04 牛顿定律+宇宙之旅
牛顿万有引力的过程
牛顿万有引力的过程牛顿万有引力是物理学中的一项重要理论，由英国科学家艾萨克·牛顿在17世纪末提出。
这个理论解释了地球上物体受到引力的原理，也是我们理解宇宙运行规律的基础。
下面，我将以人类的视角来描述牛顿万有引力的过程。
我们从牛顿的发现开始。
在17世纪末，牛顿观察到一个苹果从树上掉落的现象，这激发了他对重力的思考。
他开始思考为什么物体会朝着地面下落，而不是朝着其他方向移动。
通过反复观察和实验，牛顿逐渐得出了一个结论：地球对物体施加了一种力，这种力被称为引力。
牛顿的观察和实验揭示了引力的存在，但他并没有停止在此。
他开始思考引力是如何起作用的，以及它的规律是什么。
通过研究其他天体间的相互作用，牛顿发现了一个重要的规律：引力的大小与物体的质量成正比，与物体之间的距离的平方成反比。
这个规律被称为牛顿万有引力定律。
牛顿万有引力定律可以用一个简单的数学公式来表示：F = G * (m1 * m2) / r^2。
其中，F表示物体之间的引力大小，G是一个常数，m1和m2分别表示两个物体的质量，r表示它们之间的距离。
这个公式揭示了引力的计算方法，同时也表明了引力与质量和距离的关系。
通过牛顿万有引力定律，我们可以解释为什么地球上的物体会受到引力的作用。
地球的质量很大，所以它产生的引力也很大。
当我们站在地面上时，地球对我们施加的引力使我们保持在地面上，而不被抛出到太空中。
同时，我们也可以解释为什么物体在空中自由下落。
因为没有其他力的干扰，物体受到地球的引力，沿着重力方向下落。
牛顿万有引力不仅仅适用于地球上的物体，还适用于整个宇宙中的天体。
例如，地球绕着太阳运行，这是因为太阳对地球施加了引力，使得地球沿着轨道运动。
而月球绕着地球运行，也是因为地球对月球施加了引力。
牛顿万有引力的发现对于人类的科学研究和技术应用有着重要的影响。
它不仅解释了地球上物体的运动规律，还使我们能够预测和控制天体的运动。
例如，利用牛顿万有引力定律，科学家可以计算出卫星的轨道，从而实现卫星通信和导航系统。
牛顿万有引力定律与行星运动
牛顿万有引力定律与行星运动在自然科学领域中，牛顿万有引力定律是一个极其重要的理论。
它揭示了行星运动的规律性，为我们解释了宇宙中行星的轨道和运动方式。
本文将从牛顿万有引力定律的提出和基本原理出发，探讨其与行星运动之间的关系。
牛顿万有引力定律由英国科学家艾萨克·牛顿在17世纪末提出，被誉为自然科学的里程碑之一。
该定律的核心思想是：任何两个物体之间都存在着相互吸引的力，这个力与两个物体的质量成正比，与它们之间的距离的平方成反比。
具体表达式为：F = G * (m1 * m2) / r^2，其中F表示物体之间的引力，G是一个常数，m1和m2分别表示两个物体的质量，r表示它们之间的距离。
牛顿万有引力定律的提出，标志着人类对宇宙的认识迈出了重要的一步。
它不仅解释了地球上物体的自由落体现象，还成功地预测了行星的轨道和运动。
根据牛顿的定律，行星绕太阳运动的轨道是椭圆形的，太阳位于椭圆的一个焦点上。
这个发现被称为开普勒定律，对于我们理解行星运动的规律至关重要。
在行星运动中，除了牛顿万有引力定律，还有其他因素的影响。
其中最重要的是行星的质量和速度。
根据牛顿第二定律，物体的加速度与施加在它上面的力成正比，与物体的质量成反比。
因此，行星的质量越大，它所受到的引力就越大，运动的轨道也就越稳定。
而行星的速度则决定了它的轨道形状和运动方式。
如果行星的速度过大，它将逃离太阳的引力而飞出太阳系；如果速度过小，它将被太阳的引力捕获，进入椭圆轨道。
除了行星运动，牛顿万有引力定律还可以解释其他天体现象。
例如，卫星绕地球运动的规律也符合牛顿的定律。
人造卫星通过发射火箭进入轨道后，受到地球的引力作用，保持在固定的轨道上运行。
这种轨道通常是圆形或椭圆形的，卫星的速度和高度决定了它的轨道形状。
牛顿万有引力定律的应用不仅局限于天体运动领域，还可以解释地球上的一些现象。
例如，地球上的物体受到地球引力的作用，产生了重力。
重力使得物体向地球的中心运动，决定了物体的重量和下落速度。
牛顿定律宇宙之旅
约在距今137亿年前，爆炸从一个密度无限大的奇点开 始→约10-35s后，后一个特别快速的膨胀过程(称暴胀 )，当膨 胀变慢后，宇宙充满了夸克和电子等基本粒子→到10-6s时， 夸克结合成中子和质子等强子，他们约在3分钟后形成原子 核→约38万年后，宇宙以冷却到温度为4000K左右，质子能
俘获电子而形成中性的氢原子，这时原来从大爆炸产生的光 子开始自由地运动而充满宇宙空间→50亿年后，星系形成， 太阳系形成→100亿年后，宇宙温度冷却到2.7K，出现人类 活动。
牛顿定律的适用范围:
1、只适用于在惯性系内，低速运动问题 • （可与光速相比， 相对论） 2、只适用于宏观问题 • （分子、原子、电子等，量子力学）
2019年11月19日星期二
理学院物理系 王 强
第2章 牛顿定律
大学物理
§2-1 牛 顿 定 律 Newton’s Law of Motion
四、 万有引力定律
2019年11月19日星期二
理学院物理系 王 强
第1章 牛顿力学
大学物理
§2-1 宇宙之旅
2019年11月19日星期二
理学院 物理系 王 强
第二章 宇宙之旅
大学物理
§2-§12-1
宇宙之旅
宇宙之旅
德国哲学家康德说过：
“世界上有两件东西能够深深地震撼我们 的心灵：一件是我们心中崇高的道德准则；另一 件是我们头顶上灿烂的星空”
求质点在任意时刻的速度和位置。
解:
v dx 6.0t 2 4.0t 6.0
dt
dx (6.0t 2 4.0t 6.0)dt
x
dx
t (6.0t 2 4.0t 6.0)dt
5.0
高中物理人教版《宇宙航行》课件
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(2)在地面上校准的两只钟，一只留在地面上，一只随宇宙飞船遨游太空， 隔一段时间飞船返回地面时，两只钟显示的时间相同吗？有什么差别？ 答案 不相同，随飞船旅行的时钟变慢.
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二、牛顿力学的成就与局限性 1.牛顿力学的成就：牛顿力学的基础是 牛顿运动定律 ， 万有引力 定律 的建立与应用更是确立了人们对牛顿力学的尊敬. 2.牛顿力学局限性：牛顿力学的适用范围是 低速 (填“高速”或“低 速”)运动的 宏观 (填“宏观”或“微观”)物体. (1)当物体以接近光速运动时，有些规律与牛顿力学的结论 不相同 . (2)电子、质子、中子等微观粒子的运动规律在很多情况下不能用牛顿力 学来说明. 3.牛顿力学不会 被新的科学成就所否定，当物体的运动速度_远__小__于__光__速_ c 时，相对论物理学与牛顿力学的结论没有区别.
二、牛顿力学的成就与局限性 导学探究 如图1所示，质子束被加速到接近光速，经典力学适用于质子 束的运动规律吗？
答案 不适用.
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图1
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《万有引力定律》万有引力与宇宙航行优秀课件
《万有引力定律》万有引力与宇宙航行优秀课件汇报人：2023-12-23•万有引力定律的发现与理解•万有引力定律在宇宙航行中的应用目录•万有引力与宇宙航行的未来展望•万有引力定律的局限性及其挑战•万有引力定律与我们的日常生活目录01万有引力定律的发现与理解牛顿与万有引力定律的发现牛顿的生平简介艾萨克·牛顿是一位英国物理学家、数学家，被认为是科学革命的关键人物。
万有引力定律的提出牛顿在观察苹果落地的过程中，发现了万有引力定律。
科学影响万有引力定律的发现对天文学、物理学和整个科学领域产生了深远的影响。
万有引力是指任何两个物体之间都存在相互吸引的力。
万有引力的定义力的作用方式适用范围万有引力的大小与两个物体的质量成正比，与它们之间的距离的平方成反比。
万有引力定律适用于任何两个物体，无论它们之间的距离有多远。
030201万有引力定律的数学表达式为 F=G(m1m2)/r^2，其中 F 是两物体之间的万有引力，G 是自然界的常量，m1 和 m2 是两个物体的质量，r 是它们之间的距离。
公式表达在公式中，G 是自然界的恒定的常量，称为万有引力常数；m1 和 m2 是两个物体的质量；r 是它们之间的距离。
参数解释通过万有引力定律的公式，可以计算出任意两个物体之间的万有引力的大小。
计算方法02万有引力定律在宇宙航行中的应用宇宙航行的基本原理宇宙航行是指利用航天器在宇宙空间中进行远距离移动或探索的科学和技术活动。
宇宙航行的基本原理基于牛顿第三定律，即作用力和反作用力相等且方向相反。
在宇宙航行中，航天器需要精确的轨道计算来确保安全和有效的航行。
利用万有引力定律可以计算航天器在轨道上的位置、速度和加速度，以及预测未来的位置和速度。
万有引力定律指出任何两个物体都相互吸引，引力的大小与两个物体的质量成正比，与它们之间的距离的平方成反比。
利用万有引力进行轨道计算重力助推是指利用行星或其他天体的引力来增加航天器的速度或改变其轨道的技术。
牛顿地心引力的故事
牛顿地心引力的故事牛顿地心引力的故事，是一段极具探索精神和科学探索精神的历史传奇。
在万物都具备重力的天地之间，牛顿从天体运动中探索出了地心引力，创立了经典的牛顿力学，让人类对宇宙的认识和理解迈上了一个全新的台阶。
牛顿地心引力的理论，是在当时充满了浩瀚、神秘和未知的天体运动现象中得出的。
当时，人们对于宇宙的了解不深，甚至还有许多迷信和荒谬的谣言流传。
牛顿的理论，把复杂的天体力学运动现象，转化为一种简洁、易于理解的数学模型。
他认为，天体运动是由一种引力相互作用所引起的，而且这种引力的作用力量跟天体之间的质量和距离有关系。
牛顿精研天文学多年，他想着天体运动中有一个原因始终在掌握着万物的运转和演变方向。
他细细思索，发现了万有引力定律，并用数学推导出万物运动的规律，这就是后来被称为《自然哲学的数学原理》的著作。
牛顿地心引力的理论，不仅对解释日常生活中的许多自然现象有帮助，对探索宇宙的奥秘、推动科学技术的发展也有重要的意义。
牛顿理论的奠基人牛顿认为，科学技术的发展需要从基础研究着手，应重视理论研究的重要性。
对于基础研究和理论研究的探索，应该符合科学的规律，强调科学的严谨性、精确性和前瞻性。
如果没有牛顿地心引力的理论，人类对宇宙的认识就会停留在很低的层次，无法更深刻地理解宇宙的本质和规律。
现在，我们已经进入一个以科技为主导的时代，探索宇宙和陆地、海洋、大气等自然科学领域的深度和广度越来越大，我们要更加重视基础研究和理论研究，继续推动科学技术的发展和进步。
牛顿地心引力的故事，告诉我们，只要有探索精神、勇毅心和敢于挑战自我，就可以探索到更高层次、更深刻和真实的知识和经验。
在科学研究中，我们要保持严谨的态度、精益求精的精神，才能推动科学技术的发展，为人类探索更广阔天地、创造更美好未来做出更大贡献。
13宇宙航行
h
r
近地卫星距地面
高度在100km--
R 200km左右，远小
于地球半径。
代入得：
第一宇宙速度
第一宇宙速度
物体在地球附近，围绕地球作匀速圆周运动 的速度，叫做第一宇宙速度。
第一宇宙速度大小等于7.9km/s。
结合刚才的问题，即把物体从高山上水平抛出，如果抛出速度等于 第一宇宙速度，物体就不会落回地面,而成为了人造地球卫星。
三、载人航天与太空探索
随着
科技的进步，载人航天，成为了可能。
资
资
资
料
料
料
我国载人航天事业起步较晚，但发展很快。
资
资
料
料
资料
神舟飞船与天宫实验室交会对接
中国宇航员太空行走
中国未来空间站
进入新世纪以来，我国航天事业蓬勃发展，先后有11位宇航员进入太空，
完成了飞船与空间实验室交会对接、宇航员太空行走等高难动作，2022
将卫星以v1速度水平射出。这个 射出过程叫轨道发射。之后卫 星进入轨道1。
如果要把卫星发射到近地轨道上， 发射速度v1应为第一宇宙速度。
A
P
v1
1
如果发射高轨道卫星呢？
（预定轨道3）
3
在A点将卫星以更大速度v2 （v2>v1)沿水平射出。（轨道 发射） 进入椭圆轨道2。
A P
v2>v1
使轨道2与预定轨道3相切于B点，
资
前苏联科学家，齐奥尔科
料
夫斯基提出多级火箭理论，使
发射人造卫星成为了可能。
资料
世界第一颗人造地球卫星 （前苏联1957年）
康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基 （1857-1935前苏联）
关于牛顿万有引力定律的故事精选
关于⽜顿万有引⼒定律的故事精选我们都知道万有引⼒是⽜顿发现的，那么，关于⽜顿万有引⼒定律的故事有哪些呢？下⾯⼩编整理了⼀些相关信息，供⼤家参考！⽜顿万有引⼒定律背后的故事胡克是当时最先进的实验主义者，利⽤螺旋弹簧，他推导出了“弹性定律”也就是今天的胡克定律。
他完善了空⽓泵，并⽤它对呼吸和声⾳做了实验。
有⼀天，哈雷和胡克，以及克⾥斯多佛.雷恩⼀起在咖啡馆，讨论⼀个难解的谜团，为什么⾏星这样运动。
在80年前，天⽂学家开普勒，证明了⾏星绕太阳运⾏的轨道，不是正圆，⽽是椭圆。
⽽且⾏星离太阳越近，它转得越快。
为什么，有没有可能太阳有某种隐形⼒，造成了⾏星运动的改变？如果正是如此，有没有简单的数学法则可以解释这⼀切？就像胡克的弹性定律那样？就在哈雷怀疑⽜顿是不是像胡克⼀样糊弄⾃⼰的时候，信使送来了⽜顿的信。
这些正是⾃然包容万物的视野。
书写出现代科学的卷⾸语。
关于运动定律，万有引⼒定律的普世法则。
不仅适⽤于地球，⽽且适⽤于真个宇宙。
哈雷匆忙赶回了剑桥。
如果没有埃德蒙多.哈雷，⽜顿就不会构思，也不会写⾃然哲学原理，更别提出版印刷这本巨作，那对我们有什么影响吗？在1642年，⽜顿出⽣以前，世界和现在⾮常不同。
⼈们看天上的星⾠，只能理解为是钟表⼤师的杰作。
在他们⼤脑中，只能出现⼀种解释，只有⼀个答案，God出于我们不了解的原因，上帝创造出了太阳系。
但这样的解释把其他⼀系列问题都关在门外。
万有引⼒定律的出现，使⼈们不必搬出钟表⼤师或者上帝，就可以解释太阳系的精确和美丽。
如果没有哈雷年复⼀年的⽀持⽜顿，也许⼈们会更加铭记他⾃⾝的成就和发现。
哈雷利⽤万有引⼒定律推导出彗星的出现的规律，雷第⼀个发现1531，1607和1682年的其实是同⼀颗，是⼀颗每隔76年就回归⼀次的彗星。
他预⾔，在50年之后，⼈们还会见到这颗彗星。
千年以来，彗星⼀直是神秘主义者的道具，神秘主义者认为彗星是⼈间⼤师的征兆，哈雷粉碎了他们的垄断。
在他们的⾏当中打败了他们。
牛顿发现万有引力定律的故事
牛顿发现万有引力的故事有一天，牛顿在午后走进花园休息，在一棵苹果树下坐了下来，与朋友史特克莱一起谈着物理学中的各种问题。
谈着谈着，树上的一只苹果也许是熟透了的缘故，突然落下地来，而且不偏不倚，正好落在牛顿的头上。
这时牛顿脑海里突然冒出一个奇怪的念头，苹果为什么不往天上飞，而要往地下落呢?是什么力在吸引它呢?吸引它的可能是地球。
这个力朝向地球的中心，所以地球上所有的物体部会往地上掉。
牛顿这样推测。
"地球吸引着苹果，苹果也一定吸引着地球。
"牛顿头脑中进一步思考着。
但是，为什么只看见苹果落地，不见地球向苹果飞去呢?对于这个问题，牛顿自己给自已找到了答案。
苹果吸引地球和地球吸引苹果，引力的大小是一样的。
只是苹果很小，地球引力很容易使它运动，而地球的质量非常大，苹果对它的引力则显得微乎其微、小得可怜，对它几乎不起什么作用。
因此，地球似乎没有受到苹果的引力，人们不会看到它因为苹果的吸引而发生位移。
牛顿继续想，那么可不可以把天上的月亮看做是一个很大的苹果呢?地球对它也有一个引力，可它为什么不像苹果一样落向地球呢?月亮难道不受地球的引力吗?不对，它肯定受了地球的引力。
但是月亮在天空中做着圆周运动。
对了，它做圆周运动，这样就会产生一个离心力。
这很像下雨时你转动雨伞，水珠会向伞外做切线飞出去。
这就是离心力在起作用。
而月亮既受着地球的引力，又因为作为圆周运动而产生离心力。
两个力方向相反，大小相等，于是月亮既不飞走，也不掉向地球，而是悬挂在天空，绕地球运行不息。
就这样，牛顿从落在头上的一只苹果想起，一步一步深入地思考，想到了月亮、想到了太阳，终于发现了万有引力。
他又进一步思考万有引力的大小，发现了伟大的万有引力定律。
宇宙间一条普遍的规律，被一只苹果落在头上所激发，促使牛顿产生灵感的闪光，迸发出了光辉的思想火花。
宇宙航行
宇宙航行
人类的飞天梦想
嫦 娥 奔 月
第5节 宇 宙 航 行
一、牛顿的设想
英国科学家牛顿 (1643-1727) 在1687年出版的《自然哲学的数学原理》中，牛 顿设想抛出速度足够大时，物体就不会落回地面。
一、创境激情 初步感知
v0
思考1： 若抛出物体的水平初速度足够 大,物体将会怎样?
二、人造卫星
3、第三宇宙速度（逃逸速度）：v =16.7千米/秒
（卫星挣脱太阳束缚的最小发射速度）
人造卫星发射动画演示
V=7.9km/s
11.2km/s>V>7.9km/s
太空中的飞船对接
西昌卫星发射中心
酒泉卫星发射基地
太 原 卫 星 发 射 中 心
第5节 宇 宙 航 行
小结
1、第一宇宙速度（环绕速度）：v =7.9千米/秒
（地球卫星最大的绕行速度，地球卫星的最小发射速度）
2、第二宇宙速度（脱离速度）：v =11.2千米/秒
（卫星挣脱地球束缚变成小行星的最小发射速度）
在地面附近发射飞行器，如果它的 速度大于7.9km/s会怎么样呢？
在地面附近发射 飞行器，如果发 射速度大于 7.9km/s，而小于 11.2km/s，那么它 绕地球运动的轨 道就不是圆，而 是椭圆。
V3=16.7km/s
V2=11.2km/s
地球
V1=7.9km/s
如果速度继续增加，达到或大于 11.2km/s时，它就会克服地球的引力， 永远离开地球，成为绕太阳运动的 一颗人造行星
卫星绕地球环绕的速度是?
G Mm r
2
m
v
2
r
v
GM r
r=R+h
牛顿的‘宇宙第一推动力’被彻底解决
牛顿的‘宇宙第一推动力’被彻底解决1、前言在上篇文章《卫星姿态控制器将遭淘汰_掀开现代物理学的神密面纱（8）》中，介绍了宇宙中的星系形成后，各天体自转的动力形成机理。
那么有人一定会问，宇宙中第一个旋转的天体又是如何形成的呢？三百多年前，牛顿发现了万有引力定律，达到了他事业的巅峰。
但在行星为什么绕太阳旋转的问题上，牛顿遭遇了不可逾越的瓶颈，后转而研究神学，提出了神是宇宙的‘第一推动力’。
认为是上帝将宇宙推了一把,从此宇宙便一真旋转至今。
这一关系到宇宙各大星系成因的‘第一推动力’至今仍困绕着整个科学界。
当初牛顿为了解决太阳系的旋转问题，曾提出‘切线力’假设，即两物体在万有引力作用下，必存在一个垂直于引力方向的力，但终因没能找到切线力的形成依据而放弃了。
牛顿不愿将这种毫无根基的假设留给后人，而造成科学上的悬念，从事神学研究不过是他对科学的一种逃避方式罢了。
科学不应有悬念，更不应有不可理解结论，这是一个伟大科学家的准则。
爱因斯坦同牛顿一样，具备了一个伟大科学家的最优秀品质。
爱因斯坦创建相对论后，并没有沉浸在成功的喜悦中，而是面对各种质疑，孤身一人进行了更为艰辛的探索（统一场论）。
面对最后的失败，他勇敢地说：“在我提出的概念中，没有一个我确信能坚如磐石，我也不能肯定自己总体上是否处于正确的轨道”，最后烧掉了他辛苦研究的所有稿件。
这是爱因斯坦为了避免更多的科学悬念留传后世，而采取的一种非常手段。
后世一些无聊学者猜想，爱因斯坦可能洞察到了某某天机，为不泄漏天机而烧掉稿件，这对思维正常的人来说是非常可笑的，也是对伟大科学家的亵渎。
那么集牛顿和爱因斯坦之智慧，能否解决这个古老的‘第一推动力’迷题？今天小编就为大家回答这个问题。
2、狭义相对论的修正及验证2.1、狭义相对论的修正内容在叙述天体旋转成因之前，先回顾下狭义相对论的主要修正内容，以及修正后的关键性结论。
狭义相对论在创建过程中存在两处错误[1]。
A、旧狭相推导时空变换式的数学模型是，两惯性系是沿X轴方向做相对运动，该模型不可能推得两惯性系间的Y、Z轴变换关系，实际上Y、Z轴坐标变换不过是种直觉上的想当然，并无推理过程。
《万有引力定律》万有引力与宇宙航行优秀课件
例如，根据广义相对论，黑洞的存在会弯曲其周围的 时空，形成所谓的“事件视界”。
通过结合万有引力和相对论的理论，科学家们能够更 深入地理解这些复杂的自然现象。
06
总结与展望
万有引力定律的重要地位与作用总结
01
自然界的基本规律
万有引力定律是自然界的基本规律之一，它解释了物体之间的引力关
系，是理解宇宙结构的重要基础。
02
宇宙航行的关键原理
万有引力定律不仅揭示了行星运动的规律，还是宇宙航行的关键原理
。通过利用万有引力定律，人类能够准确计算天体的轨道和运动。
03
物理学发展的里程碑
万有引力定律的发现是物理学发展史上的重要里程碑，它为经典力学
的建立奠定了基础，并对后来的物理学发展产生了深远影响。
基于万有引力定律的未来展望
万有引力定律描述了物体之间因质量而产生的引力， 而相对论则尝试解释这种引力如何影响物体的运动。
这种弯曲效应在强重力场中最为显著，例如黑洞或宇 宙大爆炸。
基于万有引力定律的相对论应用场景
基于万有引力定律和相对论，我们可以推导出许多重 要的天体物理现象。
另一方面，在宇宙学领域，广义相对论被广泛应用于 解释宇宙的膨胀和宇宙微波背景辐射。
2023
《万有引力定律》万有引 力与宇宙航行优秀课件
目 录
• 万有引力定律概述 • 万有引力定律在宇宙航行中的应用 • 万有引力定律与行星运动规律的关系 • 万有引力定律的实验验证与应用拓展 • 万有引力定律与相对论的关联 • 总结与展望
01
万有引力定律概述
万有引力定律的内容
任何物体之间都存 在引力作用
04
万有引力定律的实验验证与 应用拓展
万有引力定律的实验验证方法
牛顿的宇宙体系
2 2
T
• 由牛顿第二定律可知，太阳对行星的引力指向太阳，
大小：
F ma 4 mR
2
T
2
平方反比定律
F ma 4 mR
2
T
2
• 而由开普勒第三定律
F 4 k
2
T
2
kR
3
，代入上式可得：
m R
2
对月球运动的分析发现，地球与月球之间引力的 大小，与月球质量成正比，与月球、地球之间距 离的平方成反比；而由牛顿第三定律它也应当与 地球的质量成正比。
• 牛顿第三定律表明每个力都是两个物体 之间的相互作用。
牛顿第三定律的推论
动量守恒定律
• 坐在椅子上双脚离地，然后双手用力搬椅子，
你能把自己和椅子一起搬起来吗？
• 换一个大力士来做呢？
• 你坐在椅子上双脚离地，然后让一个大力士来
搬你坐的椅子呢？
牛顿第三定律的推论
动量守恒定律
• 上面的问题告诉我们，只靠自己是不能从一个地
月球也在不断向地心下落
为什么月球没下落到地上
v 1 7 . 9 km / s
月球的加速度
• 匀速圆周运动的向心加速度： a 的球心间的距离
v
2
1 R
(
2 R T
)
2
4 R
2
• 月球绕地球的运动近似为匀速圆周运动，月球与地球
R 3 . 84 10 m
8
R
T
2
，月球绕地球一周的
海王星的发现
—— 万有引力定律的证实
• 观察发现天王星存在“反常行为”，即当计及已知行 星的扰动，仍无法解释其运动轨道的不规则性。 • 亚当斯和勒维烈假定，在天王星外还有一颗未知的行 星，它对天王星的扰动造成后者轨道的不规则性；他 们由观察到的天王星的“反常行为”反推出这颗未知 行星的质量和轨道。 • 伽勒根据勒维烈的预言观察到了这颗行星：海王星。
物理学概念知识：牛顿万有引力定律和行星的星际运动
物理学概念知识：牛顿万有引力定律和行星的星际运动牛顿万有引力定律与行星的星际运动牛顿万有引力定律是牛顿在17世纪提出的一项重大发现，它解释了宏观物体如何相互作用的规律。
牛顿引力定律表明，两个物体之间的引力大小与它们的质量和距离的平方成反比，这个力与他们的距离方向正比。
这个简单而又具有普适性的定律，极大地推动了当时物理学的进展。
行星运动是受到引力作用的结果，因此，牛顿的万有引力定律恰好适用于行星运动。
对于太阳与任何一个星球之间的引力作用，可以由它们之间的距离平方除以质量乘以万有引力常数而得到。
在八大行星中，水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星都遵循这个规律，在行星运动中，太阳看似固定不动，实际上因为其中的引力作用而像一个巨大的巨石，吸引着行星围绕它不断地运转。
行星从居住的轨道中，根据时机，在它的轨道上旋转，此时就显示出天空中的动感。
太阳系中最引人注目的天体之一是行星，它们绕太阳不断运动。
Mulde等人通过实验确定了行星的轨道和运动速度遵循圆形运动的规律，并以此作为基础推出了行星的星际运动。
在经典物理学中，行星的星际运动可以被推导出来并预测。
牛顿已经通过天文观察，验证了这个理论和观察结果之间的一致性和精确性。
研究行星的轨道和星际运动的物理模型，已经成为宇宙探索的核心之一，并且在人类探索它们的奥秘时发挥重要作用。
正因为牛顿的万有引力定律的发现，使得我们可以更好的了解星际运动和太阳系中各天体之间的运动关系。
虽然在这个宏观世界中，各种物质形式的速度和造型会出现变化，我们仍可以借助物理学的思维，得到关于它们之间关系的规律。
现代物理学中，万有引力定律被认为是经典物理学中最重要的定律之一，不仅在行星的星际运动中发挥着至关重要的作用，也被广泛应用于其他物理学分支中，如质点运动，能量守恒和电场。
总之，牛顿的万有引力定律展示了物理学领域的一次重要突破，为行星的星际运动和宇宙探测技术奠定了基础，也极大地促进了现代科学的发展。
宇宙运行的规律;太阳系的奇迹(宇宙运行七大规律(一))
宇宙运行的规律;太阳系的奇迹
宇宙的运行规律和太阳系的奇迹一直是人类探索和研究的焦点之一。
从古代的天文学家到现代的科学家，人类一直试图理解宇宙的规律和太阳系的奇迹。
在这个广袤而神秘的宇宙中，有许多引人注目的现象和规律，让我们一起来探索一下。
首先，让我们来谈谈宇宙的运行规律。
宇宙中的一切都遵循着精确的规律，这些规律使得星体在宇宙中运行有序而稳定。
根据牛顿的万有引力定律，所有物体都会相互吸引，且引力的大小与物体的质量和距离成正比。
这一定律解释了为什么行星围绕恒星运行、卫星围绕行星运行，以及为什么整个星系都保持着相对稳定的轨道。
而太阳系的奇迹则体现在其精密而令人惊叹的结构上。
太阳系由太阳、九大行星以及无数卫星、小行星和彗星组成，它们共同构成了一个庞大而复杂的系统。
太阳系中的每颗行星都沿着其轨道有序地运行，遵循着严格的运行规律。
其中，地球作为我们所在的星球，更是孕育了生命的奇迹，其独特的环境和稳定的轨道为生命的存在提供了可能。
除此之外，太阳系中还有许多令人惊叹的现象，比如木星的大红斑、土星的环、火星的火山、水星的岩石地表等等。
这些奇迹般的景象都使得太阳系成为了人类探索和惊叹的对象。
在人类的长期探索中，我们不断发现宇宙中的规律和奇迹，这些发现不仅拓展了我们对宇宙的认识，也深化了我们对自身存在的理解。
宇宙的运行规律和太阳系的奇迹将继续激励着人类不断前行，探索未知、求知若渴。
因为只有通过不断地探索和发现，我们才能更好地理解和珍视宇宙中的一切奇迹和规律。
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理学院 物理系 王 强
第二章 宇宙之旅
大学物理
§2-1 宇宙之旅
1、一种解释 1946年 哈里森研究指出，在上述命题中， 1946年，哈里森研究指出，在上述命题中，一个根本 研究指出 的错误是假定了恒星一直在发光。 的错误是假定了恒星一直在发光。实际上一个恒星从星际 弥漫物质中开始形成，到发光，到内部核燃料烧完， 弥漫物质中开始形成，到发光，到内部核燃料烧完，从生 到死有一定寿命。 ≈100亿年 到死有一定寿命。一般估计恒星发光寿命约t* ≈100亿年 它远比光离开恒星表面后， (1010年)，它远比光离开恒星表面后，到波吸收所经过的平 小得多。 均时间 τ (约1023年)小得多。 哈里森的计算表明： 哈里森的计算表明： 不考虑恒星有寿命时， 不考虑恒星有寿命时，星光传到我们所在处叠加起 来的总的辐射能量密度u 来的总的辐射能量密度 等于一颗恒星表面的辐射能量 考虑到有寿命时， 密度 u* 。考虑到有寿命时，则：
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第二章 宇宙之旅
大学物理
§2-1 宇宙之旅
宇宙学原理
• • • • 宇宙在大尺度上是各向同性的、均匀的。 宇宙在大尺度上是各向同性的、均匀的。 宇宙没有中心，也没有边界。 宇宙没有中心，也没有边界。 在任何一个典型星系上观测宇宙及其规律都是一样的。 在任何一个典型星系上观测宇宙及其规律都是一样的。 宇宙在大尺度上可以看作一个以星系作为分子的均匀气体。 宇宙在大尺度上可以看作一个以星系作为分子的均匀气体。
• 一句话：宇宙是一个物质在 其中几乎均匀分布的体系。
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第二章 宇宙之旅
大学物理
§2-1 宇宙之旅
夜晚的天空为什么是黑暗的 夜晚的天空为什么是黑暗的？ 黑暗
早在1720年到1823年期间英、 早在1720年到1823年期间英、法、德三 1720年到1823年期间英 国各有一位天文家(分别是哈雷，切西亚赫，奥尔 国各有一位天文家(分别是哈雷，切西亚赫， 哈雷 勃斯)提出了如下命题： 勃斯)提出了如下命题： 如果恒星大体上均匀分布于无限的宇宙 空间，我们从任何一个方向上去看， 空间，我们从任何一个方向上去看，总会看到一 颗星，因而总是亮的，而不是黑暗的。换句话说， 颗星，因而总是亮的，而不是黑暗的。换句话说， 夜晚的天空到处都应该同太阳表面一样明 但事实远非如此。 亮！但事实远非如此。 后来这命题被称为“奥尔勃斯佯谬” 后来这命题被称为“奥尔勃斯佯谬”
v = 6.0t + 4.0t + 6.0
2
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理学院物理系 王 强
第1章 牛顿力学
大学物理
第一章
牛顿力学
例:
一质量为 10kg 的质点在力
v F作用下沿
x 轴作直线运动，已知：F =120t + 40, 直线运动，已知：
, /s 在 t = 0 时， x0 = 5.0 m v0 = 6.0 m
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第2章 牛顿定律
大学物理
§2-1 牛 顿 定 律
Newton’s Law of Motion
四、 万有引力定律
r
m2
v F21
m m2 1 F =G 2 r
m1、m2 ：引力质量
m 1
v F 12
万有引力常数：G = 6.67×10−11 N⋅ m2 ⋅ kg−2
r v F = −F21 12
r F21
v F 12
作用力与反作用力同时存在或消失 同时存在或消失. 1) 作用力与反作用力同时存在或消失. 作用力与反作用力一定是同种性质的力. 2) 作用力与反作用力一定是同种性质的力. 同种性质的力
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第2章 牛顿定律
大学物理
v 合外 F = 0时： 力
v v = 恒矢量
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第2章 牛顿定律
大学物理
§2-1 牛 顿 定 律
Newton’s Law of Motion
二、牛顿第二定律
动量为 动量为 动量随时间的变化率等于作用于物体的合外力． 等于作用于物体的合外力 其动量随时间的变化率等于作用于物体的合外力．
u*
≈(
)4 ≈ 6×10−14 6000
两种估计大致相符，这恐怕不是偶然的。 两种估计大致相符，这恐怕不是偶然的。
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第二章 宇宙之旅
大学物理
§2-1 宇宙之旅
宇宙大爆炸理论
大爆炸理论基本思想大致如下： 大爆炸理论基本思想大致如下：
宇宙起源于一次“ 宇宙起源于一次“大爆 → 宇宙在膨胀 炸” （Big Bang） ） 约在距今137亿年前，爆炸从一个密度无限大的奇点开 亿年前， 一个密度无限大的奇点开 约在距今 亿年前 爆炸从一个密度无限大的奇点 始→约10-35s后，后一个特别快速的膨胀过程 称暴胀 )，当膨 约 后 后一个特别快速的膨胀过程(称 ， 胀变慢后，宇宙充满了夸克和电子等基本粒子→到 胀变慢后，宇宙充满了夸克和电子等基本粒子 到10-6s时， 时 夸克结合成中子和质子等强子，他们约在3分钟后形成原子 夸克结合成中子和质子等强子，他们约在 分钟后形成原子 分钟后形成 万年后， 左右， 核→约38万年后，宇宙以冷却到温度为 约 万年后 宇宙以冷却到温度为4000K左右，质子能 左右 俘获电子而形成中性的氢原子， 俘获电子而形成中性的氢原子，这时原来从大爆炸产生的光 亿年后， 子开始自由地运动而充满宇宙空间→50亿年后，星系形成， 子开始自由地运动而充满宇宙空间 亿年后 星系形成， 太阳系形成 形成→100亿年后，宇宙温度冷却到 亿年后， 太阳系形成 亿年后 宇宙温度冷却到2.7K，出现人类 ， 活动。 活动。§2-1 牛 顿 定 律
Newton’s Law of Motion
牛顿定律的适用范围: 牛顿定律的适用范围:
1、只适用于在惯性系内，低速运动问题 只适用于在惯性系内 低速运动问题 惯性系 • （可与光速相比， 相对论） 可与光速相比， 相对论） 只适用于宏观问题 2、只适用于宏观问题 • （分子、原子、电子等，量子力学） 分子、原子、电子等，量子力学）
2011年4月21日星期四
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§2-1 宇宙之旅
中国南极天文台摄
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§2-1 宇宙之旅
星空
亮星分布 各向同性
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§2-1 宇宙之旅
, /s 在 t = 0 时， x0 = 5.0 m v0 = 6.0 m
求质点在任意时刻的速度和位置。 质点在任意时刻的速度和位置。 速度
解:
dv F = ma = m =120t + 40 dt
v t 120t + 40 dv = dt ⇒ ∫ dv = ∫ (12.0t + 4.0)dt 6.0 0 10
3 2
v = 6.0t + 4.0t + 6.0
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第1章 牛顿力学
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§2-1 宇宙之旅
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第二章 宇宙之旅
大学物理
§2- 1
§2-1 宇宙之旅
宇宙之旅
德国哲学家康德说过： 德国哲学家康德说过： 康德说过 “ 世界上有两件东西能够深深地震撼 我们的心灵：一件是我们心中崇高的道德准则 崇高的道德准则； 我们的心灵：一件是我们心中崇高的道德准则； 灿烂的星空” 另一件是我们头顶上灿烂的星空 另一件是我们头顶上灿烂的星空”
宇 宙
下 右 宇 上 左 为 古 今 为 往 来 宙
——《新华字典》 ——《新华字典》
"四方上下曰宇,古往今来曰宙。" 四方上下曰宇,古往今来曰宙。
第二章 宇宙之旅
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§2-1 宇宙之旅
先来观测宇宙！ 越看越远将看到什么？
银河系全景图
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第二章 宇宙之旅
大学物理
§2-1 宇宙之旅
银河系示意图
• 几乎夜间所有看得见的恒星都只是太阳附近银盘 厚度范围内的星体。
第二章 宇宙之旅
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§2-1 宇宙之旅
仙女座大星云
河外星系： 河外星系： 银河系的邻近星系 与银河系很相似
v v v 的物体， 的作用下， p的物体，在合外力 F(= ∑Fi ) 的作用下，
r r r dP d(mv) F= = dt dt
质量不变时： 质量不变时：
r r r dv F = ma = m dt
物体在受到外力作用时所获得的加速度的大小与 物体在受到外力作用时所获得的加速度的大小与 加速度的大小 合外力的大小成正比 所受合外力的大小成正比， 所受合外力的大小成正比，其加速度的方向与合外力 的方向相同 相同。 的方向相同。
t* u = u*
τ
很小，观察不到。 可见 u 很小，观察不到。
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第二章 宇宙之旅
大学物理
§2-1 宇宙之旅
2、另一种解释 、 1965年，也发现宇宙微波背景辐射充满宇宙空间，相 宇宙微波背景辐射充满宇宙空间 年 也发现宇宙微波背景辐射充满宇宙空间， 当温度T ≈3K的黑体辐射 的黑体辐射。 当温度 ≈3K的黑体辐射。假如认为这种背景辐射就是来自 宇宙一切黑体贡献的总和，则由黑体辐射能量密度公式， 宇宙一切黑体贡献的总和，则由黑体辐射能量密度公式， 4 4 u= σ T c 其中σT 4为黑体的总辐射本领 求得恒星表面的u*值 求得恒星表面的 值，取 T*≈6000K (太阳表面温度) ≈6000K 太阳表面温度) 可得： 可得： u 3