第1節(jié)萬有引力定律及引力常量的測定(課件)

第5章萬有引力定律及其應(yīng)用第1節(jié)萬有引力定律及引力常量的測定

托勒密地球是世界的中心，并且靜止不動，一切行星圍繞地球做圓周運動。地心說人類對行星運動的認識

太陽是世界的中心，并且靜止不動，一切行星都圍繞太陽做圓周運動。哥白尼日心說波蘭天文學(xué)家哥白尼用“日心說〞掀起了一場轟轟烈烈的認知革命，人類才開始了對宇宙的科學(xué)審視。1、開普勒第一定律〔幾何定律〕所有的行星圍繞太陽運動的軌道都是橢圓，太陽處在所有橢圓的一個焦點上。一、開普勒定律思考：這一定律說明了行星運動軌跡的形狀，不同行星繞太陽運行時橢圓軌道相同嗎？不同第1節(jié)萬有引力定律及引力常量的測定太陽行星2、開普勒第二定律〔面積定律〕對于每一個行星而言，太陽和行星的連線在相等的時間內(nèi)掃過相等的面積。由在相等的時間內(nèi)掃過的面積相等來說，各點的速率并不相同，由近地點到遠地點速率由大變小，由遠地點到近地點，速率由小到大。思考：行星繞太陽運行時各點的速率相同嗎？3、開普勒第三定律〔周期定律〕所有行星的軌道的半長軸的三次方跟公轉(zhuǎn)周期的二次方的比值都相等。思考：這些行星為什么會如此運轉(zhuǎn)？它們?yōu)槭裁醇炔粫撾x太陽，又不會墜向太陽呢？牛頓總結(jié)了前人的研究成果，運用開普勒三大定律和自己在力學(xué)、數(shù)學(xué)方面的研究成果，發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律，比較完美的給出了天體的運動規(guī)律。r太陽行星①建立模型，溫故探新②數(shù)學(xué)推導(dǎo)，總結(jié)規(guī)律行星運動的橢圓軌道偏心率都小于0.3，我們把它理想化為一個圓形軌道開普勒第三定律根據(jù)圓周運動的知識可知，行星必然受到太陽的引力來提供向心力可見太陽對行星的引力F與行星的質(zhì)量m成正比，與它們之間的距離r2成反比。根據(jù)牛頓第三定律可知：行星對太陽的引力也應(yīng)與太陽的質(zhì)量M成正比③科學(xué)推想，形成等式④實驗驗證，形成概念比例系數(shù)G于100多年后才被測定(1687－1798)二、萬有引力定律⑴內(nèi)容：自然界中任何兩個物體都是相互吸引的，引力的方向沿兩物體的連線，引力的大小F與這兩個物體的質(zhì)量的乘積m1m2成正比，跟這兩個間距離r的平方成反比。⑵定律表達式：1、定律的內(nèi)容①只適用于質(zhì)點間引力大小的計算。②當兩物體是質(zhì)量均勻分布的球體時，它們的引力可直接用公式計算，但r指兩球心間距離。⑶適用條件：⑷各物理量的含義:①F：物體間的引力，單位：牛頓〔N〕③r的含義：較遠時可視為質(zhì)點的兩個物體間的距離；

較近時質(zhì)量分布均勻的球體的球心間的距離。其單位為：米(m)④G：萬有引力常量G在數(shù)值上等于兩個質(zhì)量都為1kg的物體相距1m時相互吸引力的大小②m：物體的質(zhì)量，單位：千克〔kg〕2、萬有引力定律的理解⑴普遍性：任何兩個物體之間都存在引力〔大到天體小到微觀粒子〕，它是自然界的物體間的根本相互作用之一．⑵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，符合牛頓第三定律．萬有引力定律公式中的r，其含義是兩個質(zhì)點間的距離。⑶宏觀性：通常情況下，萬有引力非常小，只有在質(zhì)量巨大的天體間或天體與物體間它的存在才有宏觀的物理意義．在微觀世界中，粒子的質(zhì)量都非常小，粒子間的萬有引力很不顯著，萬有引力可以忽略不計．2、萬有引力定律的理解⑷特殊性：兩物體間的萬有引力只與他們本身的質(zhì)量以及它們間的距離有關(guān)，而與所在空間的性質(zhì)無關(guān)，也與周圍有無其他物體無關(guān)(質(zhì)量是引力產(chǎn)生的原因)。⑸重力是萬有引力的分力注：一般可近似認為物體受到的重力等于地球?qū)ξ矬w的萬有引力。3、萬有引力定律的重要意義⑴是17世紀自然科學(xué)最偉大的成果之一。它把地面上物體運動的規(guī)律和天體運動的規(guī)律統(tǒng)一起來，對以后物理學(xué)和天文學(xué)的開展具有深遠的影響。它第一次揭示了自然界中一種根本相互作用的規(guī)律，在人類認識自然的歷史上樹立了一座里程碑。⑵在科學(xué)文化開展史上起到了積極的推動作用，解放了人們的思想，給人們探索自然的奧秘建立了極大的信心，人們有能力理解天地間的各種事物?！纠}】并排坐著的兩個人，他們的質(zhì)心相距0.5m，質(zhì)量分別是50kg和75kg，請用萬有引力定律來估算他們之間的引力。解：根據(jù)萬有引力定律：說明：當兩個物體質(zhì)量不夠大時，相互的引力非常小，以致難以觀測到，常常忽略不計。三、引力常量的測定及其意義直到1798年，英國物理學(xué)家卡文迪許巧妙地利用了扭秤裝置，第一次在實驗室里對兩個物體間的引力大小作了精確的測量和計算，比較準確地測出了引力常量．

1686年牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力定律后，曾經(jīng)設(shè)想過幾種測定引力常量的方法，卻沒有成功.其間又有科學(xué)家進行引力常量的測量也沒有成功.卡文迪許卡文迪許是“能稱出地球質(zhì)量的人〞1、引力常量的測定--------卡文迪許扭秤實驗卡文迪許〔HenryCavendish〕英國物理學(xué)家和化學(xué)家。1731年10月10日生于法國尼斯。1749年考入劍橋大學(xué)，1753年尚未畢業(yè)就去巴黎留學(xué)。后回倫敦定居，在他父親的實驗室中做了許多電學(xué)和化學(xué)方面的研究工作。1760年被選為英國皇家學(xué)會會員。1803年中選為法國科學(xué)院外國院土。卡文迪許畢生致力于科學(xué)研究，從事實驗研究達50年之久，性格孤僻，很少與外界來往。卡文迪許的主要奉獻有：1781年首先制得氫氣，并研究了其性質(zhì)，用實驗證明它燃燒后生成水。他在化學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、萬有引力等方面進行了許多成功的實驗研究，但很少發(fā)表，過了一個世紀后，麥克斯韋整理了他的實驗論文，并于1879年出版了名為《尊敬的亨利·卡文迪許的電學(xué)研究》一書，此后人們才知道卡文迪許做了許多電學(xué)實驗。在1766年發(fā)表了《論人工空氣》的論文并獲皇家學(xué)會科普利獎?wù)?。他制出純氧，并確定了空氣中氧、氮的含量，證明水不是元素而是化合物。他被稱為“化學(xué)中的牛頓〞?？ㄎ牡显S的重大奉獻之一是1798年完成了測量萬有引力的扭秤實驗，后世稱為卡文迪許實驗。他改進了英國機械師米歇爾〔JohnMichell，1724～1793〕設(shè)計的扭秤，在其懸線系統(tǒng)上附加小平面鏡，利用望遠鏡在室外遠距離操縱和測量，防止了空氣的擾動〔當時還沒有真空設(shè)備〕。他用一根39英寸的鍍銀銅絲吊一6英尺木桿，桿的兩端各固定一個直徑2英寸的小鉛球，另用兩顆直徑12英寸的固定著的大鉛球吸引它們，測出鉛球間引力引起的擺動周期，由此計算出兩個鉛球的引力，由計算得到的引力再推算出地球的質(zhì)量和密度。

卡文迪許一生在自己的實驗室中工作，被稱為“最富有的學(xué)者，最有學(xué)問的富翁〞?？ㄎ牡显S于1810年2月24日去世。⑴證明了萬有引力的存在，使得萬有引力定律有了真正的實用價值，可測定遠離地球的一些天體的質(zhì)量、平均密度等．如根據(jù)地球外表的重力加速度可以測定地球的質(zhì)量．⑵“開創(chuàng)了測量弱力的新時代〞〔英國物理學(xué)家玻印廷語〕．2、測定引力常量的重要意義課本P95:2.兩艘輪船，質(zhì)量都是1.0×104t，相距10km，它們之間的萬有引力是多大？請將這個力與輪船所受的重力進行比較，看看是重力的多少倍。解：可以將輪船看成質(zhì)點，根據(jù)萬有引力定律而重力的大小為：它們的比值為：3.太陽的質(zhì)量為2.0×1030kg，太陽和地球的平均距離為1.5×1011m，太陽和地球之間的萬有引力是多大？比較2、3兩題的計算結(jié)果，你有什么發(fā)現(xiàn)？〔地球的質(zhì)量約為6.0×1024kg)解：根據(jù)萬有引力定律:比較2、3兩題的計算結(jié)果可知：質(zhì)量大小的乘積對引力大小的