1、1匀速圆周运动 万有引力定律万有引力定律一.教法建议【抛砖引玉】“万有引力定律”是与“牛顿运动定律”并列的经典力学的最基本、最重要的定律。本单元的教学可分为理论与应用两个密切相关的部分，我们作如下的教学建议。1.“万有引力定律”的教学在进行这一理论知识的教学虽不易采用实验观察的引入法，但却可以采用物理学史的叙述引入法，可以激发学生求知欲。首先介绍 17 世纪开普勒发现的行星运动三定律(教师可以把三定律的条文写出来，并略作说明，但不宜深究，也不必作题)，说明这是人类对行星运动的运动学研究成果，而尚未了解行星运动的动力原因。接下来介绍牛顿对行星运动的动力学研究，他认识到：地球对地面上物体的引力、行
2、星对卫星的引力、太阳对行星的引力，都是同一种性质的力，称之为“万有引力”。随后介绍牛顿根据“牛顿运动定律”、“匀速圆周运动定律”和“开普勒行星运动定律”推导出了“万有引力定律”宇宙间的一切物体都是互相吸引的。两个物体间的引力大小，跟它们的质量的乘积成正比，跟它们的距离平方成正比。其数学表达式为：FGmr12(附 )目前的高三物理课本没有给出“万有引力定律”的推导过程，这样可以减轻学生的学习负担，也不会影响后面的“应用”。如果学校中学生的基础较好且求知欲较强，教师也可在课堂上或课外学科小组活动中给学生讲述下列的推导过程(这只是简化的推导，更全面深刻的知识需待大学时学习)：设：质量为 m 的行星绕
3、太阳做匀速圆周运动，行星到太阳的距离是 R，行星绕太阳运动的周期是 T，行星做圆周运动所需的向心力是由太阳的引力 F 提供的。则：根据牛顿第二定律、向心力计算式、角速度计算式可以进行下列的推导FaRTRm2224()根据“开普勒第三定律”可得：TK23将式代入式可以推导出下式：FmR42设：常数 则式可以简化为：2FmR2经科学研究知道 是一个与太阳质量 M 有关的量。( 被称为太阳的高斯常数)因此 可以表达为 =GM，G 是一个常量，被称为“引力常量”。将 =GM 代入式可以导出：FMmR2这就是太阳对行星引力的计算式，如果推广到宇宙间任意的两个物体，就可写成课本上的“万有引力定律”的普遍表
4、达式：Gr12最后介绍卡文迪许测定“引力常量 G”的方法和原理 (学校若有“卡文迪许扭秤”模型，给学生观看讲述效果更好)，并给出“引力常量 G”的数值：67012.牛 米 千 克2.“万有引力定律”应用的教学课本上讲述“万有引力定律在天文学上的应用”有两项教学目的：一是培养学生把万有引力定律和匀速圆周运动规律联系起来综合解题的能力；二是使学生了解人类发现海王星和冥王星的历史，从而体会到在理论研究基础上的科学预见性的重大意义。课本中的“地球上物体所受重力的变化”一节虽被列为选学内容，但我们认为这部分内容对学生很有启发性，特别是对重力实质的认识是非常重要的，还是应当在课堂上讲授的。课本上“宇宙速度
5、、人造地球卫星”一节，既介绍了现代科技中“航天技术”的初步知识又能够培养和提高学生的解题能力，教师在教学中可以适当地发挥。(我们在后面也提供了一些知识和习题，供学生阅读和练习，供教师参考。)【指点迷津】1.“万有引力定律”是否无条件的绝对正确？近代科学研究中对“万有引力定律”有何新的见解？近代理论研究指出了“万有引力定律”存在的问题。1971 年日本东京大学教授伊藤安仪经过研究提出了：引力常量 G 与距离 r有关。1976 年美国东华盛顿州立大学 DR朗通过实验说明：万有引力定律在近距离内是不正确的。但是，我们要指出：日本和美国的科学家所指出的问题都是限于“厘米”以内的近距离的，而地于天体之间
6、的极大距离 r 的情况下，引力常量 G 仍可看作是不变的，所以“万有引力定律”在处理远距离问题时，仍然基本上是正确的，这就像“牛顿运动定律”在处理宏观低速运动问题时仍然正确一样。这里我们仅是给同学们介绍一些现代物理研究动态，请不要因此而不敢用万有引力定律解题。(中学解答的万有引力问题都是远距离的)2.重力就是地球对物体的引力吗？重力是实际力还是效果力？严格地说，重力只是地球对物体引力的一个效果分力，不是实际力。(地球3对物体的万有引力才是实际力)因为处于地球上的物体要随着地球的自转而做圆周运动，所以就需要向心力，这个向心力就来源于地球引力的一个分力，而剩下的另一个分力就是重力了。从高三物理课本
7、图 321 可以看出：重力 mg 与地球对物体的引力 F 的大小和方向都不相同。那么为什么在处理问题时我们经常把重力这个效果分力近似地当作地球引力这个实际力呢？这是因为地球自转的角速度非常小(根据 ，而地球自2T转的周期 T=24 小时=8.6410 4 秒由此可知 的值很小的了。 )据 可知Fmr2物体随着地球做圆周运动所需的向心力也是很小的。既然地球引力的这个分力很小，则另一个分力就较大了。因此高三物理课本图 321 中的平行四边形的力的分解图若按比例画应是一个十分狭窄的平行四边形，因此虽然 mg 不是 F，但是 mg 的大小和方向都十分近似于 F，这就是在平常处理问题时常把 mg 当作F
8、 的根据。但是，地球自转轴与地面的两个交点地理南极和地理北极是例外的，因为它们位于转轴上，所以圆周半径 r=0，于是 =0，也就是说对于这mr2两点地球引力 F 不需分解，因此这两点的重力就是地球对物体的引力了。最后还有一事是同学们应当注意的：你们在高一和高三学物理时，都是先学“重力”、后学“万有引力定律”的。当初为了既保证概念的正确性，又不能超越知识的顺序，所以采用了这样一种叙述方法由于地球的吸引而使物体受到的力，叫做重力。(而绝不是说地球对物体的引力就是重力)现在我们学过了万有引力定律，再回顾思考上述的文字时，就应当这样理解物体所受的地球引力 F 有一个分力 mg，使物体受到竖直下拉的效果
9、，这个效果力被称为重力。(重力这个竖直下拉的效果如不受其它力干扰时就会使物体产生重力加速度；如果受到悬线的平衡时就会激起悬线的张力；如果受到地面或桌面等托住时就会激起支持力；注：张力和支持力的实质都是弹力)3.既然地球受到太阳的引力而绕着太阳转动，为什么太阳受到地球的引力却不绕着地球绕动？力是物体之间的相互作用，因此地球与太阳之间存在着大小相等、方向相反、彼此相互作用的力。但是地球与太阳的质量却是相差极大的，由于地球的质量小，所以围绕着太阳转动；由于太阳的质量很大，则不能围绕着地球转动。仅仅如上解释，同学们是不会满意的，也不可能深入地理解。因此我们在本单元稍后的一个栏目“思维体操”中，将对此问
10、题进行定量的推导，以比较严格的数学表达论述其中的道理，请关心此事的读者认真的阅读。二.学海导航【思维基础】例题 1.假如一个作圆周运动的人造地球卫星的轨道半径增大到原来的 2 倍，仍作圆周运动，则(A)根据公式 ，可知卫星运动的线速度将增大到原来的 2 倍。vr(B)根据公式 ，可知卫星所需的向心力将减小到原来的 。Fm2 14(C)根据公式 ，可知地球提供的向心力将减小到原来的 。FGMmr2 14(D)根据上述 (B)和(C)中给出的公式，可知卫星运动的线速度将减小到原来的 。2思维基础：本题所提供的选项中已罗列出了各有关的公式，在解答过程时需要认真思考的是各公式使用的条件，请注意以下内容
11、：在使用 分析问题时，不能只看到 r 与 v 的关系，还需考虑因 r 的变化vr而引起的万有引力 F 的变化。在使用 分析问题时，不能只看到 r 与向心力的关系，还需考虑万m2有引力是否变化？线速度是否变化？地球对人造卫星的引力是向心力的来源，应用 来计算；人造卫FGMmr2星绕地球作圆周运动是向心力的效果，应用 来计算。v2解题思路：解答这个问题不应靠想象和猜测，而应通过踏实地推导才能正确地选出答案。在推导的顺序上，可选择变量较少且不易出差错的选项入手。由于公式 中，G、M、m 都是不变的量，因此推导 F 和 r 的关系Fr2不易出错。设人造地球卫星原来的圆周运动半径为 r1，所受到的地球引
12、力为F1；当人造地球卫星的轨道半径增为 r2=2r1 时所受到的地球引力为 F2，则：rGrGrF121121214()由此可知：选项(C)是正确的。将向心力的来源公式和向心力的效果公式联系起来，可以写出下列二式：Mmrv1212G22将 r2=2r1 代入式可得：mv4121将、两式相除可导出：42v5即 :4212222111vvv由此可知：选项(D) 也是正确的。既然(D) 是正确的，那么其结果不同的 (A)显然是不正确的。“卫星所需的向心力”与“地球提供的向心力”应当是一致的。既然(C)是正确的，那么与其结果不同的(B) 显然是不正确的。建议：请同学们想想是否还有其它的推导方法？是否有
13、比上面讲述的更简便的方法？【学法指要】例题 2.两颗人造卫星 A、B 地球作圆周运动，周期之比为 TAT B=18，求：(1)两颗人造卫星的轨道半径之比 RAR B=？(2)两颗人造卫星的运动速率之比 VAV B=?启发性问题1.你能推导出人造地球卫星运行周期的公式吗？2.你知道两颗人造卫星的轨道半径与运行周期之间的比例关系吗？3.你知道两颗人造卫星的运动速率与运行周期和轨道半径之间的比例关系吗？分析与说明：1.设人造卫星的周期为 T、轨道半径为 R、地球的质量为 M、卫星的质量为m、万有引力常量为 G。由于人造卫星所需的向心力来源于地球对卫星的万有引力，我们可以写出下式：MRm22将 代入上
14、式可得：TG22()由上式可以化简为：MRT324R3这就是人造地球卫星运行周期的计算公式。由此式可看出：运行周期与卫星的质量 m 无关。轨道半径越小周期就越短，运动周期 T 与 成正比。R32.对于人造卫星 A 可以写出下式：GMRT22()6可导出： GMRTA324同样的推导方法对于人造卫星 B 也可写出下式：A32将、两式相除：GRMTBA324化简后可得：RTB32还可变化为：AB322.根据 对于 A、B 两颗卫星可以写出下列二式：vT,RA2vB将、两式相除：vRTAB2经化简后可得：vRTABBA求解过程：在“分析与说明”中推导出的关系式我们就直接应用，不在重复推导了。(1)根
15、据前面推导出的式，并将已知量代入就可得出两颗人造卫星轨道半径之比：RTAB232318641()答：R A RB=14(2)根据前面推导出的式，并将已知量代入就可得出两颗人造卫星运动速率之比：vTABAB14827答：v Av B=21【思维体操】在本单元的“指点迷津”中我们所提出的第 3 个问题“为什么太阳受到地球的引力却不绕着地球转动？”现在要通过解答下面这个例题，对此问题作进一步的说明。例题 3.如图 320 所示：质量分别为 m1 和 m2 的两颗星围绕着一个共同的圆心 O 在两个半径不同的同心圆轨道上作匀速圆周运动，并且它们之间的距离总是恒定不变也为 L，求这两颗星运行的轨道半径 r
16、1 和r2。(圆心 O 处无物体)“准备活动”(解题所需的知识与技能)1.由于圆心 O 处无物体存在，所以这两颗星作圆周运动所需的向心力只能由它们之间的万有引力互相提供m 2 给 m1 的引力 F1 使 m1 作圆周运动；m 1 给 m2 的引力 F2 使 m2 作圆周运动。而且根据牛顿第三定律可知：F 1=F2，且方向相反，分别作用在 m1、m 2 两颗星上。2.由于这两颗星之间的距离总是恒定不变为 L，所以这两颗星的运行周期就必须相等，即：T 1=T2。3.由于 F1 和 F2 承担着向心力的任务，所以它们都必须永远指向圆心 O，又因两颗星的距离总是 L，所以两颗星的连线必须始终通过圆心
17、O，于是：r1+r2=L。( 这在附图已经显示出了)4.在解题过程中还需运用下列的导出关系式：mrTrm2224()“体操表演”(解题的过程)根据前面的导出关系式可以写出下列二式：FrT121224根据“准备活动：1”分析出的 F1=F2，则可写出下式4122mrr根据“准备活动：2”分析出的 T1=T2 可以将上式中的 消去(并将等T12与式两边的 4 2也消去)，于是写出了下式：r1再把“准备活动：3”分析出的 r1、r 2 与 L 的关系式写在下面：L2由式导出 r2=Lr 1 代入式:8mrLrr12112()( 由式导出 r1=Lr 2 代入式:mrrL1212()导出的两个式就是本
18、题的答案。但是我们若对两个进行讨论，还能受到更大的启发，获得更多的知识，请接看下面“整理运动”中的讨论内容。“整理运动”(解题后的思考)1.当 m1 m2 时(注意:必须是远远地大于):则:根据两个式可以得出r1 0；r 2L这种情况说明：质量小的 m2 星围绕着质量很大的 m1 星作圆周运动，而且m1 星近似地处于圆心处。由此可知：地球绕着太阳转，而太阳并不绕着地球转的原因。(注意：这只是给中学生看一种简化的、理想化的论证。由于太阳系内还有其它许多行星存在，它们都与太阳之间存在着相互作用，而且太阳也不是绝对不动的，所以实际比上述的讨论要复杂得多。对此特别有兴趣的同学，今后在大学中学习天体力学
19、和天文学等知识时，就会有更深入的了解。)2.当 m1=m2 时,根据两个式推论则： rL这种情况如图 321 所示：两颗星围绕着一个无物存在的共同圆心，在同一圆轨道上运动，在天文学上称为“双星运动”。三.智能显示【心中有数】1.万有引力定律表达式： ，其中万有引力恒量FGmr12该公式适用于质点间的相互作用，当物体间的距离远GNmkg67102.大于物体本身的大小时，公式也近似的适用，距离 r 应为物体质心间的距离。2.物体的重力随离地面高度 h 的变化情况：物体重力近似等于地球对物体的万有引力，即等于 ，可见重力随 h 的增大而减小。MR()23.设地面附近的重力加速度为 g0，离地面高度为
20、 h 处的重力加速度为 g，不考虑地球自转的影响，则有mgG029mgGMRhg()20可 得4.分析天体运动时，把天体运动近似看成匀速圆周运动，万有引力提供所需的向心力，即 。rvmrTrmfr2222()()(1)测出卫星围绕天体做匀速圆周运动的半径 r 和周期 T，可计算天体的质量 M 或密度 ，由 ，得G22()rTmvR4332当卫星绕天体表面做匀速圆周运动时2GT(2)卫星运行的线速度、角速度、周期与轨道半径的关系由 ，可见 v 与 成反比(r 越大，v 越小)Mmrvr2得由 ，可见 与 成反比(r 越大， 越小)GM23得 3由 可见 T 与 成正比(r 越大,T 越大)GrT
21、rr2()得【动脑动手】(一 ).选择题1.航天飞机在进入绕地球做匀速圆周运动的轨道后，若有一宇航员走出机 外，他将A.向着地球方向落向地球B.做平抛运动C.由于惯性做匀速直线运动D.绕地球做匀速圆周运动，像一个人造卫星2.若已知某行星绕太阳公转的半径为 r，公转周期为 T，万有引力怛量 G，则由此可求出A.某行星的质量 B.太阳的质量C.某行星的密度 D.太阳的密度3.人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动的轨道半径为 r，则卫星的速度 v、角速度 、周期 T 与 r 的关系分别是A.v 与 r 成正比，T 与 r 成正比B.v 与 成反比，T 与 成正比3C. 与 成反比3D. 与 r3 成正比
22、104.绕地球做匀速圆周运动的人造地球卫星中有一与内壁相接触的物体，则这个物体A.受到地球的万有引力和卫星内壁的支持力的作用B.受到地球的万有引力和向心力的作用C.只受到地球万有引力的作用D.物体处于完全失重状态，不受任何力的作用5.人造地球卫星由于空气阻力的作用，轨道半径不断地缓慢减小，下列说明中正确的是A.卫星的运行速率不断减小B.卫星的运动速率不断增大C.卫星的运行周期不断变大D.卫星的运行周期不断减小6.人造地球卫星运行时其轨道半径为月球轨道半径的 ，则该卫星运行的13周期大约是A.1 天至 4 天之间B.4 天至 8 天之间C.8 天至 16 天之间D.16 天至 20 天之间7.若
23、取地球的第一宇宙速度为 8km/s,某行星的质量是地球的 6 倍，半径是地球的 1.5 倍，这个行星的第一宇宙速度约为A.2km/s B.4km/s C.16km/s D.32km/s8.有两颗人造地球卫星，它们的质量之比是 m1m 2=12，它们运行线速度的大小之比是 v1v 2=12，那么A.它们运行的周期之比是 T1T 2=81B.它们的轨道半径之比是 r1r 2=41C.它们的向心力大小之比是 F1F 2=132D.它们的向心加速度大小之比是 a1a 2=16 19.两颗靠得较近的天体称为双星，它们以两者连线上某点为圆心做匀速圆周运动，因而不致于由于万有引力作用而吸引在一起，下列说法中正确的是A.它们所受向心力之比与其质量成正比B.它们做匀速圆周运动的角速度之比是 11C.它们做匀速圆周运动的轨道半径之比与其质量成反比D.它们做匀速圆周运动的线速度大小与其质量成反比10.某人在一星球上以速度 v0 竖直上抛一物体，经 t s 后物体落回手中。已知星球半径为 R，那么使物体不再落回星球表面，沿水平方向抛出物体的速度至少应为A. B. C. D.vt020tRt0vRt011.一颗小行星环绕太阳做匀速圆周运动，轨道半径是地球公转半径的 4 倍，则A.它的线速度是地球公转线速度的 2 倍B.它的线速度是地球公转线速度的 1C.它的环绕周期是 4 年
