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第六章 万有引力定律

第六章 万有引力定律. 第六章 万有引力定律. 普通物理学教程. 第六章 万有引力定律. 目 录. §6.1 开普勒定律. §6.2 万有引力定律 · 引力质量与惯性质量. §6.3 引力势能. §6.4 潮汐. 第六章 万有引力定律. 教学重点难点. 重点：万有引力势能的计算，第二宇宙速度。 难点：地球自转对万有引力的影响。. 第六章 万有引力定律. §6.1 开普勒定律. 太阳. 远日点. 近日点. 1. 发展史. 2. 行星运动的开普勒定律.

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第六章 万有引力定律

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Presentation Transcript

  1. 第六章 万有引力定律 第六章 万有引力定律 普通物理学教程

  2. 第六章 万有引力定律 目 录 §6.1 开普勒定律 §6.2 万有引力定律· 引力质量与惯性质量 §6.3 引力势能 §6.4 潮汐

  3. 第六章 万有引力定律 教学重点难点 重点：万有引力势能的计算，第二宇宙速度。 难点：地球自转对万有引力的影响。

  4. 第六章 万有引力定律 §6.1 开普勒定律 太阳 远日点 近日点 1.发展史 2.行星运动的开普勒定律 (1)轨道定律 每个行星都各在以太阳为焦点的一个椭圆轨道上运动. (2)面积定律 由太阳到行星的矢径,在相等的时间内扫过相等的面积.

  5. 第六章 万有引力定律

  6. 第六章 万有引力定律 (3)周期定律 行星绕太阳运动的椭圆轨道半长轴 a 的立方与周期 T 的平方之比为常量. 这一常量对所有行星均相同(严格说应略有差异)仅与太阳性质有关,称开普勒常数.

  7. 第六章 万有引力定律 第一定律可由求轨道方程直接证明； 第二定律则是角动量守恒的直接结果； 第三定律可由轨道方程和角动量定理得到证明. 开普勒定律所描述的运动是相对于日心—恒星参考系的.

  8. 第六章 万有引力定律 §6.2 万有引力定律·引力质量与惯性质量 （一） 万有引力定律 （二）引力质量与惯性质量 （三）引力常数的测量 （四）地球自转对重量的影响 （五）牛顿万有引力定律的适用范围

  9. 第六章 万有引力定律 （一）万有引力定律 §6.2 万有引力定律· 引力质量与惯性质量 1.引力思想的发展 是什么原因使行星在各自的轨道上绕日运动? 经过前人的努力，万有引力定律的思想准备 已经基本成熟，是牛顿建立了万有引力定律.

  10. 第六章 万有引力定律 2.万有引力定律 设行星绕太阳作匀速圆周运动，从开普勒定律和牛顿运动定律出发论证万有引力定律. 由开普勒第三定律 行星向心加速 仅与施力物体(太阳)性质有关.

  11. 第六章 万有引力定律 设月球绕地心运动，地球上物体和月球的向心加速度 C2仅与施力物体(地球)性质有关. 设an是由相互作用力引起并与该力成正比，则有 由牛顿第三定律施力是相互的。所以C 应与两物体性质有关。用m1和m2 分别表征各物体有引力作 用的性质，称引力质量.所以

  12. 第六章 万有引力定律 m1 m2 引入比例常数G ——万有引力定律 任何两物体间均存在相互吸引力. 若物体可视作质点，则二质点的相互引力F 沿二质点的连线作用. 万有引力定律本来是对质点而言的，但可证明，对于两个质量均匀分布的球体，它们之间的万有引力也可用此定律计算.

  13. 第六章 万有引力定律 若物体的线度与它们间的距离可相比拟时，这时物体不能视作质点，需将物体分成许多小部分，使每一部分都能视作质点，利用上式求出物体1各小部分与物体2各小部分之间的引力，每个物体所受的引力等于其各部分所受引力的矢量和. 用“分割”方法计算两物体间的万有引力.

  14. 第六章 万有引力定律 万有引力定律最初在地球—月球系统得到检验. 设月球在地球表面，受万有引力 月球在轨道受万有引力应约为 月球在轨道上因受地球引力得到的加速度为 也是月球环绕地球的向心加速度.

  15. 第六章 万有引力定律 又由牛顿定律 与引力推算结果一致 . 应用万有引力定律取得成功的例子. 解释天体现象如哈雷彗星、地球的扁形，预测海王星、冥王星等.

  16. 第六章 万有引力定律 （二）引力质量与惯性质量 引力质量——引力大小的量度. 引力质量和作为惯性大小量度的惯性质量含义并不相同. 最简单的实验是在地面同一地点测定各种物体的重力加速度. 二者之间的关系？ 引力质量为m1的物体受地球的引力为

  17. 第六章 万有引力定律 引力质量为m2的物体受地球的引力为 在同一地点，二质自由下落加速度分别为g1和g2 由牛顿第二定律有 实验表明,同一地点各种物体的重力加速度相等,即 代入上式得

  18. 第六章 万有引力定律 选适当G值可使 即惯性质量与引力质量等价. 关键是同一地点各种物体的重力加速度是否相等？ 牛顿单摆实验 更精确的实验证明是厄缶实验及以后的改进实验.

  19. 第六章 万有引力定律 （三）引力常数的测量 英国卡文迪什(H.Cavendish)利用扭称测得 1991年舒尔(J.Schurr)报道为 1999年华中科技大学罗俊领导的引力实验室利用扭摆测得

  20. 第六章 万有引力定律 （四）地球自转对重量的影响 若将地球视为惯性系，物体重力即是地球与物体的万有引力. 地球不是严格的惯性系，物体重力是地球万有引力与离心惯性力的矢量和. 1. 重力偏离引力的角度 将质量为m的质点悬挂于线的末端且相对于地球静止.受力如下页图所示. 平衡方程 重力

  21. 第六章 万有引力定律 R O 离心惯性力 如图由正弦定理

  22. 第六章 万有引力定律  很小, 2. 重力与纬度的关系 由正弦定理

  23. 第六章 万有引力定律 将 代入上式得 括号内后一项是小量，所以 即重量随纬度变化的定量式 且

  24. 第六章 万有引力定律 但W相差很小 所以引力是重力的主要成分.因引力与重力角度和大小都相差很小,因而 故可将地球视为惯性系.

  25. 第六章 万有引力定律 （五）牛顿万有引力定律的适用范围 水星 近日点 太阳 牛顿引力定律不能解释水星轨道的旋进，需用广义相对论解释之. 万有引力是超距作用，还是通过引力场作用? 电磁场是以光子为媒介. 引力场呢？是以引力子为媒介？引力子为何物？尚在探索. 由于旋进，火星 绕日轨道不再封闭

  26. 第六章 万有引力定律 牛顿万有引力定律适用于——弱场低速. 数学式 Rg是引力半径 c是光速， m是产生引力场球体质量. 用R表示产生引力场球体半径， 可用牛顿万有引力定律 可用牛顿万有引力定律, 太阳 白矮星 可用牛顿万有引力定律, 用广义相对论. 中子星

  27. 第六章 万有引力定律 §6.3 引力势能 （一）引力势能 （二）三种宇宙速度

  28. 第六章 万有引力定律 （一）引力势能 §6.3 引力势能 设质点m´在m 的引力场中从r0 处运动到r 处， 万有引力的功 作功仅与起始位 置有关，是保守力.

  29. 第六章 万有引力定律 （二）三种宇宙速度 以下计算均不计空气阻力等次要因素. 第一宇宙速度——物体可以环绕地球表面做匀速圆周运动速度(环绕速度).

  30. 第六章 万有引力定律 东方红一号卫星 主要参数 卫星重量：１７３公斤 卫星外形：直径１米的球形７２面体 近地点：４３９公里 远地点：２３８４公里 用途：广播“东方红”乐曲 东方红一号卫星

  31. 第六章 万有引力定律 卫星目前状态 纬度：64.02度 经度：35.07公里 轨道倾角：205.64度 运行周期：110.6 分钟 速度：7.55KM/s 高度：728.25KM 近地点：430公里 远地点：2075公里 2009年2月1日15时08分32秒根据NASA的数据写出来的。

  32. 第六章 万有引力定律 被卫星包围的地球

  33. 第六章 万有引力定律 第二宇宙速度——逃脱地球引力所需要的从地面出发的最小速度(脱离速度). 第二宇宙速度与第一宇宙速度的关系是

  34. 第六章 万有引力定律 第三宇宙速度——是使物体脱离太阳系所需的最小 速度(逃逸速度). 设质点以第三宇宙速度抛出时，其动能为 这个动能包含两部分，即脱离地球引力所需的动能Ek1和脱离太阳系所需的动能 Ek2： 而

  35. 第六章 万有引力定律 求脱离太阳系所需的动能 Ek2. 地球公转的速率 v = 29. 8 km/s， 由类比物体脱离太阳引力所需速率应该是 设准备飞出太阳系的物体的发射方向与地球公转的方向相同，射出的质点在离开地球时相对地球速率为 与此相对的动能为

  36. 第六章 万有引力定律 既能摆脱地球引力又能摆脱太阳引力所需要的总能为 即 第三宇宙速度

  37. 第六章 万有引力定律 v > v2 v = v2 v < v2 v = v1 动画演示 抛体以不同速度抛出时不同类型的运动轨迹.

  38. 第六章 万有引力定律 §6.4 潮汐 （一）月球对海洋潮汐的影响 （二）太阳对海洋潮汐的影响

  39. 第六章 万有引力定律 （一）月球对海洋潮汐的影响 §6.4 潮汐 潮汐是海水的周期性涨落现象.“昼涨成潮，夜涨成汐”. 这种现象牛顿首先给出了正确的说明，它是月亮、太阳对海水的引力以及地球公转和自转的结果. 设海水覆盖整个地球表面. 地月绕二者的共同质心C 转，视C为原点，建坐标轴指向恒星的惯性坐标系Cxy，以地心C´ 为原点建坐标系C´x´y´ ， Cxy与 C´x´y´ 各坐标轴保持平行， 即C´ 绕 C 平动. 设水相对C´静止.

  40. 第六章 万有引力定律 月球 y m m C x C C为地月质心 C´ 为地心 C´ 绕C平动 因为平动，各单位质量水与地心处单位质量物体所受向心力相同.

  41. 第六章 万有引力定律 C C m m D P B A E 单位质量物质在各处所受月球的引力不同. 正是月球引力的作用产生潮汐. 单位质量物体 受到的引潮力

  42. 第六章 万有引力定律 P 地面上单位质量物体受月球引潮力定义为 向心力 G、m 和 d 分别表示万有引力常数、月球质量和地心月心距离.

  43. 第六章 万有引力定律 Q m l  d 考虑如图中Q点处单位体元物质所受引潮力. 将引潮力向Q处竖直方向投影，得

  44. 第六章 万有引力定律 m B A O x 水平方向投影，得 竖直力Fv使海水“涨起、跌落”；水平分量FH造成海水的“潮流”. 现考察两个特殊点：离月亮最近点A和最远点B R地球半径

  45. 第六章 万有引力定律 A点 背向地心 B点同理得 背向地心 FAxFBx就是在地球上观察到的“引潮力”它将使该处海水凸起形成涨潮.

  46. 第六章 万有引力定律 C m D P B A E 分析可知在D、E处引力潮相等且指向地心，在该处，迫使海水“跌落”. 一般说来，一昼夜中海水将依次处于A、B、E、D方向，因此形成两次落潮，两次涨潮. 动画演示

  47. 第六章 万有引力定律 （二）太阳对海洋潮汐的影响 太阳引潮力还不及月球引潮力的一半.

  48. 第六章 万有引力定律 如果引力源的质量很大，当另一星体靠近它运行时，由于距离很小，引潮力可能大到将该星体撕碎。1994年的天文奇观——休梅克一列维9号彗星撞击木星时，彗星是以20余块碎块撞到木星上的. 这些碎块就是该彗星在靠近木星时被引潮力撕碎而形成的.

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