物理万有引力复习市公开课一等奖百校联赛特等奖课件.pptx

万有引力与航天万有引力与航天复习复习第1页经典力学不足经典力学不足万有万有引力引力与航与航天天人类对行星规人类对行星规律认识律认识“地心说地心说“和和”日心说日心说”开普勒行星运动定律开普勒行星运动定律轨道定律轨道定律面积定律面积定律周期定律周期定律万有引力定万有引力定律律推理、发觉过程推理、发觉过程内容、公式、意义内容、公式、意义引力常数引力常数G测定及意义测定及意义万有引力成万有引力成就就称量地球质量称量地球质量计算中心天体质量计算中心天体质量发觉未知天体发觉未知天体宇宙航行宇宙航行宇宙速度宇宙速度人造卫星人造卫星地球同时卫星地球同时卫星宇宙航行成就宇宙航行成就宏观物体、低速运动、若引力场宏观物体、低速运动、若引力场本章知识结构本章知识结构第2页全部行星绕太阳运动轨道都是椭圆，太阳处于椭圆全部行星绕太阳运动轨道都是椭圆，太阳处于椭圆全部行星绕太阳运动轨道都是椭圆，太阳处于椭圆全部行星绕太阳运动轨道都是椭圆，太阳处于椭圆一个焦点上。一个焦点上。一个焦点上。一个焦点上。开普勒第一定律（轨道定律）开普勒第一定律（轨道定律）第3页FF此定律推论此定律推论开普勒第二定律（面积定律）（面积定律）对于每一个行星，太阳和行星连线在相等时间内对于每一个行星，太阳和行星连线在相等时间内扫过面积相等。扫过面积相等。离太阳近时速离太阳近时速度快，离太阳度快，离太阳远时速度慢。远时速度慢。第4页开普勒第三定律（周期定律）开普勒第三定律（周期定律）全部行星轨道半长轴三次方跟它公转周期二全部行星轨道半长轴三次方跟它公转周期二次方比值都相等。次方比值都相等。太阳太阳行星行星FaOa：半长轴：半长轴T：公转周期：公转周期K由中心天体决定由中心天体决定第5页二、万有引力定律二、万有引力定律内容：内容：自然界中任何两个物体都相互吸引，自然界中任何两个物体都相互吸引，引引 力大小与物体质量力大小与物体质量m1m2乘乘 积成正积成正 比，与它们之间距离比，与它们之间距离r二次方成反比二次方成反比公式表示：公式表示：lG是引力常量，适合用于任何两个物体；它在数值上等是引力常量，适合用于任何两个物体；它在数值上等于两个质量都是于两个质量都是1kg物体相距物体相距1m时相互作用力时相互作用力第6页适用条件：适用条件：万万有有引引力力定定律律只只适适合合用用于于质质点点间间引引力力大大小小计计算算当当两两物物体体间间距距离离远远远远大大于于每每个个物物体体尺尺寸寸时时，物物体体能能够够看看成质点，直接使用万有引力定律计算成质点，直接使用万有引力定律计算当当两两物物体体是是质质量量均均匀匀分分布布球球体体时时，它它们们间间引引力力也也可可直接用公式计算，但式中直接用公式计算，但式中r是指两球心间距离是指两球心间距离m1m2rhR1R2第7页引力常量测定引力常量测定卡文迪许卡文迪许扭秤扭秤试验试验两次放大及等效思想两次放大及等效思想：扭秤装置把微小力转变扭秤装置把微小力转变成力矩来反应（一次放成力矩来反应（一次放大），扭转角度（微小大），扭转角度（微小形变）经过光标移动来形变）经过光标移动来反应（二次放大），从反应（二次放大），从而确定物体间万有引力。而确定物体间万有引力。G=6.6710-11Nm2/kg2l引力常量测定使万有引力定律有了实际意义引力常量测定使万有引力定律有了实际意义l引力常数普适性成为万有引力定律正确性见证引力常数普适性成为万有引力定律正确性见证卡文迪许在卡文迪许在室外用望远室外用望远镜观察扭秤镜观察扭秤是自然界少数几个最主要物理常数之一是自然界少数几个最主要物理常数之一第8页静止在地球表面上物体：静止在地球表面上物体：G=FN因为随地球自转向心加速度因为随地球自转向心加速度很小，在地球表面物体，很小，在地球表面物体，F万万FN，则则F万万mg思索：伴随地球自转加紧思索：伴随地球自转加紧,地面上物体会不会飞起来地面上物体会不会飞起来?l在南北极在南北极F万万FN=0l在赤道在赤道F万FN=mT 242RT 242Ran=0.034m/s21.重力是万有引力一个分力，重力与万有引力不论大小还重力是万有引力一个分力，重力与万有引力不论大小还是方向都相差不多是方向都相差不多,不考虑地球自转不考虑地球自转,万有引力等于重力万有引力等于重力.2.伴随纬度而升高，重力加速度逐步增大伴随纬度而升高，重力加速度逐步增大万有引力与重力万有引力与重力FGF向向F万万GF万万GF向向rGMm/R2=mg结论：结论：第9页 A A公式中公式中G G为为引力常量，它是由引力常量，它是由试验测试验测得，得，而不是人而不是人为为要求要求 B B当当 r r 趋趋近于零近于零时时，万有引力，万有引力趋趋近于无近于无穷穷大大 C Cm m1 1与与m m2 2受到引力受到引力总总是大小相等，与是大小相等，与m m1 1、m m2 2 是否相等无关是否相等无关 D Dm m1 1与与m m2 2受到引力总是大小相等、方向相反受到引力总是大小相等、方向相反 ，是一对平衡力，是一对平衡力 1.对对于万有引力定律表示式于万有引力定律表示式下面说法中正确是（下面说法中正确是（）F=GAC第10页 2.关于万有引力，以下说法中正确得是（关于万有引力，以下说法中正确得是（）A.万有引力只有在天体之间才表达出来万有引力只有在天体之间才表达出来B.一个苹果因为其质量很小，它受到地球万一个苹果因为其质量很小，它受到地球万 有引力几乎能够忽略有引力几乎能够忽略C.地球对人造卫星万有引力远大于卫星对地地球对人造卫星万有引力远大于卫星对地 球万有力球万有力D.地球表面大气层是因为万有引力约束而地球表面大气层是因为万有引力约束而 存在于地球表面附近存在于地球表面附近D第11页一、天体质量计算一、天体质量计算建立模型建立模型 行星近似做匀速圆周运动，万有引力提供向行星近似做匀速圆周运动，万有引力提供向心力心力 已知某行星绕太阳公转周期为已知某行星绕太阳公转周期为T，设公转轨道半径为，设公转轨道半径为r由此能够解出由此能够解出 m 22()rTp=GgRM2=第12页 2.月亮绕地球转动周期是月亮绕地球转动周期是T，轨道半径为，轨道半径为r，若地球半径为，若地球半径为R，则地球密度表示式，则地球密度表示式为为_.1.地球和物体之间万有引力能够认为约等地球和物体之间万有引力能够认为约等于物体重力，假如地球表面重力加速度为于物体重力，假如地球表面重力加速度为g，物体距地面高度约等于物体距地面高度约等于3倍地球半径时重力加倍地球半径时重力加速度为速度为g，则，则g:g=1/16课堂练习课堂练习第13页 3.已已知知某某行行星星绕绕太太阳阳运运动动轨轨道道半半径径为为r,公公转转周周期期为为T,万有引力常量为万有引力常量为G,则由此可求出则由此可求出 ()A、某行星质量、某行星质量 B、某行星线速度、某行星线速度C、太阳质量、太阳质量 D、太阳密度、太阳密度 4.4.已知引力常数已知引力常数G G和以下各组数据，能计算出地和以下各组数据，能计算出地 球球质量是质量是()()A.A.地球绕太阳运行周期及地球离太阳距离地球绕太阳运行周期及地球离太阳距离 B.B.月球绕地球运行周期及月球离地球距离月球绕地球运行周期及月球离地球距离 C.C.人造地球卫星在地面附近绕行速度及运行周期人造地球卫星在地面附近绕行速度及运行周期 D.D.人造地球卫星在地面附近绕行运行周期人造地球卫星在地面附近绕行运行周期BC BC第14页 5、据报道，最近有太阳系外发觉了、据报道，最近有太阳系外发觉了首颗首颗“宜居宜居”行星，其质量约为地球质行星，其质量约为地球质量量6.4倍，一个在地球表面重量为倍，一个在地球表面重量为600N人在这个行星表面重量将变为人在这个行星表面重量将变为960N。由。由此可推知，该行星半径与地球半径之比此可推知，该行星半径与地球半径之比约为（约为（）A0.5 B2 C3.2 D4 B 第15页l求中心天体质量解题思绪求中心天体质量解题思绪:万有引力提供向心力万有引力提供向心力重力近似等于万有引力重力近似等于万有引力l用测定围绕天体（如卫星）轨道和周期方用测定围绕天体（如卫星）轨道和周期方 法测量天体质量，不能测定围绕天体质法测量天体质量，不能测定围绕天体质 量，只能求量，只能求中心天体中心天体质量质量mg=m r 22()Tp=小结小结第16页 天天文文学学家家将将相相距距较较近近，仅仅在在彼彼此此引引力力作作用用下下运运行行两两颗颗恒恒星星称称为为双双星星。双双星星系系统统在在银银河河系系中中很很普普遍遍，利利用用双星系双星系统统中两中两颗颗恒星运恒星运动动特征可推算出它特征可推算出它们总质们总质量。量。已已知知某某双双星星系系统统中中两两颗颗恒恒星星围围绕绕它它们们连连线线上上某某一一固定点分固定点分别别做匀速做匀速圆圆周运周运动动，周期均周期均为为T,T,两两颗颗恒星之恒星之间间距距离离为为r,r,试试推算推算这这个双星系个双星系统统总质总质量。量。(引力常数引力常数为为G G)能力提升能力提升4p2 r3 GT2第17页发射速度发射速度v运动情况运动情况v7.9km/s7.9km/sv=7.9km/s=7.9km/s7.9km/s 7.9km/s v 11.2km/s11.2km/s11.2km/s11.2km/sv 16.7km/s 16.7km/s16.7km/s16.7km/s v第二宇宙速度第二宇宙速度(脱离）脱离）第一宇宙速度第一宇宙速度(围绕围绕)第三宇宙速度（逃逸）第三宇宙速度（逃逸）物体落回地面物体落回地面物体在地面附近绕地物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动球做匀速圆周运动物体绕地球运转，运物体绕地球运转，运动轨迹是椭圆。动轨迹是椭圆。物体绕太阳运动物体绕太阳运动物体飞出太阳系物体飞出太阳系一、宇宙速度一、宇宙速度第18页求第一宇宙速度思绪求第一宇宙速度思绪例、地球半径为例、地球半径为R，质量为，质量为M，地面附近重力加，地面附近重力加速度为速度为g，万有引力常量为，万有引力常量为G，则靠近地面运转，则靠近地面运转人造地球卫星围绕速度人造地球卫星围绕速度?建立模型：建立模型：卫星卫星绕地球做匀速圆周运动绕地球做匀速圆周运动基本思绪基本思绪2 2：重力提供向心力：重力提供向心力基本思绪基本思绪1:1:万有引力提供向心力万有引力提供向心力近地卫星在近地卫星在100-200km高度飞行，与高度飞行，与地球半径地球半径6400km相比相比完全能够说是完全能够说是在地面附近飞在地面附近飞行行第19页讨论讨论不一样天体第一宇宙速不一样天体第一宇宙速度相同吗？度相同吗？是由中心天体质量是由中心天体质量M、半径、半径R决定决定。例、已知地球是月球质量例、已知地球是月球质量81倍，地倍，地球半径为月球半径球半径为月球半径3.8倍，在地球表面上倍，在地球表面上发射卫星，最少需要发射卫星，最少需要7.9km/s速度，求在速度，求在月球上发射一颗围绕月球表面运行飞行月球上发射一颗围绕月球表面运行飞行物最少需要多大速度？物最少需要多大速度？=1.74km/s第20页问题问题1：卫星轨道圆心在哪儿：卫星轨道圆心在哪儿？二、人造地球卫星二、人造地球卫星全部卫星轨道圆心都在地心上全部卫星轨道圆心都在地心上按轨道分类按轨道分类:极地卫星极地卫星;赤道卫星赤道卫星;其它卫星其它卫星第21页地球地球 两颗人造地球卫星，都在圆形轨道上运行，两颗人造地球卫星，都在圆形轨道上运行，它们质量相等，轨道半径不一样它们质量相等，轨道半径不一样,比较它们向心比较它们向心加速度加速度an、线速度、线速度v v、角速度、角速度、周期、周期T。建立模型建立模型设地球质量为设地球质量为M，地球半径为地球半径为R，卫星距地面高为卫星距地面高为h，卫星质量为卫星质量为m，问题问题2：第22页hRvmhRMmG+=+22)()()(22hRmhRMmG+=+wmanhRMmG=+2)(anhRMG=+2)(an减小减小减小减小 减小减小T T增大增大增大增大v v减小减小减小减小 结论：结论：结论：结论：随随随随h h增大增大增大增大l 若两颗人造地球卫星质量不等相等，结论不变，若两颗人造地球卫星质量不等相等，结论不变，向心加速度向心加速度an、线速度线速度v v、角速度、角速度 、周期、周期T只由轨道半径只由轨道半径 r 决定，只是向心力不能确定决定，只是向心力不能确定l若卫星在若卫星在近地轨道上近地轨道上运行，则有运行，则有h=0（rR），），周期最小周期最小=7.9km/s 运行速度最大运行速度最大 l第一宇宙速度为在地面发第一宇宙速度为在地面发射卫星最小速度，也是围绕射卫星最小速度，也是围绕地球运行最大速度地球运行最大速度第23页 例、例、.10.15.9时，时，“神舟五号神舟五号”飞船成功发射，飞船成功发射，飞船在离地面高为飞船在离地面高为343km高空轨道上运行高空轨道上运行(近似匀速圆近似匀速圆周运动）十四圈后于周运动）十四圈后于10.16.6时时23分返回地面，期间进分返回地面，期间进行了多项科学试验。行了多项科学试验。(已知地球半径为已知地球半径为6400km，地球，地球表面重力加速度取表面重力加速度取10m/s2）则神舟五号在高空圆轨道）则神舟五号在高空圆轨道上匀速运行速度为多大？周期多少分钟？上匀速运行速度为多大？周期多少分钟？建立模型建立模型画草图画草图明确已知量明确已知量列方程求解列方程求解hRvmhRMmG+=+22)(V=2（R+h)/T T=90.6min T=2460（260+37）/14min=91.64min,第24页 若有一颗卫星相对地球静止，你能否形象若有一颗卫星相对地球静止，你能否形象描述它轨道？描述它轨道？问题问题3：卫星位于赤道正卫星位于赤道正上方上方某一高度某一高度轨道与赤道重合轨道与赤道重合第25页全部同时卫星都含有以下特点：全部同时卫星都含有以下特点：l只能分布在一个确定只能分布在一个确定赤道轨道赤道轨道上。上。l周期与地球自转周期相同周期与地球自转周期相同:T24h。角速度角速度与地球自转角速度相同。与地球自转角速度相同。离地面高度离地面高度:h=36000km。线速度线速度:v=3.1km/s。第26页第27页资资料料2比较赤道上某一点、近地卫星、同时卫星比较赤道上某一点、近地卫星、同时卫星T、v、a向向用学过知识解释上述结果。用学过知识解释上述结果。第28页问题问题4：怎样发射同时卫星？：怎样发射同时卫星？第29页 1、如图所表示，、如图所表示，a、b、c是在地球大气层外圆是在地球大气层外圆形轨道上运行三颗人造卫星，形轨道上运行三颗人造卫星，a和和b质量相同而小质量相同而小于于c质量，以下说法中正确是（质量，以下说法中正确是（）Ab、c线速度大小相等，且小于线速度大小相等，且小于a线速度线速度 Bb、c周期相等，且大于周期相等，且大于a周期周期Cb、c向心加速度大小相等，且大于向心加速度大小相等，且大于a向向 心加速度心加速度Db所需向心力最小所需向心力最小ABD第30页 2.通信卫星又叫同时卫星，下面关于同时卫星通信卫星又叫同时卫星，下面关于同时卫星说法中正确说法中正确 是是()A.全部地球同时卫星都位于地球赤道平面内全部地球同时卫星都位于地球赤道平面内B.全部地球同时卫星质量都相等全部地球同时卫星质量都相等C.全部地球同时卫星绕地球作匀速圆周运全部地球同时卫星绕地球作匀速圆周运 动动 角速度都相等角速度都相等D.全部地球同时卫星离地球高度都相等全部地球同时卫星离地球高度都相等 ACD 第31页 3、据报道，我国首颗数据中继卫星据报道，我国首颗数据中继卫星“天链天链一号一号01星星”，于，于.4.25在西昌卫星发射中心成功发射，在西昌卫星发射中心成功发射，经过四次变轨控制后，于经过四次变轨控制后，于5.1成功定点在东京成功定点在东京770赤道赤道上空同时轨道，关于成功定点上空同时轨道，关于成功定点“天链一号天链一号01星星”说法说法正确是（正确是（）A.运行速度大于运行速度大于7.9km/sB.离地面高度一定，相对地面静止离地面高度一定，相对地面静止C.绕地球运行角速度比月球运绕地球运行角速度比月球运 行角速度大行角速度大D.向心加速度比静止在赤道上向心加速度比静止在赤道上 物体向心加速度小物体向心加速度小 BC第32页 5、同时卫星轨道半径为同时卫星轨道半径为r，运行速率为，运行速率为v1，加速度为，加速度为a1；地球赤道上物体随地球自转向；地球赤道上物体随地球自转向心加速度为心加速度为a2；第一宇宙速度为；第一宇宙速度为v2；地球半径；地球半径为为R。则以下关系式正确是（。则以下关系式正确是（）A.B.C.D.AD第33页 6、(05北京北京)已知地球质量大约是月球质已知地球质量大约是月球质量量81倍，地球半径大约是月球半径倍，地球半径大约是月球半径4倍。不考虑倍。不考虑地球、月球自转影响，由以上数据可推算出地球、月球自转影响，由以上数据可推算出 （）地球平均密度与月球平均密度之比约为地球平均密度与月球平均密度之比约为9 8地球表面重力加速度与月球表面重力加速度之比地球表面重力加速度与月球表面重力加速度之比 约为约为9 4C靠近地球表面沿圆轨道运行航天器周期与靠近月球表靠近地球表面沿圆轨道运行航天器周期与靠近月球表面沿圆轨道运行航天器周期之比约为面沿圆轨道运行航天器周期之比约为 8 9D靠近地球表面沿圆轨道运行航天器线速度与靠近月球靠近地球表面沿圆轨道运行航天器线速度与靠近月球表面沿圆轨道运行航天器线速度之比约为表面沿圆轨道运行航天器线速度之比约为 81 4C第34页 8、发射地球同时卫星时，先将卫星发射至近地圆、发射地球同时卫星时，先将卫星发射至近地圆轨道轨道1，然后点火，使其沿椭圆轨道，然后点火，使其沿椭圆轨道2运行，最终再次点运行，最终再次点火。将卫星送入同时圆轨道火。将卫星送入同时圆轨道3。轨道。轨道1、2相切于相切于Q点，点，轨道轨道2、3相切于相切于P点（如图），则当卫星分别在点（如图），则当卫星分别在1，2，3 轨道上正常运行时，以下说法正确是（轨道上正常运行时，以下说法正确是（）A卫星在轨道卫星在轨道3上速率大于在轨道上速率大于在轨道1速率速率 B卫星在轨道卫星在轨道3上角速度小于在轨道上角速度小于在轨道1上角速度上角速度 C卫星在轨道卫星在轨道1上经过上经过Q点时加速度大于它在轨道点时加速度大于它在轨道 2上经过上经过Q点时加速度点时加速度 D卫星在轨道卫星在轨道2上经过上经过P点加点加 速度等于它在轨道速度等于它在轨道3上经过上经过P 点加速度点加速度BD第35页6 经典力学不足经典力学不足第36页经典力学适用范围经典力学适用范围低速运动低速运动阅读教材，回答阅读教材，回答为何说经典力学只适用低速运动？为何说经典力学只适用低速运动？怎样区分高速、低速？怎样区分高速、低速？物体靠近光速运动遵从规律称之为何理论？物体靠近光速运动遵从规律称之为何理论？牛顿时空观与爱因斯坦时空观比较？牛顿时空观与爱因斯坦时空观比较？第37页长度收缩与运动速度关系长度收缩与运动速度关系在当代高能物理研究惯用粒子在当代高能物理研究惯用粒子加速器中，粒子能够被加速到加速器中，粒子能够被加速到09998c高速，从表高速，从表6-2中还中还能够看出，这时从加速器中高能够看出，这时从加速器中高速运动粒子角度观察，原长速运动粒子角度观察，原长1m管道，沿它运动方向测量管道，沿它运动方向测量仅有约仅有约2cm了。了。高能加速器试验验证了高能加速器试验验证了相对论时空观正确性相对论时空观正确性第38页经典力学适用范围经典力学适用范围宏观世界宏观世界19世纪末和20世纪初，物理学研究深入到微观世界，发觉电子、质子等微观粒子既含有粒子性，又含有波动性，这不能用经典力学来解释。1924年，德国物理学家德布罗意大胆地提出，全部实物都含有波动性，人们把它称为物质波，也叫德布罗意波。20世纪代，量子力学理论可准确描述微观粒子运动规律，并在当代科学技术中发挥着主要作用。经典力学适用范围经典力学适用范围低速运动、宏观世界低速运动、宏观世界第39页阅读教材，回答阅读教材，回答什么事实说明经典力学只适合用于弱引力什么事实说明经典力学只适合用于弱引力？l水星轨道进动水星轨道进动对于宇宙中有一些天体，如白矮星密度对于宇宙中有一些天体，如白矮星密度10108 8 10101010 kg/mkg/m3 3 ，中子星密度，中子星密度10101616 10101919 kg/m kg/m3 3（太阳密度（太阳密度1.41.410103 3kg/mkg/m3 3，地球密度，地球密度5.55.510103 3kg/mkg/m3 3，月球密度，月球密度3.33.310103 3kg/mkg/m3 3）其表面引力比常见要强得多，牛顿引）其表面引力比常见要强得多，牛顿引力理论就不再适用了。力理论就不再适用了。20世纪初观察到太阳引力场引发光 线弯曲。因为太阳引力场作用，我们有可能看到太阳后面恒星.不过平时明亮天空使我们无法观星，所以最好时机是发生日全食时候。195月29日恰好有一次日全食，两支英国考查队分赴几内亚湾和巴西进行观察，其结果完全证实了爱因斯坦预言。这是广义相对论最早验证。第40页 相对论和量子力学都没有否定过相对论和量子力学都没有否定过去科学去科学当物体运动速度远小于光速当物体运动速度远小于光速c c时，相对论物理学时，相对论物理学与经典物理学结论没有区分与经典物理学结论没有区分当普朗克常量能够忽略时，量子力学与经典力当普朗克常量能够忽略时，量子力学与经典力学结论没有区分学结论没有区分 历史上科学成就不会被新科学成历史上科学成就不会被新科学成就所否定，而是作为一些条件之下局就所否定，而是作为一些条件之下局部情形，被包含在新科学成就之中。部情形，被包含在新科学成就之中。第41页