由自由落体运动规律
所以
（2）在星球表面，物体受到的重力就等于星球对它的万有引力
则
一、计算天体的质量
方法一：重力加速度法
思考：能不能测量太阳的质量呢？
太阳M
地球m
r
由太阳对地球的万有引力提供地球绕太阳运行的向心力
得
讨论：此时能不能求出地球的质量？
能不能用这个方法计算地球的质量呢？
M= 2×1030 kg
日地距离r=1.5×1011m,
G=6.67×10－11 N·m2/kg2
方法二：环绕法（T、r）
注意：环绕法只能求出中心天体的质量。
一、计算天体的质量
r
由地球对月球的万有引力提供月球绕地球运行的向心力
得
月球公转周期
月球与地球之间距离
地球质量
测量地球质量
的重要方法之一
其他中心天体质量也可用该方法求出
神舟五号飞船轨道半径6700km.环绕地球绕一圈所花时间为90min.
一、计算天体的质量
一、计算天体的质量
物理模型：环绕天体m绕中心天体M做匀速圆周运动
方法二：环绕法（T、r）
中心天体
环绕天体
区分：轨道半径和天体半径
注意：此方法只能求解中心天体的质量，不能求解环绕天体的质量。
已知卫星的轨道r和环绕T；
已知卫星的轨道半径r和环绕速度v
已知卫星的轨道半径r和环绕角速度ω
天体质量的计算方法
方法总结
一、计算天体的质量
（1）环绕法只能求出中心天体的质量M，不能求出环绕天体的质量m。
特别说明：
（2）地球的公转周期（365天）、地球自转周期（1天）、月球绕地球的公转周期
（27.3天）等，在估算天体质量时，常作为已知条件。
（4）有些题目中，引力常量G不是已知条件，但已知地球表面重力加速度g和地球半径R
地球质量M等（地球质量M有时也不告诉），处理方法：
假设有一质量为m’的物体在地球表面（忽略地球自转，G=F引）
GM=gR2 （地球质量未知，利用黄金代换式整体代换）
（地球质量已知）
（3)要注意R、r的区分:R指中心天体的半径,r指环绕天体(行星或卫星)的轨道半径。
练1、登月密封舱在离月球表面h处的空中沿圆形轨道运行，周期是T，已知月球的半径是R，万有引力常数是G，据此试计算月球的质量。
一、计算天体的质量
r
其他测月球质量的方法？
思考
即
宇航员在月球上用弹簧秤测出质量为m的物体重力为F，已知月球半径为R，怎样利用这个条件估测月球的质量？
二、计算天体的密度
1.利用天体表面的重力加速度求天体的自身密度。
2.利用环绕天体来求中心天体的密度
若卫星近地飞行，则r≈R，得：
重力加速度法
环绕法
近地卫星
已知天体(如地球)的半径R和天体(如地球)表面的重力加速度g
已知行星或卫星轨道半径r和中心天体半径R，周期T
例2．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
故选B
月球绕地球运行
可得地球的质量
由于不知地球的半径，无法求地球的密度．
B
一、天体的质量和密度的计算
三、解决天体运动的两条思路
1.利用天体表面物体：
2.利用天体的卫星：
F万=Fn
注意：只能计算中心天体的质量，不能求出卫星的质量
r=R
r=R+h
r
重力加速度法
环绕法
三、天体运动的分析与计算
例3.把太阳系各行星的运动近似看成匀速圆周运动，则离太阳越远的行星( )
A．周期越小
B．线速度越小
C．角速度越小
D．加速度越小
BCD
取两个近似
匀速圆周运动
只受中心天体的万有引力
高轨低速周期长
注意：环绕天体绕中心天体做匀速圆周运动时万有引力=向心力=(环绕天体运行轨道处的）重力
四、发现未知天体
到了18世纪，人们已经知道太阳系有7颗行星，其中1781年发现的第七颗行星 —— 天王星的运动轨道有些“古怪”：根据万有引力定律计算出来的轨道与实际观测的结果总有一些偏差。
天王星
疑问：是天文观测数据不准确？是万有引力定律的准确性有问题？还是天王星轨道外面还有一颗未发现的行星？
天王星
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相信未知行星的存在。他们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这颗“新”行星的轨道。1846 年 9 月 23 日晚，德国的伽勒在勒维耶预言的位置附近发现了这颗行星，人们称其为“笔尖下发现的行星”——海王星。
四、发现未知天体
(英)亚当斯 (法)勒维耶
点击图片播放视频
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列的方法预言另一颗行星的存在。
在预言提出之后，1930年3月14日，汤博发现了这颗行星——冥王星。
四、发现未知天体
诺贝尔物理学奖获得者物理学家冯·劳厄说：
“没有任何东西像牛顿引力理论对行星轨道的计算那样，如此有力地树立起人们对年轻的物理学的尊敬。从此以后，这门自然科学成了巨大的精神王国…… ”
英国天文学家哈雷通过计算发现1531年、1607年和1682年出现的三颗彗星的轨道如出一辙，他大胆预言这三次出现的彗星是同一颗星，周期约为 ，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 点，它最近一次回归是1986年，它的下次回归将在 年左右。
76年
2061年
近日
四 预言哈雷彗星回归
例4. (2019·潍坊一中期末)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？
(1)设卫星的质量为m，天体的质量为M.卫星距天体表面的高度为h时，忽略自转有
又
(2)
解析
区分：轨道半径和天体半径
课堂小结
二、天体运动的分析与计算
1.画好背景图，标注已知量
2.习惯字母运算
3.数据计算要手算
做题要求：
1.利用下列哪组数据可以计算出地球的质量 （ ）
A. 地球半径R和地球表面的重力加速度g
B. 卫星绕地球运动的轨道半径r和周期T
C. 卫星绕地球运动的轨道半径r和角速度ω
D. 卫星绕地球运动的线速度V和周期T
快速解题：
ABCD
A
B
D
练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( )
D
解析：
由
又
得：
由
得：
练3.(多选)2011年7月在摩洛哥坠落的陨石被证实来自火星，某同学想根据平时收集的部分火星资料(如图所示)计算出火星的密度，再与这颗陨石的密度进行比较。下列计算火星密度的式子中正确的是(引力常量G已知，忽略火星自转的影响)( )
ACD
1.画好背景图，标注已知量
2.习惯字母运
3.数据计算要手算
做题要求：