新教材2021春高中物理粤教版必修第二册学案-第三章-第二节-认识万有引力定律含解析

第二节认识万有引力定律

学

习目标STSE情境导学

1.了解万有引力定律的发现历程.

2.理解万有引力定律，记住其表达式和适用条件.（重点、难点）

3.了解引力常量G.

4.会用万有引力定律求解相关问题（重点）

宇航员在其他星球

上也受到万有引力

的作用

牛顿思考月亮绕地球运行的原因时，苹果偶然落地引起了他的遐想

知识点一行星绕日运动原因的探索和万有引力定律的发现

1.雷恩和哈雷的推导.

英国天文学家雷恩（C.Wren，1632－1723）和哈雷（E.Halley，1656－1742）按照圆形轨道，对行星与太阳间的引力问题进行了如下

推导.

设行星质量为m ，绕太阳公转的周期为T .把行星沿椭圆轨道的运动简化为匀速圆周运动，行星的轨道半径为r ，太阳对行星的引力就是行星绕太阳运动的向心力，即

F 引＝m v 2r ＝m 4π2

T

2r .

根据开普勒第三定律，把r 3

T 2＝k 代入上式，得到太阳对行星的引力

F 引＝4π2

k m r 2，即F 引∝m

r

2.

上式表明，作用于行星的引力与它到太阳的距离的平方成反比. 2.牛顿的推导.

（1）根据牛顿第三定律，行星间的引力是相互的，即太阳吸引行星，行星也同时吸引太阳.根据F 引∝m

r 2可知，太阳受到行星的引力F ′

应与太阳自身的质量M 成正比，即

F 引′∝M r 2.F 引与F 引′大小相等，因此有F 引＝F 引′∝Mm r

2.

（2）研究表明，使月球绕地球运动的引力与重力是同一性质的力. 以上述证明为基础，牛顿把引力推广到所有行星，乃至所有物体之间，由此发现了万有引力定律.

知识点二 万有引力定律的表达式

1.万有引力定律的内容.

宇宙间的一切物体都是互相吸引的.两个物体间引力的方向在它们的连线上.引力的大小与它们质量的乘积成正比，与它们之间距离的二次方成反比.

2.万有引力定律的表达式：F ＝G m 1m 2

r

2.

式中m 1、m 2分别是两个物体的质量，r 为两个物体之间的距离.G 称为引力常量.

3.引力常量的测定.

一百多年后首先由英国科学家卡文迪许利用扭秤实验装置测出.经过精确实验测量，现在所采用的引力常量为G ＝6.67×10－11 N·m 2/kg 2

4.万有引力定律的适用条件.

严格来说，上述公式只适用于质点间的相互作用.当两个物体间的距离远远大于物体本身的大小时可近似使用.对于均匀球体，r 是两球心间的距离.

小试身手

1.行星之所以绕太阳运行，是因为（ ） A.行星运动时的惯性作用

B.太阳是宇宙的控制中心，所有星体都绕太阳旋转

C.太阳对行星有约束运动的引力作用

D.行星对太阳有排斥力作用，所以不会落向太阳

解析：行星绕太阳做曲线运动，轨道向太阳方向弯曲，是因为太阳对行星有引力作用，C 对；行星之所以没有落向太阳，是因为引力提供了向心力，并非是对太阳有排斥力，D 错；惯性应使行星沿直线运动，A 错；太阳不是宇宙中心，并非所有星体都绕太阳运动，B 错.

答案：C

2.（多选）下列关于万有引力的说法，正确的是（ ） A.牛顿测出了万有引力常量G

B.对于质量分布均匀的球体，公式F ＝G m 1m 2

r 2中的r 指两球心之间

的距离

C.虽然地球质量远小于太阳质量，但太阳对地球的引力大小等于

地球对太阳的引力大小

D.只有当物体的质量大到一定程度时，物体之间才有万有引力 解析：卡文迪什测出了万有引力常量G ，故A 错误；对于质量分布均匀的球体，公式F ＝G m 1m 2

r 2中的r 指两球心之间的距离，故B 正

确；两物体之间的万有引力是相互作用力，虽然地球质量远小于太阳质量，但太阳对地球的引力大小等于地球对太阳的引力大小，故C 正确；任何两物体之间都存在万有引力作用，故D 错误.

答案：BC 学习小结 1.月球绕地球运动的引力与重力是同一性质的力. 2.万有引力定律

探究一 万有引力定律的理解

1.公式的适用条件：严格地说F ＝G m 1m 2

r 2只适用于计算两个质点间

的万有引力，但对于下述几种情况，也可用该公式计算.

（1）两质量分布均匀的球体间的万有引力，可用公式计算，此时r 是两个球体球心的距离.

（2）一个质量分布均匀的球体与球外一个质点间的万有引力，可用公式计算，r 为球心到质点间的距离.

（3）两个物体间的距离远大于物体本身的大小时，公式也适用. 2.万有引力的四个特性.

普遍

性

万有引力不仅存在于天体间，任何客观存在的有质量的物体

之间都存在着这种相互吸引的力

相互

性

两个物体之间的引力是一对作用力和反作用力，它们之间的

关系遵从牛顿第三定律，即大小相等，方向相反，作用在同

一条直线上

宏观

性

通常情况下，万有引力非常小，只有在质量巨大的天体间或天体与其附近的物体间，万有引力才有实际的物理意义

特殊

性

两物体间的万有引力与它们本身的质量有关，与它们间的距

离有关，而与所在空间的性质无关，也与周围的其他物体无

关

离.质量分布均匀的球体间的相互作用力，用万有引力公式计算时，式中r是两个球体球心间的距离.

（2）不能将公式中r作纯数学处理而违背物理事实，如认为r→0时，引力F→∞，这是错误的，因为当物体间的距离r→0时，物体不可以视为质点，所以不能直接应用公式F＝G

m1m2

r2进行计算.

（3）物体间的万有引力是一对作用力和反作用力，总是大小相等、方向相反，遵循牛顿第三定律，因此谈不上质量大的物体对质量小的物体的引力大于质量小的物体对质量大的物体的引力，更谈不上相互作用的一对物体间的引力是一对平衡力.

【典例1】对于万有引力定律的表达式F＝G

m1m2

r2，下面说法中正确的是（）

A.公式中G为引力常量，它不是由实验测得的，而是人为规定的

B.当r趋于零时，万有引力趋于无穷大