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第六章 曲线运动第3节 万有引力定律【学习目标】 编写：温敬霞 审核：1．了解万有引力定律发现的思路和过程2．理解万有引力定律，知道它的适用范围3．会用万有引力定律解决简单的引力计算问题，知道公式中r 的物理意义4. 引力常量G 的物理意义及万有引力定律发现的意义【课堂探究】一. 万有引力定律提出的背景通过上节的学习，我们知道：行星绕太阳匀速圆周运动所需的向心力由太阳与行星间的引力 来提供的，从而使得行星不能飞离太阳；那么现在我们来进一步思考：⑴. 地面上的物体，如苹果，被抛出后总要落回地面，是什么力使得苹果不离开地球呢？————是否也是由于地球对苹果的引力造成的？————地球对苹果的引力和太阳对行星的引力是否根本就是同一种力呢？⑵. 进一步设想：如果物体延伸到月球那么远，物体是否也会向月球那样围绕地球运动？太阳吸引行星的力；地球吸引月球的力； 是否是同一性质的力？遵循相同的规律？地球吸引苹果的力；这个想法的正确性要由事实来检验二. 万有引力的检验思考：“月地检验”基本思路是怎样的？假设维持月球绕地球运动的力与使苹果下落的力是同一种力，同样遵循F ＝G2rMm 因为 r 月 = r 地 所以 F 月＝ F 地根据牛顿第二定律 所以a 月= g 地已知：月球与地球之间的距离r=3.8×108m ，月T=27.3天，重力加速度28.9s m g 求： 三. 万有引力定律1.定律内容：2. 公式3. 万有引力定律的适用条件【典型例题】例题1. 既然任何物体间都存在着引力，为什么当两个人接近时他们不会吸在一起？我们通常分析物体的受力时是否考虑物体间的万有引力？例题2. 大麦哲伦云和小麦哲伦云是银河系外离地球最近的星系。
大麦哲伦云的质量是太阳质量的1010倍，即2.0×1040㎏，小麦哲伦云的质量是太阳质量的109倍，两者相距5×104光年，求它们之间的引力。
ga 月4. 对万有引力定律的进一步理解⑴.F 相互性⑵.重力与万有引力的区别与联系：①重力是由地球的吸引而产生的．但重力与万有引力是有区别的．地面上的物体所受地球的吸引力产生两个效果。
第3节万有引力定律的应用本节教材分析（1）三维目标一、知识与技能1．通过了解万有引力定律在天文学上的重要应用，体会科学定律对人类认识世界的作用．2．知道天体间的相互作用主要是万有引力，以及如何应用万有引力定律计算天体质量的方法．二、过程与方法1．预测未知天体是万有引力定律最辉煌的成就之一，通过对海王星发现过程的了解，体会科学理论对探索未知世界思想的指导作用．2．通过自主思考和讨论与交流，掌握计算天体质量的思路和方法三、情感态度与价值观1. 利用万有引力定律可以预言未知天体和彗星回归，让学生懂得理论来源于实践，反过来又可以指导实践的辩证唯物主义．知道实践是检验真理的唯一标准．2. 利用万有引力定律计算太阳、地球的质量，发展学生对科学的好奇心与求知欲，体验探索自然规律的艰辛和喜悦．（2）教学重点1.行星（人造卫星）绕中心天体运动的向心力是由万有引力提供的。
2.会用已知条件来求中心天体的质量（3）教学难点会用已知条件来求中心天体的质量（4）教学建议这节课通过对一些天体运动的实例分析，使学生了解：通常物体之间的万有引力很小，常常觉察不出来，但在天体运动中，由于天体的质量很大，万有引力将起决定性作用，对天文学的发展起了很大的推动作用，其中一个重要的应用就是计算天体的质量.在讲课时，应用万有引力定律有两条思路要交待清楚：1.把天体（或卫星）的运动看成是匀速圆周运动，即F引=F向，用于计算天体（中心体）的质量，讨论卫星的速度、角速度、周期及半径等问题.2.在地面附近把万有引力看成物体的重力，即F引=mg.主要用于计算涉及重力加速度的问题.这节内容是这一章的重点，这是万有引力定律在实际中的具体应用.主要知识点就是如何求中心体质量及其他应用，还是可发现未知天体的方法.万有引力定律是物理学中的重要基本定律，为了使学生对定律的发现历史和背景有所了解，如果条件允许，希望教师能讲一讲.还可补充讲讲地球上物体重量的变化.这样有助于学生认识万有引力定律的意义，并可起到巩固知识、应用知识的作用.通过这节的教学应使学生了解，通常物体之间的万有引力很小，以致察觉不出，但在天体运动中，由于天体的质量很大，万有引力将起决定性的作用，万有引力定律的发现对天文学的发展起了很大推动作用.新课导入设计导入一环节一：创设情景引入课题（多媒体屏幕打出 PPT1. ）教师：请同学描述一下这幅图片．学生活动：这是我们生活的太阳系 , 它是由水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星等组成一个庞大的家族．九大行星围绕太阳做圆周运动．教师：九大行星为什么能围绕太阳做圆周运动？学生活动：太阳与行星之间存在万有引力，万有引力是使行星绕太阳运动的向心力：．过渡：自从卡文迪许测出了万有引力常量，万有引力定律就对天文学的发展起了很大的推动作用，这节课我们来学习万有引力定律在天文学上的应用 . （ PPT1 上打出课题）（板书）§ 3.3 万有引力定律的应用导入二教学环节教学内容教学说明（一）设置问题，引起思考引入：通过学习万有引力定律，我们知道，任何有质量的物体间都存在着相互的吸引力．问题一：两个质量都为 60 kg 可以看成质点的人，相距 1 m ，试估算他们之间的万有引力是多大？感性认识：一般物体间的万有引力极其微弱，是感觉不到的，一般的测量方法也无法测出，所以一般不考虑．另一方面，体现出卡文迪许在当时的条件下测量 G 值，是很有开创性的．说明：两个人相距 1m 时，不能把人看成质点而简单套用万有引力定律公式．上面的计算是一种估算．进一步设问：体验性计算：计算常态物体、超大物体间的万有引力的大小，体会万有引力常量的“小”，以及万有引力对大质量的物体更有意义．显示构建的“质点模型”图片．如果两物体质量是 60 × 1021kg ，相距１ｍ，它们之间的万有引力是多广呢？ F ＝2.4 × 1035N感性认识：超大质量物体间的万有引力是巨大的，不可忽略．引言：阿基米德曾说过，如果给他一个支点，他可以撬起地球．我们知道天体之间的运动是遵循万有引力定律的．那么——问题二：你用万有引力定律，能“称”出地球的质量吗？明确给出学习的任务：“测”地球的质量．显示地球图片．2019-2020学年高考物理模拟试卷一、单项选择题：本题共10小题，每小题3分，共30分．在每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的1．2019年10月8日，瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布，将2019年诺贝尔物理学奖，一半授予美国普林斯顿大学吉姆·皮布尔斯，以表彰他“关于物理宇宙学的理论发现”，另外一半授予瑞士日内瓦大学的米歇尔·麦耶和瑞士日内瓦大学教授兼英国剑桥大学教授迪迪埃·奎洛兹，以表彰他们“发现一颗环绕类日恒星运行的系外行星”。
第三节 万有引力定律陈维汉【巩固教材—稳扎稳打】1. 关于行星绕太阳运动的原因，下列说法中正确的是 ( )A . 由于行星做匀速圆周运动，故行星不受任何力作用B ．由于行星周围存在旋转的物质造成的C ．由于受到太阳的吸引造成的D ．除了受到太阳的吸引力，还必须受到其他力的作用2. 历史上第一个在实验室里比较准确地测出万有引力恒量的科学家是( )A . 伽利略B . 托里拆利C . 牛顿D . 卡文迪许3. 月球表面的重力加速度为地球表面上重力加速度的1/6，一个质量为600 kg 的飞行器到达月球后( )A ．在月球上质量仍为600 kgB ．在月球表面上的重量为980 NC ．在月球表面上空的重量小于980 ND ．在月球上的质量将小于600 kg4. 下面关于万有引力的说法中正确的是( )A ．万有引力是普遍存在于宇宙中所有具有质量的物体之间的相互作用B ．重力和万有引力是两种不同性质的力C ．当两物体间有另一质量不可忽略的物体存在时，则这两个物体间的万有引力将增大D ．当两物体间距为零时，万有引力将无穷大【重难突破—重拳出击】1. 设行星绕恒星的运行轨道是圆，则其运行周期T 的平方与其运动轨道半径R 的三次方之比为常数，即k RT =32，那么k 的大小 ( ) A ．只与行星质量有关B ．只与恒星质量有关C ．与行星及恒星的质量均有关D ．与恒星的质量及行星的速率有关2．如图7-1，两球的半径分别为r 1和r 2，且远小于r ，而球质量分布均匀，大小分别是m 1和m 2，则两球间的万有引力大小为( ) A ．221r m m G B ．2121r m m G C ． 22121)(r r m m G + D ． 22121)(r r r m m G ++图7-13．两个物体相距为L ，相互吸引力大小为F ．使其中的一个物体的质量减小为原来的一半，另一个物体的质量减小为原来的31．如果保持它们的距离不变，则相互吸引力的大小为( )A ．23FB . 32FC . 16F D . 6F 4．下列关于万有引力定律的说法正确的是 ( ) A ．F =G221r M M 中的G 是一个比例常数，是没有单位的 B ．牛顿发现万有引力定律时，给出了万有引力常量值C . 太阳对行星间的引力产生行星做圆周运动的向心加速度D ．万有引力是普遍存在于宇宙中所有具有质量的物体之间的相互作用5．下列关于引力常量G 的说法，正确的是 ( )A ．它是由牛顿计算出来的B ．它是由英国物理学家卡文迪许在实验室里测出来的C ．它是一个没有意义的常量D ．现代对G 的测定值G=6.67259×10-11N ·m 2/kg 26．要使两物体间的万有引力减小到原来的41，下列办法不可采用的是 ( ) A ．使两物体的质量各减小一半，距离不变 B ．使其中一个物体的质量减小到原来的41，距离不变 C ．使两物体间的距离增为原来的2倍，质量不变 D ．使两物体间的距离和质量都减为原来的41 7．苹果落向地球，而不是地球向上运动碰到苹果，下列论述中正确的是 ( )A ．由于苹果质量小，对地球的引力较小，而地球质量大，对苹果的引力大造成的B ．由于地球对苹果有引力，而苹果对地球没有引力造成的C ．苹果对地球的作用力和地球对苹果作用力是相等的，由于地球质量极大，不可能产生明显加速度D ．以上说法都不正确8. 关于公式F ＝G 221r M M 的说法正确的是 ( ) A . 公式是以行星绕太阳运动推导出来的，不适合计算地球对人造卫星的吸引力B ．公式也适用于计算地球对地面上物体的吸引力C ．公式适用于任何两个物体之间相互吸引力的计算，其中r 为两物体之间的距离D ．公式适用于计算任何两个质点间的相互引力，其中r 是两质点间的距离【巩固提高—登峰揽月】1. 月球绕地球运行的轨道半径r ＝3.8×108 m ，绕地球运行周期T ＝27.3天(1)月球绕地球运动的向心加速度为多少？(2)月球的公转向心加速度是地面重力加速度的多少倍？(3)月球到地心的距离大约是地球半径的多少倍？(地球半径R ＝6.4x106m)(4)比较(2)、(3)两者间的结论说明地球对周围物体的引力是否属于万有引力？2. 在一次测定万有引力常量的实验中，已知一个质量是0.80kg 的球，以1.3×10-10 N 的力吸引另一个质量是4.0×10-3 kg 的球，若两球相距4.0×10-2 m ，则万有引力常量是多少？第二节 行星与太阳间的引力第三节 万有引力定律【巩固教材－稳扎稳打】1.C 2.D 3.ABC 4.A【重难突破—重拳出击】1.B 2.D 3.C 4.CD 5.BD 6.D 7.C 8.BD【巩固提高—登峰揽月】1. (1)a n =2.69×10-3 m/s 2 解答．根据公式224Tr a π=，带入数据可得：a n =2.69×10-3 m/s 2 (2)13643倍 (3)593倍 (4)2n a R g r ⎛⎫= ⎪⎝⎭说明与r 2成反比，地球对周围物体的引力属于万有引力2.6.5×10-11 N ·m 2/kg 2 【课外拓展—超越自我】1.提示: 方法一, 根据向心加速度公式2v a r=，将月球绕地球做圆周运动的线速度和两球心的距离代入可以求出向心加速度,在于重力加速度相比可以证明。
第三节 万有引力定律 天体运动【典例精析】例1．如图4－3－1所示，a 、b 、 c 是在地球大气层外圆形轨道上运行的3颗人造卫星，下列说法正确的是 （ ）A ．b 、 c 的线速度大小相等，且大于a 的线速度B ．b 、c 向心加速度相等，且大于a 的向心加速度C ．c 加速可以追上同一轨道上的b ，b 减速可以等候同一轨道上的cD ．a 卫星由于某种原因，轨道半径缓慢减小，其线速度将变大例2．（2005高考北京卷）已知地球质量大约是月球质量的81倍，地球半径大约是月球半径的4倍。
不考虑地球、月球自转的影响，有以上数据可以推算出A ．地球的平均密度与月球的平均密度之比约为９∶８B ．地球表面的重力加速度与月球表面的重力加速度之比为９∶４C ．靠近地球表面沿圆轨道运行的航天器的运行周期与靠近月球表面沿圆轨道运行的航天器的运行周期之比约为８∶９D ．靠近地球表面沿圆轨道运行的航天器的线速度与靠近月球表面沿圆轨道运行的航天器的线速度之比约为８1∶４例3．在勇气号火星探测器着陆的最后阶段，着陆器降落到火星表面上，再经过多次弹跳才停下来。
假设着陆器第一次落到火星表面弹起后，到达最高点时高度为h ，速度方向是水平的，速度大小为v 0，求它第二次落到火星表面时速度的大小，计算时不计火星大气阻力。
已知火星的一个卫星的圆轨道的半径为r ，周期为T 。
火星可视为半径为r 0的均匀球体。
例4．天文工作者观测到某行星的半径为Ｒ1，自转周期为T ，它有一颗卫星，轨道半径为Ｒ2绕行星公转周期为T 2，若万有引力常量为G ，求：（1）该行星的平均密度（2）要在此行星的赤道上发射一颗质量为的近地人造卫星，使其轨道沿赤道上方 设行星上无空气阻力，则对卫星至少应做多少功？【基础演练】1．（06年全国理综卷Ⅰ，16）我国将要发射一颗绕月运行的探月卫星“嫦娥1号”。
设该卫星的轨道是圆形的，且贴近月球表面。
已知月球的质量约为地球质量的 181，月球的半径约为地球半径的 14,地球上的第一宇宙速度约为7.9km/s ，则该探月卫星绕月运行的速率约为（ ）A .0.4km/sB .1.8km/sC .11km/sD .36km/s2．（2001年上海高考试题）组成星球的物质是靠引力吸引在一起的，这样的星球有一个最大的自转速率.如果超过了该速率，星球的万有引力将不足以维持其赤道附近的物体做圆周运动.由此能得到半径为R 、密度为ρ、质量为M 且均匀分布的星球的最小自转周期T .下列表达式中正确的是（ ）A ．T =2πGM R /3 B ．T =2πGM R /33 C ．T =ρπG / D ．T =ρπG /33．某人造卫星绕地球做匀速圆周运动，设地球半径为R ，地面重力加速度为g ，下列说法错误的是（ ）A ．人造卫星的最小周期为2πg R /B ．卫星在距地面高度R 处的绕行速度为2/RgC ．卫星在距地面高度为R 处的重力加速度为g /4D ．地球同步卫星的速率比近地卫星速率小，所以发射同步卫星所需的能量较少4．1998年8月20日，中国太原卫星发射中心为美国“铱”星公司成功发射了两颗“铱”星系统的补网星.1998年9月23日，“铱”卫星通讯系统正式投入商业运行，标志着一场通讯技术革命开始了.原计划的“铱”卫星通讯系统是在距地球表面780 km 的太空轨道上建立一个由77颗小卫星组成的星座.这些小卫星均匀分布在覆盖全球的7条轨道上，每条轨道上有11颗卫星，由于这一方案的卫星排布像化学元素“铱”原子的核外77个电子围绕原子核运动一样，所以称为“铱”星系统.后来改为由66颗卫星，分布在6条轨道上，每条轨道上11颗卫星组成，仍称它为“铱”星系统．“铱”星系统的66颗卫星，其运行轨道的共同特点是（ ）A ．以地轴为中心的圆形轨道B ．以地心为中心的圆形轨道C ．轨道平面必须处于赤道平面内D ．铱星运行轨道远低于同步卫星轨道5．侦察卫星在通过地球两极上空的圆轨道上运动，它的运动轨道距地面高度为h ，要使卫星在一天的时间内将地面上赤道各处在日照条件下的情况全都拍摄下来，卫星在通过赤道上空时，卫星上的摄像机至少应拍摄地面上赤道圆周的弧长是多少?设地球的半径为R ，地面处的重力加速度为g ，地球自传的周期为T ．。
第六章万有引力定律第三节引力常量的测定教学目标：（一）知识目标1 了解卡文迪许实验装置及其原理。
2 知道引力常量的物理意义及其数值。
（二）过程与方法通过卡文迪许测定微小量的思维方法，培养学生灵活应用所学知识解决实际问题的能力。
（三）德育目标通过对卡文迪许实验的设计思想的学习，启发学生多动脑筋，培养其发散性思维，创造性思维。
教学重点：卡文迪许扭秤测引力常量的原理。
教学难点：扭转力矩和引力矩的平衡教学方法：直接讲授法课时安排：1课时教学过程：（一）引入新课上节课我们学习了有关万有引力的相关知识，那么，请大家首先回顾一下：万有引力定律的主要内容以及其数学表达式？自然界中任何两个物体都相互吸引，引力的大小与物体的质量1m和2m的乘积成正比，与它们之间距离r的二次方成反比。
适用条件：严格地说，公式只适用于质点间的相互作用，当两个物体间的距离远大于物体本身的大小时，公式也可以使用，对于均匀球体，r 是两球心间的距离。
即：221r m m G F ，但是当时牛顿也不知道引力常量G 应该等于多少，所以人们没有办法将这个公式应用于计算。
（二）教学过程牛顿虽然发现了万有引力定律，却没能给出引力常量.这是因为一般物体间的引力非常小，很难用实验的方法将它显示出来.1789年，即在牛顿发现万有引力定律一百多年以后，英国物理学家卡文迪许（1731－1810），巧妙地利用扭秤装置，第一次在实验室里比较准确地测出了引力常量.卡文迪许扭秤的主要部分是一个轻而坚固的T 型架，倒挂在一根金属丝的下端.T 形架水平部分的两端各装一个质量是m 的小球，T 形架的竖直部分装一面小平面镜M ，它能把射来的光线反射到刻度尺上，这样就能比较精确地测量金属丝的扭转.实验时，把两个质量都是m ′的大球放在图中所示的位置，它们跟小球的距离相等.由于m 受到m ′的吸引，T 形架受到力矩作用而转动，使金属丝发生扭转，产生相反的扭转力矩，阻碍T 形架转动.当这两个力矩平衡时，T 形架停下来不动.这时金属丝扭转的角度可以从小镜M 反射的光点在刻度尺上移动的距离求出，再根据金属丝的扭转力矩跟扭转角度的关系，就可以算出这时的扭转力矩，进而求得m 与m ′的引力F.卡文迪许经过多次实验，证明牛顿的万有引力定律是正确的，并测出了引力常量.他的实验结果跟现代测量结果是很接近的.引力常量的测出有着非常重要的意义，不仅用实验证明了万有引力的存在，更使得万有引力定律有了真正的实用价值.由于引力常量很小，我们日常接触的物体的质量又不是很大，所以我们很难觉察到它们之间的引力.例如两个质量各为50 kg的人，相距 1m时，他们相互的引力只相当于几百粒尘埃的重量.但是如果物体的质量很大，这个引力就非常可观了.例如地球对地面上物体的引力就很显著.太阳和地球之间的吸引力就更大，大约等于 3.56×1022N.这样大的力如果作用在直径是9 000 km的钢柱两端，可以把它拉断！正是由于太阳对地球有这样大的引力，地球才得以围绕太阳转动而不离去.3、引力常量的测定及其意义○思重点：卡文迪许实验的精巧之处：用两个字概括就是“放大”。
第3节 万有引力定律●导学天地 学习要求● 基本要求● 1.了解万有引力定律发现的思路和过程，知道重物下落与天体运动的统一性.● 2.知道万有引力是一种存在于所有物体之间的吸引力.● 3.知道万有引力定律公式的适用范围.● 4.会用万有引力定律公式解决简单的引力计算问题. ● 发展要求 ● 1.了解万有引力定律在科学史上的意义.● 2.体会科学规律发现过程中猜想与求证的重要性. ● 说明● 不要求计算空心球体与质点间的万有引力.学法指导本节课讲述牛顿通过对月—地检验发现，地面物体受到地球的作用力，与月球受到地球的吸引力为同一种力，并且大胆的提出世界上任意两个物体之间都具有“与两个物体的质量成正比，与它们之间距离的二次方成反比”的吸引力，经过直接或间接的检验，上述大胆的假设与推论成为科学史上最伟大的定律之一——万有引力定律，表达式中G 叫做引力常量，适用于任何物体，直到牛顿发现万有引力定律一百多年后，英国物理学家卡文迪许才测出了这个常量，使万有引力定律更具有了实用价值.自主学习● 知识梳理 ●● 自主探究● 1.月—地检验 ● （1）检验目的：维持月球绕地球运动的力与地球上苹果下落的力是否为同一种力.● （2）检验方法：由于月球轨道半径约为地球半径的60倍.则月球轨道上物体受到的引力是地球上的 ● .根据 ，物体在月球轨道上运动时的加速度（月球公转的向心加速度）应该是它在地面附近下落时的加速度（自由落体加速度）的2601.计算对比两个 就可以分析验证两个力是否为同一性质的力.● （3）结论：加速度关系也满足“反平方”规律.证明两种力为同种性质的力. ● 2.万有引力定律 ● （1）内容：自然界中任何两个物体都相互吸引，引力的大小与物体的质量m 1和m 2的 成正比，与它们之间距离r 的 成反比. ● （2）公式： . ● （3）说明：式中G 是比例系数，叫做 ，适用于任何两个物体.英国物理学家 比较准确地测出了G 的数值，通常取● 1.月—地检验的结果有什么重要的意义？● ●● ● 2.万有引力定律中说到任何两个物体之间都存在引力，那么是不是所有引力都能用公式F=G 2rMm 来计算呢？● ● ● 3.由万有引力定律可知地面上的物体也应受到地球对它的引力，该引力是否就是物体受到的重力？ ●G= .引力常量是自然界中少数几个重要的物理常量之一. 理解升华重点、难点、疑点解析 1.月—地检验牛顿在思考使月球做圆轨道运动的向心力与地面物体所受的重力是否是同一性质的力时，曾提出过这样一个理想实验：设想有一个小月球非常接近地球，以至于几乎触及地球上最高的山顶，那么使这个小月球保持圆轨道运动的向心力当然就应该等于它在山顶处所受的重力，如果小月球突然停止做圆轨道运动，它就应该同山顶处的物体一样以相同的加速度下落.如果它所受的向心力不是重力，那么它就将在这两种力的共同作用下以更大的加速度下落，这与我们的经验是不符的.可见，重力和月球所受的向心力是同一性质的力.牛顿根据月球的周期和轨道半径，计算了月球围绕地球做圆周运动的向心加速度为：a=224Tr π =2.74×10-3 m/s 2 假设地球周围物体受到的重力与维持月球绕地球转动的力是同一种性质的力，则物体的重力也应满足G ∝221rm m ，因为月球到地心的距离是地球表面物体到地心距离（地球半径）的60倍，所以当把物体放置在月球轨道上时，G 应为地面附近的2601，则此时的重力加速度为g ′=22601601=='m Gm G g ≈2.72×10-3 m/s 2，这一数值与月球绕地球转动的向心加速度十分接近，从而证明了假设的正确性，即使月球绕地球转动的力与地球对物体施加的重力是同一种性质的力，都是地球对物体的吸引力.以上结论为牛顿发现万有引力定律奠定了理论基础.2.万有引力定律（1）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.（2）公式：F=G221rm m 式中的质量的单位用kg ，距离的单位用m ，力的单位用N ，G 是比例系数，叫做引力常量.（3）适用条件：适用于任何两个物体.但公式F=G221r m m 只能用来计算两个可看作质点的物体间的万有引力，其中r 为两个质点间的距离；对于两个均匀球体，可等效为质量集中在球心的两个质点，r 是两球心间的距离；如果两个物体间的距离远远大于物体本身的大小，两个物体均可视为质点.例如：如果两个物体相距无穷近，由公式F=G221r m m 可判断它们之间的引力就会无穷大，这种说法对吗？不对，因为两物体相距很近时，就不能看作质点，故公式F=G221r m m 就不能用来计算引力. （4）引力常量G①卡文迪许扭秤的设计原理：卡文迪许扭秤的工作原理是利用大球和小球间产生力矩，此力矩与金属丝力矩平衡.万有引力力矩使T 型架转动，T 型架转动时带动平面镜也发生转动，进而使入射到镜面上的光线发生偏转，从刻度尺上读出光线偏转时移动距离，进而计算偏转角度，利用金属丝扭转力矩和扭转角度的关系，求出扭转力矩，从而求出大球和小球间的万有引力，利用F=G 2r Mm ，即G=MmFr 2，求出G.②测定G 值的意义：a.证明了万有引力的存在；b.使万有引力定律有了真正的实用价值.3.物体在地面上所受的引力与重力的区别与联系 地球在不停地自转、地球上的物体随地球自转而做圆周运动，自转圆周运动需要一个向心力，是重力不直接等于万有引力而近似等于万有引力的原因，如图6-3-1万有引力为F ，重力为G ，自转向心力为F ′.当然，真实情况不会有这么大偏差.图6-3-1（1）物体在一般位置时F ′=mr ω2，F ′、F 、G 不在一条直线上（2）当物体在赤道上时，F ′达到最大值F max ′ F max ′=mR ω2，此时重力最小： G min =F-F ′=G2RMm -mR ω2. （3）当物体在两极时F ′=0 G=F ，重力达最大值G max =G2R Mm. 可见，只有在两极时重力等于万有引力，其他位置重力要小于万有引力.由于自转需要的向心力很小，一般情况下认为重力近似等于万有引力.例题评析应用点一：万有引力定律公式的理解例1：如图6-3-2所示两球间的距离为r ，两球的质量分布均匀，大小分别为m 1、m 2，半径大小分别为r 1、r 2，则两球的万有引力大小为 （ ）图6-3-2A.G221rm m B.G2121r m m C.G22121)(r r m m +D.G2221)(r r r m m ++试解： .（做后再看答案，效果更好.） 思路分析： 公式F=G221r m m 中r 的物理意义应是两物体质心间的距离，而不是物体表面间的距离.解析： 两球质量分布均匀，可认为质量集中于球心，由公式可知两球间万有引力应为22121)(r r r m m G++，D 选项正确.答案为D. 思维总结：（1）万有引力定律适用于质点或两个均匀球体之间的万有引力. （2）均匀球体之间万有引力的计算应取两球心间距离. 拓展练习1-1： 若两物体之间的距离r 趋于零时，根据公式F=G221rm m ，请探究分析两物体间的万有引力将如何变化？应用点二：万有引力定律的应用例2已知均匀球体对其他物体的万有引力等效于将其全部质量集中于球心时对其他物体的万有引力，如图6-3-3所示，有一半径为R 的均匀球体，球心为O 1，质量为8M ，今自其内挖去一个半径为2R的小球，形成球形空腔的球心为O 2，将小球移出至图示位置与大球相切，小球球心为O 3，图中O 1、O 2、切点和O 3四点共线，求此时小球与大球剩余部分之间的万有引力.图6-3-3思路分析： 将均匀球体挖去一小球后变成了不均匀的球体，此时不能直接用万有引力定律公式来计算两球间的万有引力大小，但我们利用割补法来求解.解析： 小球质量为：m=大小V V ·8M=3334)2(34R R ππ·8M=M大球对小球O 3的万有引力为F 1=G222932)23(8R M G R M M ⋅=⋅ 小球O 2对小球O 3的万有引力为F 2=G 222RM G R M M =⋅ 小球O 3与大球剩余部分之间的万有引力为：F=F 1-F 2=22923R GM .答案：22923R GM思维总结：对于有规则几何形状、质量分布均匀的物体，它们之间的距离为几何中心的距离；对于质量分布不均匀的规则物体应具体情况具体分析，解题中注意发散思维的应用，本题的创新之处有两个：其一出题新，由质点间的引力和均匀球体的引力扩展到了有空腔的球体上；其二，解题的思路新，巧妙地运用了割补法来求解.拓展练习2-1： 如图6-3-4所示，一个质量均匀分布的半径为R 的球体对球外质点P 的万有引力为F ，如果在球体中央挖去半径为r 的一部分球体，且r=2R，则原球体剩余部分对质点P 的万有引力变为（ ）图6-3-4A.2F B.8F C.F 87D.4F 应用点三：重力和万有引力的关系例3：设地球表面重力加速度为g 0，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g/g 0为 （ ）A.1B.1/9C.1/4D.1/16 试解： .（做后再看答案，效果更好.）思路分析： 地球周围的物体受到地球的万有引力随高度的增加而减小，在忽略地球的自转时重力等于万有引力.解析： 地面上：G2R mM =mg 0. ①离地心4R 处：G2)4(R Mm=mg②由①②两式得：161)4(20==R R g g .答案为D. 思维总结：（1）切记在地球表面的物体：mg=G2r Mm成立的条件是忽略地球的自转. （2）物体在离地面一定高度处，所受的万有引力通常也用mg 表示，只是g 随高度的增加而减小，不再等于地面附近的g.拓展练习3-1： 设地球表面重力加速度为g ，月心到地心的距离是地球半径的60倍，试计算月球的向心加速度.● 自我反馈 ● 自主学习● 1.2601牛顿第二定律 结果● 2.乘积 二次方 F=G 221rm m 引力常量 卡文迪许 6.67×10-11 N ·m 2/kg 2 ● 例题评析● 拓展练习1-1： 略 ● 拓展练习2-1： C ● 拓展练习3-1：36001g ●演练广场夯实基础1.月—地检验的结果说明 （ ） A.地面物体所受地球的引力与月球所受地球的引力是同一种性质力 B.地面物体所受地球的引力与月球所受地球的引力不是同一种类型的力 C.地面物体所受地球的引力只与物体质量有关，即G=mgD.月球所受地球的引力除与月球质量有关外，还与地球质量有关 2.下列说法中正确的是 （ ） A.万有引力定律是卡文迪许发现的B.卡文迪许扭秤是用来验证万有引力定律是否正确的C.被人们称为“能称出地球质量的人”是牛顿D.万有引力常量是一个有单位的常量3.两大小相同的实心小铁球紧靠在一起，它们之间的万有引力为F ，若两个半径是小铁球2倍的实心大铁球紧靠在一起，则它们之间的万有引力为 （ ）A.2FB.4FC.8FD.16F4.一个质子由两个u 夸克和一个d 夸克组成.一个夸克的质量是7.1×10-30 kg ，求两个夸克相距1.0×10-16 m 时的万有引力.5.如果已知地球的质量m=5.98×1024 kg ，太阳的质量M=1.97×1030 kg ，地球到太阳的距离R=1.49×1011 m ，那么太阳对地球的引力有多大？6.两艘轮船，质量都是1.0×104 t ，相距10 km ，它们之间的万有引力是多大？将这个力与轮船所受的重力比较，看看相差多少.7.已知地球半径为R ，将一物体从地面移到离地面高h 处时，物体所受万有引力减少到原来的一半，则h 为 （ ）A.RB.2RC.2RD.（2-1）R8.地球质量约为火星质量的9倍，地球半径约为火星半径的2倍，那么在地球表面重力为600 N 的人到火星表面上的体重变为 .9.地球半径为R ，在离地面h 高处和离地面H 高处重力加速度之比为 . 能力提升10.某星球的半径与地球半径之比为2∶1，质量之比为1∶5，假如某人在星球上和地球上跳高，则他在星球上和在地球上以相同的初速度竖直向上跳起的高度之比是多少？11.月球表面重力加速度只有地球表面重力加速度的1/6，一根绳子在地球表面能拉着3 kg 的重物产生最大为10 m/s 2的竖直向上的加速度，g 地=10 m/s 2，将重物和绳子均带到月球表面，用该绳子能使重物产生沿月球表面竖直向上的最大加速度为 （ ）A.60 m/s 2B.20 m/s 2C.18.3 m/s 2D.10 m/s 212.某物体在地面上受到的重力为160 N ，将它放置在卫星中，在卫星以a=21g 的加速度随火箭向上加速升空的过程中，当物体与卫星中的支持物相互挤压力为90 N 时，卫星距地球表面有多远？（地球半径R 地=6.4×103 km ，g 取10 m/s 2）13.一半径为R ，质量为M 的均匀球体，其球心O 与另一质量为m 的质点B 距离为l ，如图6-3-5所示，若切除以OA 的中点为球心、质量为m ′、以R 为直径的球体C ，求剩余部分对质点B 的万有引力？图6-3-5拓展阅读卡文迪许实验卡文迪许测引力常量时所做的实验，即卡文迪许实验.在牛顿发现万有引力定律100年后，英国物理学家卡文迪许（H.Cavendish ）于1789年巧妙地利用扭秤测出了引力常量.卡文迪许的实验装置如图6-3-6所示.图6-3-6在一根金属丝下倒挂着一个T 形架，架的水平横梁两端各装一个质量为m 的小球，T 形架的竖直部分装有一面小平面镜，两个小球由于受到质量均为M 的两个大球的吸引而转动，使金属丝发生扭转.当吸引力的力矩跟金属丝的扭转力矩平衡时，T 形架停止不动.根据平面镜反射的光点在标尺上移动的距离可算出金属丝的扭转角度，结合事先测定的金属丝扭转角度跟扭转力矩的关系，就可以算出扭转力矩，从而算出引力F 和引力常量.卡文迪许测定的引力常量G=6.754×10-11 N ·m 2/kg 2.在以后的八九十年间，竟无人超过他的测量精度.引力常量的测定是验证万有引力定律的一个重要实验，它使万有引力定律有了真正的实用价值.卡文迪许把他的这个实验说成是“称地球的重量”（应该是“称地球的质量”）.有了G 值后，我们还可以“称”出太阳或其他星球的质量.参考答案演练广场1.AD2.D3.D4.3.36×10-37 N5.解析：根据公式F=G2R Mm，代入数据有： F=6.67×10-11×2112430)1049.1(1098.51097.1⨯⨯⨯⨯ N=3.54×1022 N.答案：3.54×1022 N 6.解析：根据公式F=G221rm m ，代入数据有： F=6.67×10-11×2427)10()100.1(⨯ N =6.67×10-5 N.假设当地的重力加速度g=10 m/s 2，重力G=mg=1.0×107×10 N=1.0×108 N ，重力远远大于万有引力.答案：6.67×10-5 N 重力远远大于万有引力 7.D8.解析：在火星表面的重力由万有引力提供ma=2R GMm∴表面的加速度为 a=2RGMg a =2火火R M ×地地M M 2=91×4=94 ∴ma=94mg=94×600 N ≈266.7 N. 答案：266.7 N 9.（hR H R ++）210.解析：根据公式mg=2R GMm得星球表面的加速度为 g=2RGM， ∴地星g g =2星星R M ×地地M R 2=51×（21）2=201，根据运动学公式h=gv 22，得地星h h =星地g g =20.答案：20∶111.C12.解析：卫星在升空过程中可以认为是竖直向上做匀加速直线运动，设卫星离地面为h ，这时受到地球的万有引力为G2)(h R Gm+地在地球表面2地R GMm=mg ①在上升至地面h 时，F N -G2)(h R Mm+地=ma②由①②得22)(地地R h R +=m aF m gN -h=（maF mgN --1）R 地代入数据h=1.92×104 km. 答案：1.92×104 km13.解析：质量为M 的均匀球体对B 点的引力大小为 F 1=G2lMm质量为m ′的均匀球体对B 点的引力大小为： F 2=G2)2(R l mm -' 剩余部分对B 的万有引力为F=F 1-F 2=G 2lMm-G 2)2(R l mm -'. 答案：G 2lMm -G 2)2(R l mm -'。
