第6章 4．万有引力理论的成就

1、.4万有引力理论的成就学 习 目 标知 识 脉 络老师独具1.理解万有引力定律在天文学上的重要应用2掌握计算天体的质量和密度的方法重点3掌握解决天体运动问题的根本思路重点、难点自 主 预 习·探 新 知知识梳理一、计算天体的质量1地球质量的计算1根据：地球外表的物体，假设不考虑地球自转，物体的重力等于地球对物体的万有引力，即mgG.2结论：M，只要知道g、R的值，就可计算出地球的质量2太阳质量的计算1根据：质量为m的行星绕太阳做匀速圆周运动时，行星与太阳间的万有引力充当向心力，即G.2结论：M，只要知道行星绕太阳运动的周期T和半径r，就可以计算出太阳的质量3其他行星质量的计算1根据：

2、绕行星做匀速圆周运动的卫星，同样满足GM为行星质量，m为卫星质量2结论：M，只要知道卫星绕行星运动的周期T和半径r，就可以计算出行星的质量二、发现未知天体1海王星的发现英国剑桥大学的学生亚当斯和法国年轻的天文学家勒维耶根据天王星的观测资料，利用万有引力定律计算出天王星外“新行星的轨道.1846年9月23日，德国的伽勒在勒维耶预言的位置附近发现了这颗行星海王星2其他天体的发现近100年来，人们在海王星的轨道之外又发现了冥王星、阋神星等几个较大的天体根底自测1考虑判断1地球外表的物体，重力就是物体所受的万有引力×2绕行星匀速转动的卫星，万有引力提供向心力3利用地球绕太阳转动，可求地球的质

3、量×4海王星、冥王星的发现说明了万有引力理论在太阳系内的正确性5科学家在观测双星系统时，同样可以用万有引力定律来分析6冥王星被称为“笔尖下发现的行星×2以下说法正确的选项是A海王星是人们直接应用万有引力定律计算出轨道而发现的B天王星是人们根据万有引力定律计算出轨道而发现的C海王星是人们经过长期的太空观测而发现的D天王星的运行轨道与由万有引力定律计算的轨道存在偏向，其原因是天王星受到轨道外的行星的引力作用，由此人们发现了海王星D由行星的发现历史可知，天王星并不是根据万有引力定律计算出轨道而发现的；海王星不是通过观测发现，也不是直接由万有引力定律计算出轨道而发现的，而是人们发现

4、天王星的实际轨道与理论轨道存在偏向，然后运用万有引力定律计算出“新星的轨道，从而发现了海王星由此可知，A、B、C错误，D正确3“嫦娥二号是我国月球探测第二期工程的先导星假设测得“嫦娥二号在月球可视为密度均匀的球体外表附近圆形轨道运行的周期T，引力常量为G，半径为R的球体体积公式VR3，那么可估算月球的A密度B质量C半径D自转周期A由万有引力提供向心力有Gmr，由于在月球外表轨道有rR，由球体体积公式VR3，联立解得月球的密度，应选A4地球半径为R，地球质量为m，太阳与地球中心间距为r，地球外表的重力加速度为g，地球绕太阳公转的周围为T，那么太阳的质量为 【导学号：75612079】A BC D

5、B地球外表物体重力等于万有引力mg得G；地球围绕太阳做圆周运动，万有引力提供向心力，有mr得M；联立解得：M.B正确合 作 探 究·攻 重 难计算天体的质量和密度1天体质量的计算1重力加速度法假设天体如地球的半径R及其外表的重力加速度g，根据在天体外表上物体的重力近似等于天体对物体的引力，得mgG，解得天体的质量为M，g、R是天体自身的参量，所以该方法俗称“自力更生法2环绕法借助环绕中心天体做圆周运动的行星或卫星计算中心天体的质量，俗称“借助外援法常见的情况如下：万有引力提供向心力中心天体的质量说明GmMr为行星或卫星的轨道半径，v、T为行星或卫星的线速度、角速度和周期Gmr2MGm

6、rM2天体密度的计算假设天体的半径为R，那么天体的密度，将M代入上式可得.特殊情况，当卫星环绕天体外表运动时，卫星的轨道半径r可认为等于天体半径R，那么.如图6­4­1所示，是美国的“卡西尼号探测器经过长达7年的“艰辛旅行，进入绕土星飞行的轨道，假设“卡西尼号探测器在半径为R的土星上空离土星外表高h的圆形轨道上绕土星飞行，环绕n周飞行时间为t，引力常量为G，那么以下关于土星质量M和平均密度的表达式正确的选项是图6­4­1AM，BM，CM，DM，思路点拨：根据环绕n周的时间t求周期T.由mr求M.再由VR3和求密度D对卫星有Gm2Rh，解得M，土星的体积V

7、R3，土星的密度，D正确求解天体质量和密度时的两种常见错误1根据轨道半径r和运行周期T，求得M是中心天体的质量，而不是行星或卫星的质量2混淆或乱用天体半径与轨道半径，为了正确并清楚地运用，应一开场就养成良好的习惯，比方通常情况下天体半径用R表示，轨道半径用r表示，这样就可以防止如误约分；只有卫星在天体外表做匀速圆周运动时，如近地卫星，轨道半径r才可以认为等于天体半径R.针对训练1地球和月球半径的比值为4，地球和月球外表重力加速度的比值为6，那么地球和月球密度的比值为 【导学号：75612080】ABC4D6B设月球的半径为R0，地球的半径为R，月球外表的重力加速度为g0，地球外表的重力加速度为

8、g，在地球外表，重力等于万有引力，故mgG，解得M，故密度.同理，月球的密度0，故地球和月球的密度之比6×，B正确天体运动的分析和计算1解决天体运动问题的根本思路一般行星或卫星的运动可看成匀速圆周运动，所需要的向心力都由中心天体对它的万有引力提供，所以研究天体时可建立根本关系式：Gma，式中a是向心加速度2四个重要结论工程推导式关系式结论v与r的关系Gmvr越大，v越小与r的关系Gmr2r越大，越小T与r的关系GmrT2r越大，T越大a与r的关系Gmaar越大，a越小有的天文学家倾向于把太阳系外较小的天体叫作“矮行星，而另外一些人把它们叫作“小行星，谷神星就是小行星之一现有两个这样的

9、天体，它们的质量分别为m1和m2，绕太阳运行的轨道半径分别是r1和r2，求：1它们与太阳间的万有引力之比；2它们的公转周期之比解析1设太阳质量为M，由万有引力定律得，两天体与太阳间的万有引力之比.2两天体绕太阳的运动可看成匀速圆周运动，向心力由万有引力提供，那么有Gmr，所以，天体绕太阳运动的周期T2，那么两天体绕太阳的公转周期之比.答案12针对训练2设土星绕太阳的运动为匀速圆周运动，假设测得土星到太阳的间隔 为R，土星绕太阳运动的周期为T，万有引力常量G，根据这些数据，不能求出的量有A土星线速度的大小B土星加速度的大小C土星的质量D太阳的质量C根据数据可求：土星的线速度大小v、土星的加速度a

10、R、太阳的质量M，无法求土星的质量，所以选C宇宙双星问题如图6­4­2所示，宇宙中两个靠得比较近的天体称为双星，它们绕其连线上的某固定点做匀速圆周运动双星具有以下特点：图6­4­21由于双星和该固定点总保持三点共线，所以双星做匀速圆周运动的角速度和周期分别一样2由于每颗星的向心力都是由双星间互相作用的万有引力提供的，因此大小必然相等3轨道半径与质量的关系由Fmr2和Lr1r2，可得r1L，r2L，那么.多项选择宇宙中两颗相距很近的恒星常常组成一个双星系统它们以互相间的万有引力彼此提供向心力，从而使它们绕着某一共同的圆心做匀速圆周运动，假设它们的运转周期为

11、T，两星到某一共同圆心的间隔 分别为R1和R2，那么，双星系统中两颗恒星的质量关系描绘正确的选项是A这两颗恒星的质量必定相等B这两颗恒星的质量之和为C这两颗恒星的质量之比为m1m2R2R1D必有一颗恒星的质量为BCD对于两星有共同的周期T，由牛顿第二定律得m1R1m2R2，所以两星的质量之比m1m2R2R1，C正确；由上式可得m1，m2，D正确，A错误；m1m2，B正确针对训练3多项选择2019·全国卷2019年，人类第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波根据科学家们复原的过程，在两颗中子星合并前约100 s时，它们相距400 km，绕二者连线上的某点每秒转动12圈将两颗中子星都看

12、作是质量均匀分布的球体，由这些数据、万有引力常量并利用牛顿力学知识，可以估算出这一时刻两颗中子星 【导学号：75612081】A质量之积 B质量之和 C速率之和 D各自的自转角速度BC由题意可知，合并前两中子星绕连线上某点每秒转动12圈，那么两中子星的周期相等，且均为T s，两中子星的角速度均为，两中子星构成了双星模型，假设两中子星的质量分别为m1、m2，轨道半径分别为r1、r2，速率分别为v1、v2，那么有：Gm12r1、Gm22r2，又r1r2L400 km，解得m1m2，A错误，B正确；又由v1r1、v2r2，那么v1v2r1r2L，C正确；由题中的条件不能求解两中子星自转的角速度，D错

13、误当 堂 达 标·固 双 基1关于万有引力定律应用于天文学研究的历史事实，以下说法中正确的选项是 A天王星、海王星和冥王星，都是运用万有引力定律、经过大量计算后发现的B在18世纪已经发现的7颗行星中，人们发现第七颗行星天王星的运动轨道总是同根据万有引力定律计算出来的结果有比较大的偏向，于是有人推测，在天王星轨道外还有一颗行星，是它的存在引起了上述偏向C第八颗行星，是牛顿运用自己发现的万有引力定律，经大量计算而发现的D冥王星是英国剑桥大学的学生亚当斯和勒维耶合作研究后共同发现的B由行星的发现历史可知，天王星并不是根据引力定律计算出轨道而发现的；海王星不是通过观测发现，也不是直接由万有引

14、力定律计算出轨道而发现的，而是人们发现天王星的实际轨道与理论轨道存在偏向，然后运用万有引力定律计算出“新星的轨道，从而发现了海王星冥王星是克莱德·汤博发现的由此可知，A、C、D错误，B正确22019·全国卷2019年2月，我国500 m口径射电望远镜天眼发现毫秒脉冲星“J03180253，其自转周期T5.19 ms.假设星体为质量均匀分布的球体，万有引力常量为6.67×1011 N·m2/kg2.以周期T稳定自转的星体的密度最小值约为A5×109 kg/m3B5×1012 kg/m3C5×1015 kg/m3D5×1018 kg/m3C毫秒脉冲星稳定自转时由万有引力提供其外表物体做圆周运动的向心力，根据Gm，M·R3，得，代入数据解得5×1015 kg/m3，C正确3多项选择宇宙观测发现，在宇宙中甲、乙两个星体组成的双星系统，它们同时绕其连线上的某点O做匀速圆周运动，甲、乙的质量之比为71，由此可知 【导学号：