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万有引力定律
知识点一:万有引力定律
一、行星与太阳间的引力
行星绕太阳的运动可看作匀速圆周运动.设行星的质量为m,速度为v,行星到太阳的距离为r.
天文观测测得行星公转周期为T,则
向心力F=m=mr①
根据开普勒第三定律:=k②
由①②得:F=4π2k③
由③式可知太阳对行星的引力F∝
根据牛顿第三定律,行星对太阳的引力F′∝
则行星与太阳间的引力F∝
写成等式F=G.
二、月—地检验
1.猜想:地球与月球之间的引力F=G,根据牛顿第二定律a月==G.
地面上苹果自由下落的加速度a苹==G.
由于r=60R,所以=.
2.验证:(1)苹果自由落体加速度a苹=g=9.8m/s2.
(2)月球中心距地球中心的距离r=3.8×108m.
月球公转周期T=27.3d≈2.36×106s
则a月=()2r=2.7×10-3m/s2(保留两位有效数字)
=2.8×10-4(数值)≈(比例).
3.结论:地面物体所受地球的引力、月球所受地球的引力,与太阳、行星间的引力,遵从相同的规律.
三、万有引力定律
1.内容:自然界中任何两个物体都相互吸引,引力的方向在它们的连线上,引力的大小与物体的质量m1和m2的乘积成正比,与它们之间距离r的二次方成反比.
2.表达式:F=G,其中G叫作引力常量.
四、引力常量
牛顿得出了万有引力与物体质量及它们之间距离的关系,但没有测出引力常量G.
英国物理学家卡文迪什通过实验推算出引力常量G的值.通常情况下取G=6.67×10-11N·m2/kg2.
技巧点拨
一、对太阳与行星间引力的理解
导学探究
1.是什么原因使行星绕太阳运动?
答案太阳对行星的引力使行星绕太阳运动.
2.在推导太阳与行星间的引力时,我们对行星的运动怎么简化处理的?用了哪些知识?
答案将行星绕太阳的椭圆运动看成匀速圆周运动.在推导过程中,用到了向心力公式、开普勒第三定律及牛顿运动定律.
知识深化
万有引力定律的得出过程
二、万有引力定律
导学探究
经过月地检验,结果显示所有地面物体所受的地球引力、月球所受的地球引力以及太阳与行星间的引力都遵循相同的规律。这意味着所有物体都受到这种引力作用。然而,我们通常感觉不到两个人之间的万有引力,这是什么原因呢?
图
(2)地球对人的万有引力与人对地球的万有引力大小相等吗?
答案(1)两个人之间的万有引力大小为:F==N=6.67×10-7N,因引力很小,所以通常感受不到.
(2)相等.它们是一对相互作用力.
知识深化
1.万有引力定律表达式:F=G,G=6.67×10-11N·m2/kg2.
2.万有引力定律公式适用的条件
(1)两个质点间的相互作用.
(2)一个均匀球体与球外一个质点间的相互作用,r为球心到质点的距离.
(3)两个质量均匀的球体间的相互作用,r为两球心间的距离.
三、重力和万有引力的关系
1.物体在地球表面上所受引力与重力的关系:
除两极以外,地面上其他点的物体,都围绕地轴做圆周运动,这就需要一个垂直于地轴的向心力.地球对物体引力的一个分力F′提供向心力,另一个分力为重力G,如图所示.
图
(1)当物体在两极时:G=F引,重力达到最大值Gmax=G.
(2)当物体在赤道上时:
F′=mω2R最大,此时重力最小
Gmin=G-mω2R
(3)从赤道到两极:随着纬度增加,向心力F′=mω2R′减小,F′与F引夹角增大,所以重力G在增大,重力加速度增大.
因为F′、F引、G不在一条直线上,重力G与万有引力F引方向有偏差,重力大小mgG.
2.重力与高度的关系
若距离地面的高度为h,则mg′=G(R为地球半径,g′为离地面h高度处的重力加速度).在同一纬度,距地面越高,重力加速度越小.
3.特别说明
(1)重力是物体由于地球吸引产生的,但重力并不是地球对物体的引力.
(2)在忽略地球自转的情况下,认为mg=G.
例题精练
1.(菏泽期中)物理学领域中具有普适性的一些常量,对物理学的发展有很大作用,引力常量G就是其中之一。1798年,卡文迪许首次利用如图所示的装置,比较精确地测量出了引力常量。下列说法错误的是()
A.引力常量不易测量的一个重要原因就是地面上普通物体间的引力太微小
B.月球上的引力常量等于地球上的引力常量
C.这个实验装置巧妙地利用放大原理,提高了测量精度
D.引力常量G的大小与两物体质量的乘积成反比,与两物体间距离的平方成正比
2.(南海区期末)牛顿在发现万有引力定律的过程中,没有用到的规律和结论是()
A.卡文迪许通过扭秤实验得出的引力常数
B.牛顿第二定律
C.牛顿第三定律
D.开普勒的研究成果
随堂练习
1.(海淀区校级三模)卡文迪许把自己的扭秤实验称为“称量地球的质量”,在测得万有引力常数G后,知道下列哪个选项中的物理量
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