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- 2021-05-26 发布
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6.4 万有引力理论的成就
学习
目标
1.了解万有引力定律在天文学上的应用
2.会用万有引力定律计算天体的质量和密度3.掌握综合运用万有引力定律和圆周运动学知识分析具体问题的方法
学习
疑问
学习
建议
【预学能掌握的内容】
1.地球上的物体具有的重力是由于 而产生的,若不考虑地球自转的影响,地面上的物体所受的重力等于物体受到的 。所以我们只需测出 和地球表面的 即可求地球的质量。
2.计算中心天体的质量,首先观测围绕中心天体运动的 和 ,然后根据万有引力提供 由牛顿第二定律列出方程,求得中心天体的质量M= 。
3.海王星是在 年 月 日德国的伽勒在勒维耶预言的位置附近发现的,发现的过程是:发现 的实际运动轨道与 的轨道总有一些偏差,根据观察到的偏差数据和万有引力定律计算出 ,并预测可能出现的时刻和位置;在预测的时间去观察预测的位置。海王星的发现最终确立了 也成为科学史上的美谈。
【合作探究一】实验室里“称量”地球的质量
阅读教材41页“科学真是迷人”部分的内容,思考问题:
推导出地球质量的表达式,说明卡文迪许为什么能把自己的实验说成是“
称量地球的重量”?
【归纳总结】
实验室里“称量”地球的质量
1.称量条件:
2.称量原理:地面上物体的 力等于地球对该物体的 力,即
3.称量结果:地球的质量
【典题探究】
例题1:设地面附近的重力加速度g=9.8m/s2,地球半径R =6.4×106m,引力常量G=6.67×10-11 Nm2/kg2,试估算地球的质量。
【合作探究二】计算中心天体的质量
问题:阅读教材“计算天体的质量”标题下的内容,结合教材知识以及前面所学匀速圆周运动的知识,加以讨论、综合,然后回答下列问题。
1.行星绕太阳做什么运动?通常情况下可以建立怎样的运动模型?
2.行星绕太阳做圆周运动的向心力是由什么力提供的?
3.请根据万有引力定律和牛顿第二定律及圆周运动知识,用已知物理量表示出太阳的质量,若已知某行星的质量为,轨道半径为,公转周期为,引力常量为。
4.应用天体运动的动力学方程——万有引力充当向心力求出的天体质量还有几种表达式?各是什么?
5.应用此方法能否求出环绕天体的质量?
6.请你总结应用万有引力定律计算未知天体质量的方法。
【归纳总结】
1.常见的中心天体质量的两种求解方法
①利用天体表面万有引力与重力的关系求解:即由,得= 。
②利用环绕法:利用万有引力充当向心力,即,根据已知量或待求量,可灵活选取
= = = 等。
2.注意公式中与与不同
通常指 ,通常指 ,,其中为 ;是 ;是 ,两者意义不同。
【典题探究】
例题2:假定地球绕太阳做匀速圆周运动,周期为365天,地球到太阳的距离为 m,取G= N·,求太阳的质量。
【合作探究三】计算中心天体的密度
问题:既然我们已经能够求解天体的质量,那么能否求解天体的平均密度?如何求?写出其计算表达式。
【归纳总结】
计算中心天体的密度的两种求法
(1)方法一:利用天体表面的 ,求天体的密度。
由= = 解得:=
(2)方法二:利用天体的卫星求天体的密度。
设卫星绕天体运动的轨道半径为,周期为,天体半径为,则可列出方程:
= · 解得=
拓展结论:当卫星(或行星)在靠近天体的轨道上运行时,其轨道半径等于天体半径,则天体密度为:= 。
【典题探究】
例题3:(多选)若已知某行星绕太阳公转的半径为,公转周期为,引力常量为,太阳的半径为,由此可求( )
A.某行星质量 B.太阳的质量
C.某行星的密度 D.太阳的密度
【合作探究四】发现未知天体
问题1:应用万有引力定律发现了哪些天体?
问题2:人们是怎样应用万有引力定律来发现未知天体的
【典题探究】
例题4: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的轨道而发现的
B.天王星是人们依据万有引力定律计算的轨道而发现的
C.海王星是人们经过长期的太空观测而发现的
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,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
【课堂检测】
1.已知下面的哪组数据,可以算出地球的质量M(引力常量G为已知)( )
A.月球绕地球运行的周期T1及月球到地球中心的距离R1
B.地球绕太阳运行周期T2及地球到太阳中心的距离R2
C.地球绕太阳运行的速度v3及地球到太阳中心的距离R3
D.地球表面的重力加速度g及地球到太阳中心的距离R4
2.已知地球的质量为M,月球的质量为m,月球绕地球运行的轨道半径为r,周期为T,万有引力常量为G,则月球绕地球运转轨道处的重力加速度大小等于( )
A. B. C. D.r
3.一行星绕恒星做圆周运动.由天文观测可得,其运行周期为T,速度为v.引力常量为G,则( )
A.恒星的质量为 B.行星的质量为
C.行星运动的轨道半径为 D.行星运动的加速度为
4.行星的运动可看做匀速圆周运动,则行星绕太阳运动的轨道半径R的三次方与周期T的平方的比值为常量=k,下列说法正确的是( )
A.公式=k只适用于围绕太阳运行的行星
B.围绕同一星球运行的行星或卫星,k值不相等
C.k值与被环绕星球的质量和行星或卫星的质量都有关系
D.k值仅由被环绕星球的质量决定
5.把太阳系各行星的运动近似看成匀速圆周运动,则离太阳越远的行星( )
A.周期越小 B.线速度越小 C.角速度越小 D.加速度越小
6.质量为m的探月航天器在接近月球表面的轨道上飞行,其运动视为匀速圆周运动.已知月球质量为M,月球半径为R,月球表面重力加速度为g,引力常量为G,不考虑月球自转的影响,则航天器的( )
A.线速度v= B.角速度ω=
C.运行周期T=2π D.向心加速度a=
7.一艘宇宙飞船绕一个不知名的行星表面飞行,要测定该行星的密度,仅仅需要( )
A.测定飞船的运行周期 B.测定飞船的环绕半径
C.测定行星的体积 D.测定飞船的运动速度
8.有一星球的密度跟地球密度相同,但它表面处的重力加速度是地面上重力加速度的4倍,则该星球的质量是地球质量的( )
A.1/4 B.4倍 C.16倍 D.64倍
9.地球表面的重力加速度为g,地球半径为R,万有引力常量为G,则地球的平均密度为( )
A. B. C. D.
10.设地球表面重力加速度为g0,物体在距离地心4R(R是地球的半径)处,由于地球的作用而产生的加速度为g,则为( )
A.1 B. C. D.
11.火星直径约为地球直径的一半,质量约为地球质量的十分之一,它绕太阳公转的轨道半径约为地球绕太阳公转半径的1.5倍.根据以上数据,以下说法中正确的是( )
A.火星表面重力加速度的数值比地球表面的小
B.火星公转的周期比地球的长 C.火星公转的线速度比地球的大
D.火星公转的向心加速度比地球的大
12.我国曾发射一颗绕月运行的探月卫星“嫦娥一号”.设想“嫦娥一号”贴近月球表面做匀速圆
周运动,其周期为T.“嫦娥一号”在月球上着陆后,自动机器人用测力计测得质量为m的仪器重为
P.已知引力常量为G,由以上数据可以求出的量有( )
A.月球的半径 B.月球的质量
C.月球表面的重力加速度 D.月球绕地球做匀速圆周运动的向心加速度
13.为了对火星及其周围的空间环境进行监测,我国预计于2020年10月发射第一颗火星探测器“萤火一号”.假设探测器在离火星表面高度分别为h1和h2的圆轨道上运动时,周期分别为T1和T2.火星可视为质量分布均匀的球体,且忽略火星的自转影响,引力常量为G.仅利用以上数据,可以计算出( )
A.火星的密度和火星表面的重力加速度
B.火星的质量和火星对“萤火一号”的引力
C.火星的半径和“萤火一号”的质量
D.火星表面的重力加速度和火星对“萤火一号”的引力
14.已知地球半径约为6.4×106 m,已知月球绕地球的运动可近似看做匀速圆周运动,运动周期为27天,则可估算出月球到地心的距离约为多少?(结果只保留一位有效数字).
15.我国航天技术飞速发展,设想数年后宇航员登上了某星球表面.宇航员从距该星球表面高度为
h处,沿水平方向以初速度v抛出一小球,测得小球做平抛运动的水平距离为L,已知该星球的半径
为R,引力常量为G.求:(1)该星球表面的重力加速度;(2)该星球的平均密度.
16.质量分别为m1和m2的两个星球,绕同一圆心做匀速圆周运动,它们之间的距离恒为l,不考虑其他星体的影响,两颗星的轨道半径和周期各是多少?
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