《万有引力理论的成就》物理优秀课件1.pptx

1、第七章万有引力与宇宙第七章万有引力与宇宙航行航行3.万有引力理论的成就万有引力理论的成就自主自主预习预习新知新知导学导学合作合作探究探究释疑释疑解惑解惑课课 堂堂 小小 结结随随 堂堂 练练 习习1.了解万有引力定律在天文学上的重要应用。了解万有引力定律在天文学上的重要应用。2.了解了解“称量地球质量称量地球质量”的基本思路。的基本思路。3.了解计算太阳质量的基本思路了解计算太阳质量的基本思路,会用万有引力定律计算天会用万有引力定律计算天体质量。体质量。课标定位课标定位1.通过分析万有引力定律的应用通过分析万有引力定律的应用,掌握科学思维的方法。掌握科学思维的方法。2.通过应用万有引力定律发现

2、海王星等事实通过应用万有引力定律发现海王星等事实,说明科学定律说明科学定律的作用的作用,培养科学的研究态度。培养科学的研究态度。素养阐释素养阐释了解计算太阳质量的基本思路,会用万有引力定律计算天体质量。关的物理量,所以该方法俗称“自力更生法”。根据已发现的天体的运行轨道结合万有引力定律推算出还没发现的未知天体的轨道,如海王星,人们称其为“笔尖下发现的行星”。航天员在月球上用弹簧测力计测出质量为m的物体重力为F。知识点二 天体运动的分析第七章万有引力与宇宙航行线速度、角速度、周期和向心加速度与知识点二 天体运动的分析解析:根据泰坦的运动情况,由万有引力提供向心力,6710-11 Nm2/kg2。

3、1969年7月21日,美国航天员阿姆斯特朗在月球上留下了人类第一个脚印(如图所示),迈出了人类征服宇宙的一大步。量m月在等式中已消掉,所以根据月球的周期T和公转半径r,无法计算月球的质量。距离,也可以算出行星的质量。以周期T稳定自转的星体的密度最小值约为()2003年8月29日,火星的线速度大于地球的线速度以周期T稳定自转的星体的密度最小值约为()【变式训练2】(多选)2003年8月29日,火星、地球和太阳处于三点一线,上演“火星冲日”的天象奇观。一、“称量”地球的质量5 576万千米,为人类研究火星提供了最佳时机。海王星是人们经过长期的太空观测而发现的一、一、“称量称量”地球的地球的质量质量

4、 如图所示,行星在围绕太阳做匀速圆周运动。以周期T稳定自转的星体的密度最小值约为()(1)行星绕太阳做匀速圆周运动时线速度的大小是由什么因素决定的?解析:设星体“赤道”表面上有一质量为m的物体,当其刚好不脱离星体时,星体的体积最大,密度最小,其所受万有引力提供海王星是人们经过长期的太空观测而发现的天王星的运行轨道与由万有引力定律计算的轨道存在偏差,其原因是天王星受到轨道外的行星的引力作用,由此人们发现了海王星量m月在等式中已消掉,所以根据月球的周期T和公转半径r,无法计算月球的质量。【变式训练1】(2018全国卷2)2018年2月,我国500 m口径射电望远镜(天眼)发现毫秒脉冲星“J0318

5、+0253”,其自转周期T=5.知识点二 天体运动的分析6710-11 Nm2/kg2,则土星的质量约为()当卫星环绕天体表面运动时,卫星的轨道半径r可认为等于天体半径R,则=。6710-11 Nm2/kg2。混淆或乱用天体半径与轨道半径,为了正确并清楚地运用,应一开始就养成良好的习惯,比如通常情况下天体半径用R表示,轨道半径用r表示,这样就可以避免如=误约分;只有卫星在天体表面做匀速圆周运动时,如近地卫星,轨道半径r才可以认为等于天体半径R。线速度、角速度、周期和向心加速度与了解计算太阳质量的基本思路,会用万有引力定律计算天体质量。以周期T稳定自转的星体的密度最小值约为()【变式训练2】(多

6、选)2003年8月29日,火星、地球和太阳处于三点一线,上演“火星冲日”的天象奇观。【变式训练2】(多选)2003年8月29日,火星、地球和太阳处于三点一线,上演“火星冲日”的天象奇观。51015 kg/m3D.2004年8月29日,火星又回到了该位置二、计算天体的质量二、计算天体的质量1.行星绕太阳做行星绕太阳做匀速圆周匀速圆周运动运动,向心力是由它们之间的向心力是由它们之间的万有万有引力引力提供的。提供的。3.如果已知卫星绕行星运动的如果已知卫星绕行星运动的周期周期和卫星与行星之间和卫星与行星之间的的距离距离,也可以算出行星的质量。也可以算出行星的质量。以周期T稳定自转的星体的密度最小值约

7、为()海王星是人们经过长期的太空观测而发现的19 ms,假设星体为质量均匀分布的球体,已知引力常量为6.天王星是人们依据万有引力定律计算出轨道而发现的线速度、角速度、周期和向心加速度与6710-11 Nm2/kg2,则土星的质量约为()5 576万千米,为人类研究火星提供了最佳时机。知识点二 天体运动的分析行星绕太阳做匀速圆周运动,向心力是由它们之间的万有引力提供的。【变式训练1】(2018全国卷2)2018年2月,我国500 m口径射电望远镜(天眼)发现毫秒脉冲星“J0318+0253”,其自转周期T=5.知识点二 天体运动的分析应用万有引力定律求解时还要注意挖掘题目中的隐含条件,如地球的公

8、转周期是365天,自转一周是24小时,其表面的重力加速度约为9.天王星的运行轨道与由万有引力定律计算的轨道存在偏差,其原因是天王星受到轨道外的行星的引力作用,由此人们发现了海王星当卫星环绕天体表面运动时,卫星的轨道半径r可认为等于天体半径R,则=。根据题目所给条件,可以求出木星的密度6710-11 Nm2/kg2。天王星的运行轨道与由万有引力定律计算的轨道存在偏差,其原因是天王星受到轨道外的行星的引力作用,由此人们发现了海王星该行星绕母星(中心天体)运行的周期约为地球绕太阳运动周期的 ,母星的体积约为太阳的60倍。【变式训练2】(多选)2003年8月29日,火星、地球和太阳处于三点一线,上演“

9、火星冲日”的天象奇观。一、“称量”地球的质量三、发现未知天体三、发现未知天体1.已发现天体的轨道推算已发现天体的轨道推算1781年发现的太阳系第七颗行星年发现的太阳系第七颗行星天王星的运动轨道天王星的运动轨道,根根据据万有引力万有引力定律计算出来的与实际观测的结果总有一些偏差。定律计算出来的与实际观测的结果总有一些偏差。2.未知天体的发现未知天体的发现根据已发现的天体的运行轨道结合万有引力定律推算出还根据已发现的天体的运行轨道结合万有引力定律推算出还没发现的未知天体的轨道没发现的未知天体的轨道,如如海王星海王星,人们称其为人们称其为“笔尖下发现笔尖下发现的行星的行星”。3.预言哈雷彗星回归预言

10、哈雷彗星回归英国天文学家哈雷从彗星记录中挑选了英国天文学家哈雷从彗星记录中挑选了24颗彗星颗彗星,依据万有依据万有引力定律引力定律,计算了它们的轨道计算了它们的轨道,并大胆预言了其中一颗彗星的并大胆预言了其中一颗彗星的回归周期约为回归周期约为76年。年。【思考讨论】【思考讨论】1.判断下列说法的正误。判断下列说法的正误。(1)牛顿发现万有引力定律牛顿发现万有引力定律,同时测出地球的质量。同时测出地球的质量。()(2)利用地球绕太阳转动利用地球绕太阳转动,可求地球的质量。可求地球的质量。()(3)冥王星被称为冥王星被称为“笔尖下发现的行星笔尖下发现的行星”。()答案答案:(1)(2)(3)2.若

11、已知月球绕地球转动的周期若已知月球绕地球转动的周期T和半径和半径r,由此可以求出地由此可以求出地球的质量吗球的质量吗?能否求出月球的质量呢能否求出月球的质量呢?量量m月月在等式中已消掉在等式中已消掉,所以根据月球的周期所以根据月球的周期T和公转半径和公转半径r,无无法计算月球的质量。法计算月球的质量。3.航天员翟志刚走出神舟七号飞船进行舱外活动时航天员翟志刚走出神舟七号飞船进行舱外活动时,要分析要分析其运动状态其运动状态,牛顿定律还适用吗牛顿定律还适用吗?提示提示:适用。牛顿将牛顿定律与万有引力定律综合适用。牛顿将牛顿定律与万有引力定律综合,成功分成功分析了天体运动问题。牛顿定律对物体在地面上

12、的运动以及天析了天体运动问题。牛顿定律对物体在地面上的运动以及天体的运动都是适用的。体的运动都是适用的。知识知识点点一一 天体天体质量和密度的计算质量和密度的计算问题引领问题引领1969年年7月月21日日,美国航天员阿姆斯特朗在月球上留下了人美国航天员阿姆斯特朗在月球上留下了人类第一个脚印类第一个脚印(如图所示如图所示),迈出了人类征服宇宙的一大步迈出了人类征服宇宙的一大步。航天员在月球上用弹簧测力计测出质量为航天员在月球上用弹簧测力计测出质量为m的物体重力为的物体重力为F。已知月球半径为。已知月球半径为R,怎样利用这些条件估测月球的质量怎样利用这些条件估测月球的质量?归纳提升归纳提升1.天体

13、质量的计算天体质量的计算(1)重力加速度法重力加速度法若已知天体若已知天体(如地球如地球)的半径的半径R及其表面的重力加速度及其表面的重力加速度g,根据根据在天体表面上物体的重力近似等于天体对物体的引力在天体表面上物体的重力近似等于天体对物体的引力,得得关的物理量关的物理量,所以该方法俗称所以该方法俗称“自力更生法自力更生法”。(2)环绕法环绕法借助环绕中心天体做圆周运动的行星借助环绕中心天体做圆周运动的行星(或卫星或卫星)计算中心天计算中心天体的质量体的质量,俗称俗称“借助外援法借助外援法”。常见的情况如下。常见的情况如下:2.天体密度的天体密度的计算计算 温馨提示温馨提示当当卫星环绕天体表

14、面运动时卫星环绕天体表面运动时,卫星的轨道半径卫星的轨道半径r可认为等于可认为等于天体半径天体半径R,则则=。典型例题典型例题【例题【例题1】(多选多选)在未来在未来,航天员准备登陆木星航天员准备登陆木星,为了更准确为了更准确地了解木星的一些信息地了解木星的一些信息,到木星之前要做一些科学实验。当到木星之前要做一些科学实验。当与木星表面相对静止时与木星表面相对静止时,航天员对木星表面发射一束激光航天员对木星表面发射一束激光,经经过时间过时间t,收到激光传回的信号收到激光传回的信号,测得相邻两次看到日出的时间测得相邻两次看到日出的时间间隔是间隔是T,测得航天员所在航天器的速度为测得航天员所在航天

15、器的速度为v,已知引力常量已知引力常量G,激光的速度为激光的速度为c,则则()D.根据题目所给条件根据题目所给条件,可以求出木星的可以求出木星的密度密度 答案答案:AD 误区警示误区警示求解求解天体质量和密度时的两种常见错误天体质量和密度时的两种常见错误:2.混淆或乱用天体半径与轨道半径混淆或乱用天体半径与轨道半径,为了正确并清楚地运用为了正确并清楚地运用,应一开始就养成良好的习惯应一开始就养成良好的习惯,比如通常情况下天体半径用比如通常情况下天体半径用R表表示示,轨道半径用轨道半径用r表示表示,这样就可以避免如这样就可以避免如=误误约分约分;只有只有卫星在天体表面做匀速圆周运动时卫星在天体表

16、面做匀速圆周运动时,如近地卫星如近地卫星,轨道半径轨道半径r才才可以认为等于天体半径可以认为等于天体半径R。【变式训练【变式训练1】(2018全国卷全国卷2)2018年年2月月,我国我国500 m口径口径射电望远镜射电望远镜(天眼天眼)发现毫秒脉冲星发现毫秒脉冲星“J0318+0253”,其自转周期其自转周期T=5.19 ms,假设星体为质量均匀分布的球体假设星体为质量均匀分布的球体,已知引力常量为已知引力常量为6.6710-11 Nm2/kg2。以周期。以周期T稳定自转的星体的密度最小稳定自转的星体的密度最小值约为值约为()A.5109 kg/m3B.51012 kg/m3C.51015 k

17、g/m3D.51018 kg/m3解析解析:设星体设星体“赤道赤道”表面上有一质量为表面上有一质量为m的物体的物体,当其刚好不当其刚好不脱离星体时脱离星体时,星体的体积最大星体的体积最大,密度最小密度最小,其所受万有引力其所受万有引力提供提供答案答案:C 问题引领问题引领如图所示如图所示,行星在围绕太阳做匀速圆周运动。试探讨行星在围绕太阳做匀速圆周运动。试探讨:(1)行星绕太阳做匀速圆周运动时线速度的大小是由什么因行星绕太阳做匀速圆周运动时线速度的大小是由什么因素决定的素决定的?(2)行星、卫星绕中心天体运动时行星、卫星绕中心天体运动时的的线速度线速度、角速度、周期和向心加速度、角速度、周期和

18、向心加速度与与自身自身质量有关吗质量有关吗?知识知识点点二二 天体天体运动的分析运动的分析归纳提升归纳提升1.基本思路基本思路一般行星或卫星的运动可看作匀速圆周运动一般行星或卫星的运动可看作匀速圆周运动,所需要的向心所需要的向心力都由中心天体对它的万有引力提供力都由中心天体对它的万有引力提供,所以研究天体时可所以研究天体时可建建2.常用常用关系关系 典型例题典型例题【例题【例题2】据报道据报道,天文学家发现了一颗距地球天文学家发现了一颗距地球40光年的光年的“超级地球超级地球”,名为名为“55Cancrie”。该行星绕母星。该行星绕母星(中心天体中心天体)运运行的周期约为地球绕太阳运动周期行的

19、周期约为地球绕太阳运动周期的的 ,母星的体积约为太母星的体积约为太阳的阳的60倍。假设母星与太阳密度相同倍。假设母星与太阳密度相同,“55Cancrie”与地球均与地球均做匀速圆周运动做匀速圆周运动,则则“55Cancrie”与地球的与地球的()答案答案:B 误区警示误区警示1.卫星的卫星的an、v、T与卫星的质量无关与卫星的质量无关,仅由被环绕的天仅由被环绕的天体的质量体的质量m天天和轨道半径和轨道半径r决定。决定。2.应用万有引力定律求解时还要注意挖掘题目中的隐含条应用万有引力定律求解时还要注意挖掘题目中的隐含条件件,如地球的公转周期是如地球的公转周期是365天天,自转一周是自转一周是24

20、小时小时,其表面的其表面的重力加速度约为重力加速度约为9.8 m/s2。【变式训练【变式训练2】(多选多选)2003年年8月月29日日,火星、地球和太阳处火星、地球和太阳处于三点一线于三点一线,上演上演“火星冲日火星冲日”的天象奇观。这是的天象奇观。这是6万年来火星万年来火星距地球最近的一次距地球最近的一次,与地球之间的距离与地球之间的距离只有只有5 576万千米万千米,为人类研究火星提供了最佳时机为人类研究火星提供了最佳时机。下下图为图为“火星冲日火星冲日”的虚拟图的虚拟图,则则()A.2003年年8月月29日日,火星的线速度大于地球的线速度火星的线速度大于地球的线速度B.2003年年8月月

21、29日日,火星的线速度小于地球的线速度火星的线速度小于地球的线速度C.2004年年8月月29日日,火星又回到了该位置火星又回到了该位置D.2004年年8月月29日日,火星还没有回到该位置火星还没有回到该位置正确正确;火星轨道半径大火星轨道半径大,线速度小线速度小,火星运动的周期较大火星运动的周期较大,所以所以一年后地球回到该位置一年后地球回到该位置,而火星还没有回到该位置而火星还没有回到该位置,C错误、错误、D正确。正确。答案答案:BD1.(未知天体的发现未知天体的发现)下列说法正确的是下列说法正确的是()A.海王星是人们直接应用万有引力定律计算出轨道而发现的海王星是人们直接应用万有引力定律计

22、算出轨道而发现的B.天王星是人们依据万有引力定律计算出轨道而发现的天王星是人们依据万有引力定律计算出轨道而发现的C.海王星是人们经过长期的太空观测而发现的海王星是人们经过长期的太空观测而发现的D.天王星的运行轨道与由万有引力定律计算的轨道存在偏差天王星的运行轨道与由万有引力定律计算的轨道存在偏差,其原因是天王星受到轨道外的行星的引力作用其原因是天王星受到轨道外的行星的引力作用,由此人们发由此人们发现了海王星现了海王星解析解析:由行星的发现历史可知由行星的发现历史可知,天王星并不是根据万有引力定天王星并不是根据万有引力定律计算出轨道而发现的律计算出轨道而发现的;海王星不是通过观测发现海王星不是通

23、过观测发现,也不是直也不是直接由万有引力定律计算出轨道而发现的接由万有引力定律计算出轨道而发现的,而是人们发现天王而是人们发现天王星的实际轨道与理论轨道存在偏差星的实际轨道与理论轨道存在偏差,然后运用万有引力定律然后运用万有引力定律计算出计算出“新新”星的轨道星的轨道,从而发现了海王星从而发现了海王星,故故D正确。正确。答案答案:D2.(天体质量的计算天体质量的计算)土星最大的卫星叫泰坦土星最大的卫星叫泰坦(如图所示如图所示),它每它每16天绕土星一周天绕土星一周,公转轨道半径为公转轨道半径为1.2106 km。已知引力常。已知引力常量量G=6.6710-11 Nm2/kg2,则土星的质量约为

24、则土星的质量约为()A.51017 kgB.51026 kgC.51033 kgD.51036 kg解析解析:根据泰坦的运动情况根据泰坦的运动情况,由万有引力提供向心力由万有引力提供向心力,代入数据得代入数据得m土土51026 kg,故选故选B。答案答案:B3.(天体密度的计算天体密度的计算)嫦娥二号是我国月球探测第二期工程的嫦娥二号是我国月球探测第二期工程的先导星。如图所示先导星。如图所示,若测得嫦娥二号在月球若测得嫦娥二号在月球(可视为密度均匀可视为密度均匀的球体的球体)表面附近圆形轨道运行的周期为表面附近圆形轨道运行的周期为T,已知引力常量为已知引力常量为G,半径为半径为R的球体体积公式的球体体积公式V=R3,则可估算月球的则可估算月球的()A.密度密度B.质量质量C.半径半径D.自转周期自转周期答案答案:A 4.(天体质量的计算天体质量的计算)地球绕太阳公转的轨道半径为地球绕太阳公转的轨道半径为1.491011 m,公转的周期是公转的周期是3.16107 s,太阳的质量是多少太阳的质量是多少?答案答案:1.961030 kg