萬有引力理論的成就(市公開課)(課堂PPT)

1、4 4萬有引力理論的成就萬有引力理論的成就寶泉嶺分局第三高中寶泉嶺分局第三高中 殷繼巍殷繼巍2 回顧所學(xué)內(nèi)容回顧所學(xué)內(nèi)容2mvFr2Fmr22()FmrT2MmFGr(1)物體做圓周運動的向心力公式是什么？分別寫出向心物體做圓周運動的向心力公式是什么？分別寫出向心力與線速度、角速度以及周期的關(guān)系式。力與線速度、角速度以及周期的關(guān)系式。(2)萬有引力定律的內(nèi)容是什么？如何用公式表示？萬有引力定律的內(nèi)容是什么？如何用公式表示？(3)重力和萬有引力的關(guān)系？重力和萬有引力的關(guān)系？3FnRMGmwrF引引討論討論:地球表面物體的重力與地球?qū)ξ矬w的萬有引力的關(guān)系。地球表面物體的重力與地球?qū)ξ矬w的萬有引力的

2、關(guān)系。 物體物體m在緯度為在緯度為的位置，萬有引的位置，萬有引力指向地心，分解為兩個分力：力指向地心，分解為兩個分力：m隨隨地球自轉(zhuǎn)圍繞地軸運動的地球自轉(zhuǎn)圍繞地軸運動的向心力向心力和和重重力力。4FnRMGmwrF引引討論討論:地球表面物體的地球表面物體的重力重力與地球?qū)ξ矬w的萬有引力的關(guān)系。與地球?qū)ξ矬w的萬有引力的關(guān)系。 物體物體m在緯度為在緯度為的位置，的位置，萬有引萬有引力力指向地心，分解為兩個分力：指向地心，分解為兩個分力：m隨隨地球自轉(zhuǎn)圍繞地軸運動的地球自轉(zhuǎn)圍繞地軸運動的向心力向心力和和重重力力。 因此因此,重力重力是萬有引力的是萬有引力的一個一個分力分力。 實際上隨地球自轉(zhuǎn)的物體實

3、際上隨地球自轉(zhuǎn)的物體向心力向心力遠(yuǎn)小于遠(yuǎn)小于重重力力，在忽略自轉(zhuǎn)的影響下，在忽略自轉(zhuǎn)的影響下萬有引力大小萬有引力大小近似近似等于等于重力大小重力大小。 5 回顧所學(xué)內(nèi)容回顧所學(xué)內(nèi)容2mvFr2Fmr22()FmrT2MmFGr(1)物體做圓周運動的向心力公式是什么？分別寫出向心物體做圓周運動的向心力公式是什么？分別寫出向心力與線速度、角速度以及周期的關(guān)系式。力與線速度、角速度以及周期的關(guān)系式。(2)萬有引力定律的內(nèi)容是什么？如何用公式表示？萬有引力定律的內(nèi)容是什么？如何用公式表示？(3)重力和萬有引力的關(guān)系？重力和萬有引力的關(guān)系？ 重力重力是萬有引力的一個分力，當(dāng)忽略了地球的自轉(zhuǎn)是萬有引力的一

4、個分力，當(dāng)忽略了地球的自轉(zhuǎn)時時,可認(rèn)為可認(rèn)為重力重力在數(shù)值上就在數(shù)值上就等于等于萬有引力大小萬有引力大小。2RmMGmg 6阿基米德在研究杠桿原理后，曾經(jīng)說過一句什么名言？ “給我一個支點，給我一個支點，我可以撬動球。我可以撬動球?！?那我們又是怎么知道巨大的地球的質(zhì)量呢那我們又是怎么知道巨大的地球的質(zhì)量呢?那給我們一個杠桿那給我們一個杠桿(天平天平)是是否就可以稱量地球的質(zhì)量了否就可以稱量地球的質(zhì)量了呢？呢？答案是答案是:否定的否定的.7一、稱量地球的質(zhì)量一、稱量地球的質(zhì)量地球的質(zhì)量不可能用天地球的質(zhì)量不可能用天平稱量平稱量. 但是萬有引力定律是否但是萬有引力定律是否能給予我們提供幫助呢能給

5、予我們提供幫助呢? 重力重力是萬有引力的一個分力，當(dāng)忽略了地球的自轉(zhuǎn)時是萬有引力的一個分力，當(dāng)忽略了地球的自轉(zhuǎn)時,可可認(rèn)為認(rèn)為重力重力在數(shù)值上就在數(shù)值上就等于等于萬有引力大小萬有引力大小。2RmMGmg 8一、稱量地球的質(zhì)量一、稱量地球的質(zhì)量若不考慮地球自轉(zhuǎn)的影響，地面上物體的重力等若不考慮地球自轉(zhuǎn)的影響，地面上物體的重力等于地球?qū)λ囊?。于地球?qū)λ囊Α?M2gRG 其中其中g(shù)、R在卡文迪許之前已經(jīng)知道，而卡文迪許測出在卡文迪許之前已經(jīng)知道，而卡文迪許測出G后，就后，就意味著我們也測出了地球的質(zhì)量?？ㄎ牡显S把他自己的實驗說成是意味著我們也測出了地球的質(zhì)量。卡文迪許把他自己的實驗說成是“稱

6、量地球的重量稱量地球的重量”是不無道理的。是不無道理的。2RmMGmg 9一、稱量地球的質(zhì)量一、稱量地球的質(zhì)量 通過萬有引力定律稱量地球的質(zhì)量，這不能不說是一個奇跡。 就連一個外行人、著名文學(xué)家馬克吐溫滿懷激情地說： “科學(xué)真是迷人。根據(jù)零星的事實，增科學(xué)真是迷人。根據(jù)零星的事實，增添一點猜想，竟能贏得那么多收獲！添一點猜想，竟能贏得那么多收獲！” 這話雖然出自一位外行人之口，卻道出了科學(xué)發(fā)現(xiàn)的精髓。10 二、天體質(zhì)量的計算二、天體質(zhì)量的計算1、地球公轉(zhuǎn)實際軌道是什么形狀？為了解決問題的方便，、地球公轉(zhuǎn)實際軌道是什么形狀？為了解決問題的方便，我們通?？梢哉J(rèn)為地球在繞怎樣的軌道做什么運動？我們通

7、?？梢哉J(rèn)為地球在繞怎樣的軌道做什么運動？思考：思考：應(yīng)用萬有引力可算出地球的質(zhì)量，能否算出太陽的應(yīng)用萬有引力可算出地球的質(zhì)量，能否算出太陽的質(zhì)量呢質(zhì)量呢?11分析問題：近似近似1、地球?qū)嶋H作何運動？而我們通常可以認(rèn)為做什么運、地球?qū)嶋H作何運動？而我們通常可以認(rèn)為做什么運動？動？ 地球?qū)嶋H軌道是橢圓，通?？梢哉J(rèn)為地球繞太陽做勻速圓地球?qū)嶋H軌道是橢圓，通?？梢哉J(rèn)為地球繞太陽做勻速圓周運動周運動12 二、天體質(zhì)量的計算二、天體質(zhì)量的計算1、地球?qū)嶋H軌道是什么形狀？為了解決問題的方便，我們、地球?qū)嶋H軌道是什么形狀？為了解決問題的方便，我們通?？梢哉J(rèn)為地球在繞怎樣的軌道做什么運動？通常可以認(rèn)為地球在繞怎

8、樣的軌道做什么運動？2、地球作圓周運動的向心力是由什么力來提供的？、地球作圓周運動的向心力是由什么力來提供的？思考：思考：應(yīng)用萬有引力可算出地球的質(zhì)量，能否算出太陽的應(yīng)用萬有引力可算出地球的質(zhì)量，能否算出太陽的質(zhì)量呢質(zhì)量呢?通?？梢哉J(rèn)為地球繞太陽做勻速圓周運動通?？梢哉J(rèn)為地球繞太陽做勻速圓周運動132、地球作圓周運動的向心力是由什么力來提供的？、地球作圓周運動的向心力是由什么力來提供的？2MmFGrrMmF地球作圓周運動的向心力是由太陽對地球的萬有引力來提供的地球作圓周運動的向心力是由太陽對地球的萬有引力來提供的14 二、天體質(zhì)量的計算二、天體質(zhì)量的計算1、地球?qū)嶋H軌道是什么形狀？為了解決問題

9、的方便，我們、地球?qū)嶋H軌道是什么形狀？為了解決問題的方便，我們通常可以認(rèn)為地球在繞怎樣的軌道做什么運動？通?？梢哉J(rèn)為地球在繞怎樣的軌道做什么運動？2、地球作圓周運動的向心力是由什么力來提供的？、地球作圓周運動的向心力是由什么力來提供的？思考：思考：應(yīng)用萬有引力可算出地球的質(zhì)量，能否算出太陽的應(yīng)用萬有引力可算出地球的質(zhì)量，能否算出太陽的質(zhì)量呢質(zhì)量呢?通?？梢哉J(rèn)為地球繞太陽做勻速圓周運動通?？梢哉J(rèn)為地球繞太陽做勻速圓周運動地球作圓周運動的向心力是由太陽對地球的萬有引力來提供的地球作圓周運動的向心力是由太陽對地球的萬有引力來提供的15地球作圓周運動的向心力是由太陽對地球的萬有引力來提供的地球作圓周運

10、動的向心力是由太陽對地球的萬有引力來提供的nFF 引2rMmGF 引rMmFrmFn2rmRMmG22GrM32 地球公轉(zhuǎn)角速度地球公轉(zhuǎn)角速度 不能不能直接測出直接測出,但我們知道地球但我們知道地球公轉(zhuǎn)的周期公轉(zhuǎn)的周期 .T16該表達(dá)式與地球（環(huán)行天體）質(zhì)量該表達(dá)式與地球（環(huán)行天體）質(zhì)量m有沒有關(guān)系？有沒有關(guān)系？rMmFvT2324GTrMGrM32T217總結(jié)推廣總結(jié)推廣求解思路：求解思路： 環(huán)行天體的向心力由中心天體對其萬有引力環(huán)行天體的向心力由中心天體對其萬有引力獨家獨家提供提供具體方法：具體方法：rTmrmMG22)2(2324GTrM特點：特點： 須知道待求天體（須知道待求天體（M）

11、的某一環(huán)行天體的運行規(guī)律，且）的某一環(huán)行天體的運行規(guī)律，且與環(huán)行天體的質(zhì)量（與環(huán)行天體的質(zhì)量（m）無關(guān)）無關(guān).中心天體M 環(huán)行天體m18二、計算天體的質(zhì)量二、計算天體的質(zhì)量思維擴展思維擴展計算地球的質(zhì)量，除了一開始計算地球的質(zhì)量，除了一開始的方法外，還可以怎么求？的方法外，還可以怎么求？借助于月球，那么需要知道借助于月球，那么需要知道哪些量？哪些量？月球繞地球運行的周期月球繞地球運行的周期T=27.3天，天，月球與地球的平均距離月球與地球的平均距離r=3.84108mM=5.981024kgrTmrMmG22)2(2324GTrM19三、發(fā)現(xiàn)未知天體三、發(fā)現(xiàn)未知天體預(yù)見并發(fā)現(xiàn)未知行星預(yù)見并發(fā)現(xiàn)

12、未知行星,是萬有引力理論威力和價值的最生動例證是萬有引力理論威力和價值的最生動例證. 在在1781年發(fā)現(xiàn)的第七個行星年發(fā)現(xiàn)的第七個行星天王星天王星的運動軌道，總是同根據(jù)萬有引力定律的運動軌道，總是同根據(jù)萬有引力定律計算出來的有一定偏離計算出來的有一定偏離.當(dāng)時有人預(yù)測，當(dāng)時有人預(yù)測，肯定在其軌道外還有一顆未發(fā)現(xiàn)的新星肯定在其軌道外還有一顆未發(fā)現(xiàn)的新星,這就是后來發(fā)現(xiàn)的第八大行星這就是后來發(fā)現(xiàn)的第八大行星海王星海王星.海王星 海王星的實際軌道由英國劍橋大學(xué)海王星的實際軌道由英國劍橋大學(xué)的學(xué)生亞當(dāng)斯和法國年輕的天文愛好者的學(xué)生亞當(dāng)斯和法國年輕的天文愛好者勒維耶根據(jù)天王星的觀測資料各自獨立勒維耶根據(jù)

13、天王星的觀測資料各自獨立地利用萬有引力定律計算出來的地利用萬有引力定律計算出來的.20英國的亞當(dāng)斯和法國的勒維耶英國的亞當(dāng)斯和法國的勒維耶2118461846年年9 9月月2323日晚日晚, ,由由德國的伽勒德國的伽勒在柏在柏林天文臺用望遠(yuǎn)鏡林天文臺用望遠(yuǎn)鏡在勒維耶預(yù)言的位在勒維耶預(yù)言的位置附近發(fā)現(xiàn)了這顆置附近發(fā)現(xiàn)了這顆行星行星海王星海王星柏林天文臺柏林天文臺海王星的發(fā)現(xiàn)海王星的發(fā)現(xiàn)22 海王星發(fā)現(xiàn)之后，海王星發(fā)現(xiàn)之后，人們發(fā)現(xiàn)它的軌道也人們發(fā)現(xiàn)它的軌道也與理論計算的不一致。與理論計算的不一致。于是于是幾位學(xué)者用亞當(dāng)幾位學(xué)者用亞當(dāng)斯和勒維耶的方法斯和勒維耶的方法預(yù)預(yù)言另一顆新行星的存言另一顆新

14、行星的存在在 在預(yù)言提出之后，在預(yù)言提出之后，19301930年，湯博發(fā)現(xiàn)了年，湯博發(fā)現(xiàn)了太陽系的后來太陽系的后來曾曾被稱被稱為第九大行星的冥王為第九大行星的冥王星星冥王星和它的衛(wèi)星冥王星和它的衛(wèi)星美國宇航局（NASA）提供的冥王星（上者）與它的衛(wèi)星的畫面 冥王星與彗星冥王星與彗星2324 國際天文學(xué)聯(lián)合會大會24日投票決定，不再將傳統(tǒng)九大行星之一的冥王星視為行星，而將其列入“矮行星”。許多人感到不解，為什么從兒時起就一直熟知的太陽系“九大行星”概念如今要被重新定義，而冥王星又因何被“降級”？ “行星”這個說法起源于希臘語，原意指太陽系中的“漫游者”。近千年來，人們一直認(rèn)為水星、金星、地球、火

15、星、木星和土星是太陽系中的標(biāo)準(zhǔn)行星。19世紀(jì)后，天文學(xué)家陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了天王星、海王星和冥王星，使太陽系的“行星”變成了9顆。此后，“九大行星”成為家喻戶曉的說法。 不過，新的天文發(fā)現(xiàn)不斷使“九大行星”的傳統(tǒng)觀念受到質(zhì)疑。天文學(xué)家先后發(fā)現(xiàn)冥王星與太陽系其他行星的一些不同之處。冥王星所處的軌道在海王星之外，屬于太陽系外圍的柯伊伯帶，這個區(qū)域一直是太陽系小行星和彗星誕生的地方。20世紀(jì)90年代以來，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)柯伊伯帶有更多圍繞太陽運行的大天體。比如，美國天文學(xué)家布朗發(fā)現(xiàn)的“2003UB313”，就是一個直徑和質(zhì)量都超過冥王星的天體。 布朗等人的發(fā)現(xiàn)使傳統(tǒng)行星定義遭遇巨大挑戰(zhàn)。國際天文學(xué)聯(lián)合會大會通過的

16、新行星定義，意在彌合傳統(tǒng)的行星概念與新發(fā)現(xiàn)的差距。 大會通過的決議規(guī)定，“行星”指的是圍繞太陽運轉(zhuǎn)、自身引力足以克服其剛體力而使天體呈圓球狀、能夠清除其軌道附近其他物體的天體。在太陽系傳統(tǒng)的“九大行星”中，只有水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星符合這些要求。冥王星由于其軌道與海王星的軌道相交，不符合新的行星定義，因此被自動降級為“矮行星”。 冥王星為什么會被冥王星為什么會被“降級降級”？ 25三、發(fā)現(xiàn)未知天體三、發(fā)現(xiàn)未知天體 海王星的發(fā)現(xiàn)和海王星的發(fā)現(xiàn)和1705年英國天文學(xué)家哈雷根據(jù)萬有引力定年英國天文學(xué)家哈雷根據(jù)萬有引力定律正確預(yù)言了哈雷彗星的回歸最終確立了萬有引力定律的地位

17、，律正確預(yù)言了哈雷彗星的回歸最終確立了萬有引力定律的地位，也成為科學(xué)史上的美談。也成為科學(xué)史上的美談。 諾貝爾物理學(xué)獎獲得者，物理學(xué)家馮諾貝爾物理學(xué)獎獲得者，物理學(xué)家馮勞厄說：勞厄說： “沒有任何東西向牛頓引力理論對行星軌道的計算那樣，如此有力地樹起人們對年輕的物理學(xué)的尊敬。從此以后，這門自然科學(xué)成了巨大的精神王國 ”26 盡管冥王星外盡管冥王星外面太陽光已經(jīng)非常面太陽光已經(jīng)非常的微弱，但是，黑的微弱，但是，黑暗寒冷的太陽系邊暗寒冷的太陽系邊緣依然牽動著人們緣依然牽動著人們的心，搜索工作從的心，搜索工作從來沒有停止過。來沒有停止過。 美國美國2001年發(fā)年發(fā)射，并于射，并于2006至至2008年訪問冥王星年訪問冥王星的宇宙飛船的宇宙飛船27四四、小結(jié)