万有引力定律讲解(附答案)

物理学案纳雍县第四中学物理教研组在绝望中寻找希望，人生终将辉煌！6．3万有引力定律班级：组别：姓名：【课前预习】1．万有引力定律：（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＝Gm1m2r2。2．引力常量（1）引力常量通常取G＝6.67×10－11N·m2/kg2，它是由英国物理学家卡文迪许在实验室里测得的。（2）意义：引力常量在数值上等于两个质量都是1kg的质点，相距1m时的相互吸引力。【新课教学】一、牛顿的“月——地”检验1．检验的目的：地球对月亮的力，地球对地面上物体的力，太阳对行星的力，是否是同一种力。2．基本思路(理论计算)：如果是同一种力，则地面上物体的重力G∝21R，月球受到地球的力21rf。又因为地面上物体的重力mgG产生的加速度为g，地球对月球的力提供月球作圆周运动的向心力，产生的向心加速度，有向maF。所以可得到：22RrFGag向又知月心到地心的距离是地球半径的60倍，即r=60R，则有：322107.23600ggrRa向m/s2。3．检验的过程（观测计算）：牛顿时代已测得月球到地球的距离r月地=3.8×108m，月球的公转周期T=27.3天，地球表面的重力加速度g=9.8m／s2，则月球绕地球运动的向心加速度：向a（）月地(字母表达式)向a（）(数字表达式)向a2.7×10－3m/s2(结果)。4．检验的结果：理论计算与观测计算相吻合。表明：地球上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。二、万有引力定律物理学案纳雍县第四中学物理教研组在绝望中寻找希望，人生终将辉煌！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m1和m2的乘积成正比，与它们之间的距离r的二次方成反比，引力的方向在它们的连线上。2．表达式：221rmmGF描述式中质量的单位用kg；距离的单位用m；G叫引力常量，最早由英国物理学家卡文迪许在实验室中通过对几个铅球之间万有引力的测量，比较准确的得出了G的数值，通常取G=6.67×10－11N·m2/kg2，其意义是引力常量在数值上等于两个质量都是1kg的质点，相距1m时的相互吸引力。（测定引力常量的意义：A.卡文迪许利用扭秤装置通过改变小球的质量和距离，证实了万有引力的存在及万有引力定律的正确性。B.引力常量的测定使得万有引力能够进行定量计算，使万有引力定律有了真正的使用价值。）3．万有引力的普遍性：万有引力不但存在于行星和太阳之间，也存在于宇宙中的任何天体之间。但地球上的物体，由于物体间的万有引力远小于物体的重力，所以人们很难感受或观察到，往往忽略物体间的万有引力。4．适用条件：（1)万有引力公式适用于质点之间的引力大小的计算。(2)对于实际物体间的相互作用，当两个物体间的距离远远大于物体本身的大小时，物体可视为质点。(3)两个质量分布均匀的球体间可用万有引力公式求解，式中r即两球心之间的距离；一个质量分布均匀的球体与球外一质点之间的万有引力亦可用公式求解，r即质点到球心的距离。【例题精讲】知识点1万有引力公式的理解【例1】对于质量为1m、2m的两个物体间的万有引力的表达式221rmmGF，下列说法正确的是(AC)A．公式中的G是恒量，是实验测定的，而不是人为规定的B．当r趋于零时，万有引力趋于无穷大C．1m与2m受到的引力总是大小相等、方向相反，是一对作用力和反作用力D．1m与2m受到的引力大小相等、方向相反，是一对平衡力[思路分析]由基本概念、万有引力定律及其应用条件判断。引力常量G值是由英国物理学家卡文迪许运用扭秤实验测量出来的，所以A正确；当r趋于零时，此公式不能直接应用，所以直接应用公式得到的万有引力趋于无穷大是错误的，所以B错；两个物体之间的万有引力是一对作用力和反作用力，它们总是大小相等、方向相反，分别作用在两个物体上．所以C正确。答案：AC知识点2万有引力公式的应用【例2】火星半径是地球半径的一半，火星质量约为地球质量的1/9。那么地球表面质量为50kg的人受到地球的吸引力约为火星表面同质量物体受到火星引力的多少倍?物理学案纳雍县第四中学物理教研组在绝望中寻找希望，人生终将辉煌！[思路分析]设火星质量为M1，地球质量为M2，火星半径为r1，地球半径为r2，则有万有引力定律221rmmGF得：4922211212rrMMFF即人所受地球的吸引力约为火星表面同质量物体所受火星吸引力的2.25倍。知识点3太阳与行星间引力的应用【例3】已知太阳的质量为M，地球的质量为m1，月亮的质量为m2，当发生日全食时，太阳、月亮、地球几乎在同一直线上，且月亮位于太阳与地球中间，如图所示．设月亮到太阳的距离为a，地球到月亮的距离为b，则太阳对地球的引力F1和对月亮的引力F2的大小之比为多少？答案：m1a2m2a＋b2【例4】地球的质量是月球质量的81倍，若地球吸引月球的力的大小为F，则月球吸引地球的力的大小为(B)A．F/81B．FC．9FD．81F【方法技巧练】一、用割补法求解万有引力的技巧6．有一质量为M、半径为R的密度均匀的球体，在距离球心O为2R的地方有一质量为m的质点，现在从M中挖去一半径为R2的球体，如图1所示，求剩下部分对m的万有引力F为多大？答案：7GMm36R2解析：一个质量均匀分布的球体与球外的一个质点间的万有引力可以用公式F＝GmMr2直接进行计算，但当球体被挖去一部分后，由于质量分布不均匀，万有引力定律就不再适用．此时我们可以用“割补法”进行求解．设想将被挖部分重新补回，则完整球体对质点m的万有引力为F1，可以看做是剩余部分对质点的万有引力F与被挖小球对质点的万有引力F2的合力，即F1＝F＋F2.设被挖小球的质量为M′，其球心到质点间的距离为r′由题意知M′＝M8，r′＝3R2；由万有引力定律得F1＝GMm2R2＝GMm4R2F2＝GM′mr′2＝GM8m32R2＝GMm18R2故F＝F1－F2＝7GMm36R2.方法总结：本题易错之处为求F时将球体与质点之间的距离d当做两物体间的距离，直接用公式求解．求解时要注意，挖去球形空穴后的剩余部分已不是一个均匀球体，不能直接运用万有引力定律公式进行计算，只能用割补法．【教材补充】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物理学案纳雍县第四中学物理教研组在绝望中寻找希望，人生终将辉煌！引力常量。卡文迪许的实验装置如图所示。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=6.754×10-11N·m2/kg2。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。1、实验原理：力矩平衡，即引力矩=扭转力矩2、巧妙处：两次放大及等效的思想：扭秤装置把微小力转变成力矩来反映（一次放大），扭转角度（微小形变）通过光标的移动来反映（二次放大），从而确定物体间的万有引力。3、卡文迪许扭秤实验的伟大之处：A、证明了万有引力的存在B、开创了测量弱力的新时代C、使得万有引力定律有了真正的实用价值4、G值为6.67×10-11Nm2/kg2物理含义：两个质量为1kg的物体相距1m时，它们之间万有引力为6.67×10-11N测定引力常量的意义：A.卡文迪许利用扭秤装置通过改变小球的质量和距离，证实了万有引力的存在及万有引力定律的正确性。B.引力常量的测定使得万有引力能够进行定量计算，使万有引力定律有了真正的使用价值。【随堂练习】1．月—地检验的结果说明（AD）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，与地球质量无关D．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（D）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倍的实心大铁球紧物理学案纳雍县第四中学物理教研组在绝望中寻找希望，人生终将辉煌！靠在一起，则它们之间的万有引力为（D）A．2FB．4FC．8FD．16F4．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（D）A．RB．2RC．2RD．（2-1）R5．两个质量均为M的星体．其连线的垂直平分线为AB，0为两星体连线的中点，如图所示，一质量为M的物体从0沿OA方向运动，则它受到的两星体万有引力的合力大小变化情况是(D)A．一直增大B．一直减小C．先减小，后增大D．先增大，后减小【课后作业】1．下列关于万有引力定律的说法正确的是(ABCD)Ａ．万有引力定律是牛顿发现的Ｂ．中的G是一个比例常数,是有单位的Ｃ．万有引力定律适用于质点间的相互作用Ｄ．两个质量分布均匀的分离的球体之间的相互作用力也可以用来计算,r是两球体球心的距离2．设想人类开发月球，不断把月球上的矿藏搬运到地球上，假定经过长时间开采后，地球仍可看作是均匀的球体，月球仍沿开采前的圆周轨道运动，则与开采前比(B)A．地球与月球间的万有引力将变大B．地球与月球间的万有引力将变小C．地球与月球间的万有引力将不变D．无法确定3．据报道，最近在太阳系外发现了首颗“宜居”行星，其质量约为地球质量的6.4倍,一个在地球表面质量为600N的人在这个行星表面的质量将变为960N。由此可推知,该行星的半径与地球半径比为(B)A．1：2B．2：1C．3：2D．4：14．宇宙飞船正在离地面高地的轨道上做匀速圆周运动，飞船内一弹簧测力计下悬挂一质量为m的重物，g为地面处的重力加速度，则弹簧测力计的读数为（D）A．mgB．mg/2C．mg/3D．05．两颗卫星在同一轨道平面内绕地球做匀速圆周运动，地球半径为R，a卫星离地面高度等于R，b卫星离地面高度为3R。则：(1)两卫星周期之比为多少?(2)若某时刻两颗卫星恰好同时通过地面同一点的正上方，则a至少经过多少个周期两个卫星相距最远?答案：（1）4:2:baTT（2）若同向转动aTt724221rmmGF221rmmGFRh