第01節(jié)萬有引力定律

1、第三章 萬有引力定律及其應(yīng)用,萬有引力定律是17世紀(jì)自然科學(xué)的最偉大發(fā)現(xiàn)之一。 在這一章，我將帶領(lǐng)大家穿越時空隧道沿著物理學(xué)家們的足跡，以科學(xué)的探究方式去發(fā)現(xiàn)萬有引力定律，然后用其作為理論指導(dǎo)，對未知的宇宙進(jìn)行探索。,第一節(jié) 萬有引力定律,球山中學(xué) 2018.3.18,地球上為什么有晝夜的交替?,為什么有春、夏、秋、冬季四節(jié)的輪回?,為了解決這些問題，人類對天體的運(yùn)動進(jìn)行研究。,第一節(jié) 萬有引力定律,在公年前4世紀(jì)，古希臘亞里士多德認(rèn)為：地球是宇宙的中心，靜止不動，其它天體則以地球?yàn)橹行?，在不停地繞其運(yùn)動。,1.地心說：托勒密(90-168),公元二世紀(jì)，古希臘天文學(xué)家托勒密發(fā)展完善了“地心說

2、”，描繪了一個復(fù)雜的天體運(yùn)動圖象。天文學(xué)大成,一.天體究竟做怎樣的運(yùn)動,托勒密的“地心說”行星運(yùn)行圖,一.天體究竟做怎樣的運(yùn)動,2.日心說：哥白尼(1473-1543)近代天文學(xué)的奠基人,到了16世紀(jì)波蘭天文學(xué)家哥白尼認(rèn)為：太陽不動，處于宇宙的中心，地球和其它行星繞太陽轉(zhuǎn)，“日心說”。天體運(yùn)行論,一.天體究竟做怎樣的運(yùn)動,支持這一學(xué)說的還有：伽利略、開普勒、布魯諾。,一.天體究竟做怎樣的運(yùn)動,哥白尼的“日心說”行星運(yùn)行圖,“日心說”認(rèn)為，太陽不動，處于宇宙的中心，地球和其它行星公轉(zhuǎn)還同時自轉(zhuǎn)。 “日心說”打破了過去認(rèn)為其它天體和地球截然有別的界限，是一項(xiàng)真正的科學(xué)革命。,一.天體究竟做怎樣的運(yùn)

3、動,“日心說”所以能夠戰(zhàn)勝“地心說”，是因?yàn)楹枚唷暗匦恼f”不能解析的現(xiàn)象 “日心說” 則能說明； 也就是說，“日心說”比“地心說”更科學(xué)，更接近事實(shí)。,例如：若地球不動，晝夜交替是太陽繞地球運(yùn)動形成的。那么，每天的情況就應(yīng)相同的，而事實(shí)上，每天白天的長短不同，冷暖不同。而 “日心說”則能說明這種情況：白晝是地球自轉(zhuǎn)形成的，而四季是地球繞太陽公轉(zhuǎn)形成的。,一.天體究竟做怎樣的運(yùn)動,無論是“地心說”還是“日心說”所描繪出行星運(yùn)動的軌跡有什么共同特點(diǎn)，運(yùn)動性質(zhì)如何？,完美的勻速圓周運(yùn)動（建立研究模型）,真的是哪么完美的勻速圓周運(yùn)動嗎？,第 谷（丹麥）,開普勒（德國）,一.天體究竟做怎樣的運(yùn)動,3.開

4、普勒行星運(yùn)動規(guī)律,、開普勒第一定律(橢圓軌道定律),3.開普勒三大行星運(yùn)動定律,開普勒,所有的行星圍繞太陽運(yùn)動的軌道都是橢圓，太陽位于橢圓的一個焦點(diǎn)上。,注： 1、不同行星橢圓軌道不同。 2、多數(shù)大行星的軌道十分接近圓。,一.天體究竟做怎樣的運(yùn)動,每一個行星和太陽的連線在相等的時間內(nèi)掃過相同的面積。,開普勒第二定律(面積定律),問：在近日點(diǎn)的速度快？還是遠(yuǎn)日點(diǎn)的速度快？,一.天體究竟做怎樣的運(yùn)動,用公式表示為： SAB=SCD=SEK,由此可見：行星在遠(yuǎn)日點(diǎn)a的速率最小，在近日點(diǎn)b的速率最大。,行星繞太陽公轉(zhuǎn)周期的平方和軌道的半長軸的立方成正比。,（3）開普勒第三定律(周期定律),比值k與行星

5、無關(guān),與中心天體有關(guān)，不同的中心天體k 一般不同。,一.天體究竟做怎樣的運(yùn)動,什么原因使這些行星在各自的軌道上運(yùn)動？,二.萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)提出問題,二.萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)猜想假設(shè),二.萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)邏輯推理,為什么蘋果不飛上天而要落在地上呢？ 蘋果受到地球?qū)λ牧Φ淖饔?。（生活中不明白的事情啟發(fā)了思考）.,如果蘋果樹長得很高，蘋果是否也會落下？ 應(yīng)該會落下，一個物體拋得再高都會落下。（這是思維的延續(xù)：說明蘋果下落與高度無關(guān)）,如果蘋果樹長成與月亮一樣高，蘋果是否也會落到地球上？ 既然蘋果下落與高度無關(guān)，理應(yīng)如此。（這是他思維的一個飛躍，對前一認(rèn)識的逐步深入）,月亮掛在天邊，不是很像一個大

6、蘋果嗎？為什么它不落到地球上呢？ （思路暫時中斷，但是將月亮與蘋果類比起來）,二.萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)邏輯推理,牛頓又想到，在山頂水平拋出一蘋果，蘋果由于受到地面的引力作用，所以以曲線軌道落到地面上。拋出的速度越大，蘋果落得越遠(yuǎn)。（通過生活中的實(shí)例，發(fā)現(xiàn)這兩件事間的某種相似）,如果蘋果拋出的速度非常大，它就會飛出地球，繞地球轉(zhuǎn)動，甚至永遠(yuǎn)不會落到地面上。（思維的再一次飛躍，這一飛躍是靠理性和數(shù)學(xué)思維得以實(shí)現(xiàn)的）,這樣繞地球轉(zhuǎn)動的蘋果多像月球啊?？梢娞O果與月亮均受到地球?qū)λ鼈円ψ饔茫ǖ厣虾吞焐系摹傲Α甭?lián)系起來了），但由于它們在做圓周運(yùn)動，離心傾向使它們不會落到地面上。,牛頓由月亮又想到了圍繞太陽

7、轉(zhuǎn)動的行星，他們的原理和月亮繞地球一樣，他們之間都有一種相互吸引的力。他得出了一個結(jié)論：這種引力存在于任何兩個物體之間。至此牛頓基本形成了萬有引力的思想。,二.萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)數(shù)學(xué)運(yùn)算、實(shí)踐檢驗(yàn),牛頓在前人研究的基礎(chǔ)上，憑借他超凡的數(shù)學(xué)能力推理運(yùn)算和實(shí)踐檢驗(yàn)，1687年發(fā)表了萬有引力定律。,【說明】萬有引力定律發(fā)現(xiàn)的重要意義：,萬有引力定律是17世紀(jì)自然科學(xué)的最偉大發(fā)現(xiàn)之一，它為研究天體運(yùn)動提供了理論依據(jù)，使人類對宇宙的探索從被動描述變成主動的發(fā)現(xiàn)。,1.定義：宇宙間的一切物體都是相互吸引的。兩個物體間引力的方向在它們的連線上，引力的大小跟它們的質(zhì)量的乘積成正比，跟它們之間的距離的二次方成反

8、比。,2.公式：,二.萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)得出結(jié)論,萬有引力定律（牛頓）,卡文迪許用扭稱實(shí)驗(yàn)測定,兩個物體的質(zhì)量，單位：kg,質(zhì)點(diǎn)間的距離（球心距），單位：m,方向：兩物體之間的連線上,3.適用性：,萬有引力，單位：N,4.性質(zhì)：普遍性 相互性 宏觀性 特殊性 適用性,萬有引力公式僅適用于可視為質(zhì)點(diǎn)的物體或質(zhì)量分布均勻的球體 。,普遍性：任何客觀存在的有質(zhì)量的物體之間都存在著這種吸引力。,相互性：兩個物體相互作用的引力是一對作用力與反作用力，它們等大反向，分別作用于兩個物體上。,宏觀性：對質(zhì)量巨大的天體間才現(xiàn)實(shí)的意義；分析地球表面物體受力時不需考慮。,特殊性：兩個物體間的萬有引力只與它們本身質(zhì)量

9、有關(guān)；與它們間的距離有關(guān)。而與空間的性質(zhì)無關(guān)，也與周期及其他物體無關(guān)。,三.萬有引力定律,適用條件：適用于可視為質(zhì)點(diǎn)的物體或質(zhì)量分布均勻的球體。,幾種引力的比較,一粒芝麻重的幾千分之一!,歸納萬有引力定律發(fā)現(xiàn)的科學(xué)探究方法：,二.萬有引力定律的發(fā)現(xiàn),猜想假設(shè),邏輯推理,課堂小結(jié),一.天體究竟做怎樣的運(yùn)動,1. 地心說（托勒密）與日心說（哥白尼）,軌道定律 面積定律 周期定律,二. 萬有引力定律（牛頓）：,（G 6.671011 Nm2kg2）,適用條件：兩個質(zhì)點(diǎn) 兩個質(zhì)量分布均勻球體,2. 行星運(yùn)動三大定律（開普勒）,第一節(jié) 萬有引力定律,例題：如圖示，兩球間的距離為r，兩球的質(zhì)量分布均勻，分

10、別為m1,m2 則兩球間的萬有引力大小為多少？,分析：兩球質(zhì)量分布均勻，可認(rèn)為質(zhì)量集中于球心，由萬有引力公式知兩球間 萬有引力為：,1. 如果有一天萬有引力突然消失，世界將發(fā)生什么變化？對你的生活將產(chǎn)生什么影響？,2. 萬有引力定律指出，如何兩個物體都存在著引力，為什么當(dāng)兩個人靠近時并沒有吸引到一起，請估算一下你和同位同學(xué)之間的引力有多大？,粗略的計(jì)算一下兩個質(zhì)量為50kg，相距0.5m的人之間的引力？,一粒芝麻重的幾千分之一!,1.設(shè)行星繞恒星的運(yùn)動軌道是圓，則其運(yùn)行周期T的平方與其運(yùn)行軌道半徑R的三次方之比為常數(shù)，即T2 / R3= K。那么K的大?。? ) A. 只與行星的質(zhì)量有關(guān) B. 只與恒星的質(zhì)量有關(guān) C. 與恒星和行星的質(zhì)量都有關(guān) D. 與恒星的質(zhì)量及行星的速率有關(guān),課堂練習(xí),B,2. 要使兩物體間的萬有引力減小到原來的1/4，下列辦法可采用的是（ ） A. 使兩個物體質(zhì)量各減小一半，距離不變 B. 使其中一個物體的質(zhì)量減小到原來的1/4，距離不變 C. 使兩物體的距離增為原來的2倍，質(zhì)量不變 D. 距離和兩物體質(zhì)量都減小為原來的1/4,課堂練習(xí),ABC,3. 地球的半徑為R，地球表面處物體所受的重力