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(共45张PPT)
万有引力理论的成就
高一年级 物理
小故事
赫歇尔
望远镜
小故事
天王星
海王星
万有引力定律
牛顿
一 “称量”地球的质量
天平
电子秤
思考：如何“称量”地球的质量
问题1：该从什么角度思考这一问题？
万有引力角度
问题2：应选择哪个物体作为研究对象？
选地面上的物体
思考：如何“称量”地球的质量
问题3：地面上的物体运动情况如何、
受力情况如何？
物体随地球自转做匀速圆周运动
G
F万
F向
问题4：需要做怎样的简化？
不考虑自转的影响，物体所受的重力等于地球对物体的引力。
思考：如何“称量”地球的质量
问题5：如何推出地球质量的表达式？
地球的质量为M地,地面上的物体质量为m，地球的半径为R，引力常量为G，地表的重力加速度为g
思考：如何“称量”地球的质量
式中的量是否可以观测？
卡文迪什将利用扭秤装置测定引力常量的实验称为“称量地球的重量”
卡文迪什
著名文学家马克·吐温满怀激情地说：“科学真是迷人。根据零星的事实，
增添一点猜想，竟能赢得那么多收获！”
二 计算天体的质量
如何“称量” 太阳的质量？
思考：如何“称量”太阳的质量
问题1：该从什么角度思考这一问题？
万有引力、牛顿第二定律角度
问题2：应选择哪个物体作为研究对象？
选太阳系行星（地球）
思考：如何“称量”太阳的质量
问题3：地球的运动情况如何、受力情况如何？需要做怎样的简化？
把地球绕太阳的运动简化为匀速圆周运动，万有引力提供它的向心力。
思考：如何“称量”太阳的质量
问题4：如何推出太阳质量的表达式？（考虑式中的量可观测）
M太
m
r是地球与太阳之间的距离，
T是地球绕太阳的公转周期
金星凌日
科学家们通过研究“金星凌日”这一现象，推算出太阳和地球间平均距离为1.5×1011m
太阳的质量
换用太阳系其他行星的数据进行计算，会得到不同的结果吗？
根据开普勒第三定律
选择不同的行星计算的太阳质量均相同
思考1：利用刚才式子可求地球质量吗？
M太
m
可求：中心天体的质量
思考2：如何计算地球的质量？（不受自转的影响）
思考3：如何测量月球的质量？
思考4：如何测量未知天体的密度？
r是轨道半径
R是中心天体的半径
* 小探究
未来的某一天，你成了宇航员，搭乘
“英雄”号火星探测器飞近火星，并进入
靠近火星表面的圆形轨道进行预定的考
察工作，你能不能仅用一只表通过测定时
间来测定火星的密度？
思路：火星的质量 火星的密度
靠近火星表面的圆形轨道: r =R (火星半径）
一只表 : 可求探测器运行的周期T
未知量太多
布瓦尔（法）
木星
土星
天王星
理论轨道
实际轨道
天王星
三 发现未知的天体
天王星的运动轨道出现偏差，是什么原因造成的？
是天文观测数据不准确？
是万有引力定律的准确性有问题？
是天王星轨道外面还有一颗未发现的行星？
……
亚当斯（英）
勒维耶（法）
法国天文学家勒维耶，他是名字被刻在埃菲尔铁塔的七十二位法国科学家与工程师之一。
“请您把你们的望远镜指向黄径326°宝瓶座内的横道上的一点，您将在离此约1°的区域发现一颗光度相当于9等的新行星，它的圆面略可依稀分辨。”
—— 勒维耶
伽勒
笔尖下发现的行星：海王星
勒维耶位置
海王星
亚当斯位置
科学的研究方法
发现问题
大胆猜想
理论推导
实践检验
天王星“古怪”的轨道
各种猜想
亚当斯、勒维耶计算新行星的轨道
伽勒在预言位置观测到海王星
冥王星
1930年，汤博发现了冥王星
双星
球状星团
四 预言哈雷彗星回归
哈雷彗星是地球上唯一能用裸眼看见的短周期彗星。
英国天文学家哈雷成功预言这颗彗星回归时间。
哈雷彗星
哈雷彗星轨道的半长轴r1约等于地球绕太阳公转半径r2的18倍，请你估算哈雷彗星的周期？
解：根据开普勒第三定律
哈雷（英）
哈雷解释了1531年、1607年和1682年出现的彗星，实际是同一颗彗星的三次回归。他预言彗星将于1759年再次回归。
在1986年回归时，哈雷彗星成为第一颗被宇宙飞船详细观察的彗星。
我们期待2061年的回归！
“没有任何东西像牛顿引力理论对行星轨道的计算那样，如此有力地树立起人们对年轻的物理学的尊敬。从此以后，这门自然科学成了巨大的精神王国……”
——诺贝尔奖获得者物理学家劳厄
五 其他应用
潮汐
牛顿应用万有引力定律对白昼的潮和半月一次的大潮作了解释。
“橘子与柠檬”之争
牛顿推测地球呈赤道处略为隆起的扁平形状。
笛卡儿预言，地球应是两极伸长的扁球体。
重力勘探
根据万有引力定律可以推断出地球表面附近重力加速度的大致变化规律，还可进一步根据重力加速度的异常，探测矿藏或地质结构的特点。
P
O
地下
万有引力理论成就非凡，魅力无穷！
小 结

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