2020-2021学年高一下学期物理鲁科版必修2第五章第一节万有引力定律及引力常量的测定 课件24张PPT

第1节 万有引力定律及引力常量的测定
1、人类对太空的探索历程
西汉民间神话--嫦娥奔月：
1、人类对太空的探索历程
遂古之初，谁传道之？
上下未形，何由考之？
......
夜光何德，死则又育？
厥利维何，而顾菟在腹？
......
战国时期，屈原《天问》：
1、人类对太空的探索历程
托勒密、毕达哥拉斯、柏拉图和亚里士多德等，他们都认为，地球是宇宙的中心，其他所有的星球，都是以简单的圆形轨道围绕着地球而运转的。实际上，这些人的学说都是在直观感觉的基础上想像出来的。
古希腊-《地心说》：
托勒密《天文学之大成》：
1、人类对太空的探索历程
经过多年地认真观察、计算和思考，哥白尼伟大的著作《天体运行论》指出：
地球是围绕着太阳运转，而且连当时已知的其它五大行星，即水星、金星、火星、木星和土星，同样也是围绕着太阳，沿着圆形轨道运转的。只有月亮是例外，它是在绕着地球旋转。
16世纪-波兰人哥白尼：《日心说》
1、人类对太空的探索历程
1584年，意大利的哲学家布鲁诺：《日心说》
布鲁诺出版了他的名著《论无限、宇宙及世界》。他不仅明确表示赞同哥白尼的学说，而且还有所发展。
他认为，不仅太阳周围存在着一个行星系，众多的行星都在围着它运转，而且所有的恒星周围都有一个行星系，这些行星都在围着恒星而运转。不仅如此，布鲁诺还明确指出，宇宙中恒星和行星的数目是无限多的。
布鲁诺面对着强大的教会势力针锋相对，毫不畏惧，不幸的是，他最后受到教会的迫害，在罗马被活活烧死。临刑前，他义正词严地说：“你们把我烧死了，地球还照样在围着太阳转。”就这样，布鲁诺为了自己的信念而献身。他的死昭示着后人，科学的进步常常需要人们用宝贵的生命去换取。
1、人类对太空的探索历程
第谷·布拉赫（丹麦）的天文观测
1576年到1597年将近二十一年间，第谷进行了艰苦的肉眼观测，他把自己一生中最宝贵的时间贡献给了天文事业。为了得到高精度的观测数据，他从前人的观测工作做了大量分析，他认为观测误差来至于仪器，而仪器产生较大误差的主要原因则是小而笨重。于是，他着手改建天文观测仪器设备，使之大而轻巧。并且给出了每种仪器的误差范围和测量说明书。为了进一步提高观测的精确度，他仔细研究和确定了光线通过大气时所产生的折射量同时对测得数据做了一一校正，并把行星位置图表中的错误矫正过来。通过上述措施，使他对各个行星位置的观测误差下降到0.067度以下，这几乎已经达到肉眼观测所能达到的极限。因此，当时他被人们誉为“星学之王”。第谷通过日以继夜的长期观察，编制了777个星体的位置图表，积累了大量的恒星和行星的资料。
1、人类对太空的探索历程
伽利略的发现
伽利略发明了第一台倍率高的太空望远镜，从此科学获得研究星空的强有力的工具。
1607年1月7日，伽利略用自制的望远镜观测到了木星的四颗卫星，伽利略由此断言，地球正是这样带着自己的卫星——月亮绕太阳旋转的。
同年九月末的一个晚上，伽利略观察金星，看到的却是一只小小的“月牙”。伽利略很快就明白过来：行星既然同地球一样是被太阳照亮的，那么行星绕太阳转动时，在地球上看来也应该和月亮一样顺序地发生位相变化。
这一切天文新发现都是哥白尼日心体系的有力证据。这激起了伽利略的巨大激情，把自己的发现汇集成了《星空通报》。人们惊讶地争相传诵：“哥伦布发现新大陆，伽利略发现了新宇宙”。
2、开普勒三定律
在此阶段，正是由于第谷和伽利略的天文观测所遗留下来的高精度的观测数据，给接下来的开普勒提供了数据上的支持，立下了汗马功劳。
开普勒行星运动三定律才得以问世。
2、开普勒三定律
开普勒第一定律：所有行星绕太阳运动的轨迹都是椭圆，太阳位于椭圆的一个焦点上。
开普勒第二定律：太阳与任何一个行星的连线（矢径）在相等的时间内扫过的面积相等。
开普勒第三定律：行星绕太阳运行轨道半长轴r的立方与其公转周期T的平方成正比。
（轨迹定律）
（面积定律）
（比例定律）
开普勒被尊称为“天空的立法者”
2、开普勒三定律
认识偏心率e：椭圆两个焦点的距离与长轴的比值。
行星　 偏心率
水星 　 0.205627
金星　 0.006811
地球　 0.016675
火星　 0.093334
木星　 0.048912
土星　 0.055927
天王星　0.047154
海王星　0.09125
一起来画椭圆
偏心率越大，椭圆越扁平；
偏心率越小，椭圆越接近圆形，
偏心率为零，是一个标准圆。
八大行星的运行轨道偏心率都小于0.3，都可近似认为是圆形，行星的运动近似为匀速圆周运动。
3、万有引力定律
1、行星绕太阳做匀速圆周运动需要向心力，
由谁来提供呢？
思考三个问题：
2、这个力的大小与什么因素有关呢？
3、这种力与苹果落地受到的力是一样的力吗，为什么？
3、万有引力定律
1、行星绕太阳做匀速圆周运动需要向心力，
由谁来提供呢？
2、这个力的大小与什么因素有关呢？
（太阳对行星的引力提供向心力）
一起来推导：
开普勒第三定律：
向心力方程：
牛顿第三定律：
3、万有引力定律
3、这种力（天体之间的引力）与苹果落地受到的力是一样的力吗，为什么？
牛顿--地月检验：
假设引力与距离的平方成反比成立，则有：
地面上苹果受到地球的引力：
由圆周运动的知识，月球绕地球运动的加速度：
3、万有引力定律
1687年，牛顿在《自然哲学的数学原理》中正式提出了万有引力定律：
自然界中任何两个物体都是互相吸引的，引力的方向沿两个物体的连线，引力的大小F与这两个物体质量的乘积m1m2成正比，与这两个物体间距离r的平方成反比。
F
F
m1
m2
r
G为引力常量，G=6.67×10-11 m3/(kg·s2)
牛顿以开普勒的天体运动三定律和惠更斯的向心加速度公式为基础，得到了行星间引力与距离的平方成反比的关系。
3、万有引力定律
既然“万有引力”，那为什么我和你之间为什么没有被吸引呢？
一起来算一算：
m1=50kg，m2=75kg，r=0.5m
引力常量G=6.67×10-11 m3/(kg·s2)
F万=？
注意：当两个物体质量不够大时，相互的引力非
常小，以致我们难以观测到，常常忽略不计。
万有引力定律通常用于天体与天体之间，或天体与普通物体之间的引力计算。
F万=？
4、引力常量的测定及其意义
引力常量G也是牛顿测量出来的吗？
不是！
1798年，英国物理学家卡文迪许-----用扭秤实验测出了两个铅球之间的万有引力，计算出了引力常量的大小。
卡文迪许测出了当时精确度很高的引力常量G=6.75×10-11 m3/(kg·s2)
4、引力常量的测定及其意义
卡文迪许实验室作为英国剑桥大学物理科学院的一个系，从1904年至1989年的85年间一共产生了29位诺贝尔奖得主，占剑桥大学诺奖总数的三分之一。若将其视为一所大学，则其获奖人数可列全球第20位，与斯坦福大学并列 。其科研效率之惊人，成果之丰硕，举世无双。在鼎盛时期甚至获誉“全世界二分之一的物理学发现都来自卡文迪许实验室。”
想一想：卡文迪许扭秤实验，运用了哪些科学探究方法？
放大法
间接测量法
4、引力常量的测定及其意义
卡文迪许----引力常量的确定意义重大：
它使万有引力定律有了正真的实用价值，使万有引力定律能够广泛地应用于生产、生活实践。例如：知道G的值后，利用万有引力定律便可以计算出天体的质量，卡文迪许也因此被称为“能称出地球质量的人”。
课后算一算：月球绕地球运行的T=27.3d，月球与地球之间的球心平均距离为r=3.84×108m，求一求地球的质量是多少？
课堂小结：
万有引力定律及引力常量的测定
1.轨迹定律
2.面积定律
3.比例定律
1、人类对太空的探索历程
2、开普勒三定律
3、牛顿--万有引力定律
4、卡文迪许--引力常量的测定及其意义
神话传说----地心说----日心说（恒星系）
卡文迪许扭秤实验测量出引力常量G
（放大法、间接测量法）
谢 谢