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1、第1节万有引力定律第1页，本讲稿共25页第第1 1节节 万有引力定律万有引力定律第2页，本讲稿共25页1.古人认为天体做什么运动古人认为天体做什么运动?2.开普勒认为行星做什么运动开普勒认为行星做什么运动?3.开普勒行星运动定律从哪几个方面描述了开普勒行星运动定律从哪几个方面描述了行星运动的规律行星运动的规律?第3页，本讲稿共25页我们再来认识一位伟大的科学家牛顿牛顿(16431727)是英国著名的物理学家、数是英国著名的物理学家、数学家和天文学家，是十七世纪最伟大的科学巨匠。学家和天文学家，是十七世纪最伟大的科学巨匠。牛顿一生对科学事业所做的贡献，遍及物理学、牛顿一生对科学事业所做的贡献，遍
2、及物理学、数学和天文学等领域。牛顿在物理学上最主要的数学和天文学等领域。牛顿在物理学上最主要的成就，是创立了经典力学的基本体系，成就，是创立了经典力学的基本体系，对于光对于光学，牛顿致力于光的颜色和光的本性的研究，也学，牛顿致力于光的颜色和光的本性的研究，也作出了重大贡献。牛顿在数学方面，总结和发展作出了重大贡献。牛顿在数学方面，总结和发展了前人的工作，提出了了前人的工作，提出了“流数法流数法”，建立了二项，建立了二项式定理，创立了微积分。在天文学方面，牛顿式定理，创立了微积分。在天文学方面，牛顿发现了万有引力定律，创制了反射望远镜，并发现了万有引力定律，创制了反射望远镜，并且用它初步观察到了
3、行星运动的规律。且用它初步观察到了行星运动的规律。第4页，本讲稿共25页自然界和自然规律隐藏在黑暗中。上帝说，让牛自然界和自然规律隐藏在黑暗中。上帝说，让牛顿出生吧！于是一切都是光明。顿出生吧！于是一切都是光明。蒲伯蒲伯艾萨克艾萨克牛顿牛顿ISSAC NEWTON（1642-1727）第5页，本讲稿共25页开普勒第一定律开普勒第一定律 （几何定律）（几何定律）所有的行星围绕太阳运动的轨道都是椭所有的行星围绕太阳运动的轨道都是椭圆，太阳处在所有椭圆的一个焦点上。圆，太阳处在所有椭圆的一个焦点上。一、开普勒定律一、开普勒定律 思考：这一定律说明了行星运动轨迹的形状，思考：这一定律说明了行星运动轨迹
4、的形状，不同行星绕太阳运行时椭圆轨道相同吗？不同行星绕太阳运行时椭圆轨道相同吗？不同不同第6页，本讲稿共25页开普勒第二定律 （面积定律）对于每一个行星而言，太阳和行对于每一个行星而言，太阳和行星的连线在相等的时间内扫过相等星的连线在相等的时间内扫过相等的面积。的面积。由在相等的时间内扫过的面积相等来说，各点的速率并由在相等的时间内扫过的面积相等来说，各点的速率并不相同，由不相同，由近地点到远地点近地点到远地点速率速率由大变小由大变小，由，由远地点到近地远地点到近地点点，速率，速率由小到大由小到大。思考：行星绕太阳运行时各点的速率相同吗？第7页，本讲稿共25页开普勒第三定律 （周期定律）所有行
5、星的轨道的半长轴的三次方跟公转周期的二次方的比值都相等。思考：这一定律发现了所有行星的轨道的半长轴与公转半思考：这一定律发现了所有行星的轨道的半长轴与公转半径之间的定量关系，但是比值径之间的定量关系，但是比值k k是一个与行星无关的常量，你是一个与行星无关的常量，你能猜想出它可能跟谁有关吗？能猜想出它可能跟谁有关吗？根据开普勒第三定律知：所有行星绕太阳运动的半长轴的三根据开普勒第三定律知：所有行星绕太阳运动的半长轴的三次方跟公转周期的而次方的比值是一个常数次方跟公转周期的而次方的比值是一个常数k,k,可以猜想，这个可以猜想，这个“k”一定与运动系统的物体有关，因为常数一定与运动系统的物体有关，
6、因为常数k对于所有行星都相对于所有行星都相同，而各行星是不一样的，故跟行星无关，而在运动系统中除了行星同，而各行星是不一样的，故跟行星无关，而在运动系统中除了行星就是中心天体就是中心天体太阳，故这一常数一定与太阳，故这一常数一定与中心天体中心天体太阳有关。太阳有关。第8页，本讲稿共25页17世纪前伽利略开普勒笛卡儿胡克哈雷神圣和永恒的天体必然应该做最完美的匀速圆周运动,无需动因。一切物体都有合并的趋势，这种趋势导致物体做圆周运动。行星一定是受到了来自太阳的类似于磁力的作用。在行星周围有旋转的物质作用在行星上，使得行星围绕太阳运动。受到了太阳对它的引力，证明了如果行星的轨道是圆形的，其所受的引力
7、大小跟行星到太阳的距离的二次方成反比。第9页，本讲稿共25页牛顿的思考：牛顿的思考：1、“天上的力天上的力”和和“人间的力人间的力”是同是同 一种力吗一种力吗？2、地球表面的重、地球表面的重力是否能延伸到月力是否能延伸到月球轨道？球轨道？第10页，本讲稿共25页二、万有引力定律二、万有引力定律 1 1、内容：、内容：自然界中任何两个物体都是相互吸引自然界中任何两个物体都是相互吸引的，引力的大小跟这两个物体的质量的的，引力的大小跟这两个物体的质量的 乘积成正比，跟它们的距离的二次方成乘积成正比，跟它们的距离的二次方成反比。反比。2、表达式：第11页，本讲稿共25页G是一个常量是一个常量,对任何行
8、星都成立对任何行星都成立1687年万有引力定律万有引力定律自然界中任何两个物体都是互相吸引的自然界中任何两个物体都是互相吸引的,引引力的大小跟这两个物体的质量成正比力的大小跟这两个物体的质量成正比,跟它跟它们的距离的二次方成反比们的距离的二次方成反比.即:第12页，本讲稿共25页4 4、G G为引力常量为引力常量 万有引力.asf卡文迪许实验.swf三、引力常量的测量三、引力常量的测量扭秤实验扭秤实验 1 1、实验原理：科学方法、实验原理：科学方法放大法放大法 3 3、适用条件：、适用条件：适用于两个质点间的万有引力大小计算，适用于两个质点间的万有引力大小计算，对于质量分布均匀的球体，对于质量
9、分布均匀的球体，r r就是它们球就是它们球 心间的距离。心间的距离。第13页，本讲稿共25页卡文迪许扭称的测量方法 思考：思考：1、两个、两个1千克的物体间的万有引力很小，千克的物体间的万有引力很小，它是如何解决的？它是如何解决的？2、力很小读数如何解决？、力很小读数如何解决？rFrFmmmm第14页，本讲稿共25页rFrFmmmm扭扭秤秤实实验验的的物物理理思思想想和和科科学学方方法法：扭扭秤秤装装置置把把微微小小力力转转变变成成力力矩矩来来反反映映，扭扭转转角角度度又又通通过过光光标标的的移移动动来来反反映映从而确定物体间的万有引力从而确定物体间的万有引力 第15页，本讲稿共25页 2 2
10、、实验数据、实验数据 G G值为值为6.67106.6710-11-11NmNm2 2/kg/kg2 2 G G值的物理含义：值的物理含义：两个质量为两个质量为1kg1kg的物体相距的物体相距1m1m时，它们时，它们 之间万有引力为之间万有引力为6.67106.6710-11-11N N。第16页，本讲稿共25页测定引力常量的重要意义1证明了万有引力的存在2“开创了测量弱力的新时代”（英国物理学家玻印廷语）3使得万有引力定律有了真正的实用价值，可测定远离地球的一些天体的质量、平均密度等如根据地球表面的重力加速度可以测定地球的质量第17页，本讲稿共25页牛顿的猜想：牛顿的猜想：苹果与月球受到的引
11、力可能是同一种力苹果与月球受到的引力可能是同一种力!这种力可能都遵从与距离平方成反比的这种力可能都遵从与距离平方成反比的 关系。关系。一、月一、月地检验地检验 根据下列当时可以测量的数据，证明月根据下列当时可以测量的数据，证明月 球绕地球运动的力遵从球绕地球运动的力遵从“平方反比平方反比”的规的规 律。律。第18页，本讲稿共25页地表重力加速度：地表重力加速度：g=9.8m/sg=9.8m/s2 2地球半径：地球半径：R R=6.410=6.4106 6m m月亮周期：月亮周期：T T=27.3=27.3天天2.36102.36106 6s s 月亮轨道半径：月亮轨道半径：r r 60R=3.
12、8410 60R=3.84108 8m m计算验证：？计算结果：计算结果：第19页，本讲稿共25页证明了万有引力的存在，使万有引力证明了万有引力的存在，使万有引力 定律进入了真正实用的时代。定律进入了真正实用的时代。开创了微小量测量的先河，使科学放开创了微小量测量的先河，使科学放 大思想得到推广。大思想得到推广。3 3、卡文迪许扭秤实验的意义、卡文迪许扭秤实验的意义 第20页，本讲稿共25页四、对万有引力的理解四、对万有引力的理解 普遍性：任何客观存在的有质量的物体之普遍性：任何客观存在的有质量的物体之 间都存在着这种吸引力。间都存在着这种吸引力。相互性：两个物体相互作用的引力是一对相互性：两
13、个物体相互作用的引力是一对 作用力与反作用力，它们等大反作用力与反作用力，它们等大反 向，分别作用于两个物体上。向，分别作用于两个物体上。宏观性：对质量巨大的天体间才有现实的宏观性：对质量巨大的天体间才有现实的 意义，分析地球表面物体受力时意义，分析地球表面物体受力时 不需考虑。不需考虑。第21页，本讲稿共25页特殊性：两个物体间的万有引力只与它们特殊性：两个物体间的万有引力只与它们 本身质量有关，与它们间的距离本身质量有关，与它们间的距离 有关。有关。五、万有引力定律的历史意义五、万有引力定律的历史意义 1 1、1717世纪自然科学最伟大的成果之一，世纪自然科学最伟大的成果之一，第一次揭示了
14、自然界中的一种基本相互第一次揭示了自然界中的一种基本相互 作用的规律，在人类认识自然的历史上作用的规律，在人类认识自然的历史上 树立了一座里程碑。树立了一座里程碑。第22页，本讲稿共25页 2 2、在文化发展史上的重大意义：使人们、在文化发展史上的重大意义：使人们 建立了有能力理解天地间的各种事物的信建立了有能力理解天地间的各种事物的信 心，解放了人们的思想，在科学文化的发心，解放了人们的思想，在科学文化的发 展史上起了积极的推动作用。展史上起了积极的推动作用。例：地球质量大约是月球质量的例：地球质量大约是月球质量的8181倍，在倍，在登月飞船通过月、地之间的某一位置时，登月飞船通过月、地之间
15、的某一位置时，月球和地球对它的引力大小相等，该位置月球和地球对它的引力大小相等，该位置 到月球中心和地球中心的距离之比为到月球中心和地球中心的距离之比为 A A、1 127 B27 B、1 19 9 C C、1 13 D3 D、9 91 1第23页，本讲稿共25页第一节 万有引力定律及引力常量的测量 课堂小结课堂小结向 心 力 公 式开普勒第三定律牛顿第三定律万有引力定律开普勒定律万有引力定律具体内容内容：自然界中任何两个物体都是相互吸引的，引力的大 小跟这两个物体的质量的乘积成正比，跟它们的距 离的二次方成反比。公式：各物理量的含义 F牛顿（N）；m千克（kg）r 的含义：较远时 可 视 为
16、 质 点 的 两 个物体间的距离；较近时质量分布均匀的球体的球心间的距离。其单位为：米(m)万有引力恒量 万有引力定律理 解任何两个物体之间都存在引力。重力是万有引力的分力。万有引力定律公式中的 r，其含义是两个质点间的距离。物体因为有质量而产生引力(质量是引力产生的原因)。万有引力定律重要意义是17世纪自然科学最伟大的成果之一。它把地面上物体运动的规律和天体运动的规律统一起来，对以后物理学和天文学的发展具有深远的影响。它第一次揭示了自然界中一种基本相互作用的规律，在人类认识自然的历史上树立了一座里程碑。在科学文化发展史上起到了积极的推动作用，解放了 人们的思想，给人们探索自然的奥秘建立了极大的信 心，人们有能力理解天地间的各种事物。建立模型，温故探新数学推导，总结规律科学推想，形成等式实验验证，形成概念引力常量的测定及意义1证明了万有引力的存在2“开创了测量弱力的新时代”（英国物理学家玻印廷语）3使得万有引力定律有了真正的实用价值，可测定远离地球的一些天体的质量、平均密度等如根据地球表面的重力加速度可以测定地球的质量第24页，本讲稿共25页小结：、牛顿在前人工作的基础上发现了万有引力定律。3、引力常量 2、卡文迪许巧妙地利用扭秤实验测定了引力常量。第25页，本讲稿共25页