7.3 万有引力理论的成就 课件-2025-2026学年高一下学期物理人教版必修第二册

该高中物理课件聚焦“万有引力理论的成就”，系统涵盖“称量”地球质量、计算天体质量、发现未知天体（如海王星）及预言哈雷彗星回归等核心内容。以“怎样‘称量’地球的质量？”设问导入，搭建从地面重力到天体运动的逻辑支架，衔接自然。 其亮点在于融合物理观念与科学思维，通过推导地球质量\(m_{地}=\frac{gR^2}{G}\)、太阳质量\(m_{太}=\frac{4\pi^2 r^3}{GT^2}\)等公式培养科学推理与模型建构能力，结合天王星轨道偏差到海王星发现的探究过程渗透科学探究的问题与证据意识。引用卡文迪什等科学家事例及名言强化科学态度，助力学生深化相互作用观念，教师可提升教学逻辑与学生参与度。

年 级：高 一 学 科：物理（人教版） 主讲人：吕 游 学 校： 万有引力理论的成就 同学们好，我是长沙市平高中学物理教师吕游，本节课我们共同学习人教版高中物理必修第二册，第七章第三节，万有引力理论的成就 1 ？ 怎样“称量”地球的质量？ 思考 万有引力理论的成就 在初中，我们已经知道物体的质量可以用天平来测量，生活中物体的质量常用电子秤或台秤来称量。*******对于地球，我们怎样“称量”它的质量呢？ 2 ？ 怎样“称量”地球的质量？ 思考 万有引力理论的成就 在万有引力理论之前，这是天方夜谭。但有了万有引力，我们就能称量地球的质量。一个成功的理论不仅能够解释已知的事实，更重要的是能够预言未知的现象。 3 一、“称量”地球的质量 我们应该怎样运用万有引力定律，才能“称量”地球的质量呢？ “称量”地球的质量时，我们应选择哪个物体作为研究对象？运用哪些物理规律？需要忽略的次要因素是什么？ 4 mg 不考虑地球自转的影响 地 一、“称量”地球的质量 若不考虑地球自转的影响，********地面上质量为m的物体所受的重力为mg等于地球对物体的引力，******即 5 mg 不考虑地球自转的影响 地 地 一、“称量”地球的质量 式中是地球的质量；R是地球的半径，也就是物体到地心的距离。*******由此解出 6 地 地面的重力加速度g 地球半径R 一旦测得引力常量G，就可以算出地球的质量 一、“称量”地球的质量 地面的重力加速度g和地球的半径R在卡文迪什之前就已经知道，*****一旦测得引力常量G，就可以算出地球的质量。 7 卡文迪什 （1731—1810） “称量地球的重量”（质量） 一、“称量”地球的质量 上一节课我们学过，是卡文迪什通过精巧的扭秤装置，第一次在实验室里比较准确地测出了引力常量G的值。因此，卡文迪什把他自己的实验说成是“称量地球的重量”（用现代物理学的术语，应该说是“称量”地球的质量）。 8 卡文迪什 （1731—1810） “称量地球的重量”（质量） 一、“称量”地球的质量 在实验室里测量几个铅球之间的作用力，就可以称量地球，这不能不说是一个科学奇迹。 9 马克•吐温 （1835—1910） “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！” 一、“称量”地球的质量 难怪一个外行人、著名文学家马克吐温曾满怀激情地说：“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！” 10 太阳 行星 向心力 能“称量”太阳的质量吗？ 二、计算天体的质量 我们已经利用万有引力定律成功称量了地球的质量，能用“称量”地球质量的方法“称量”太阳吗？怎样才能得到太阳的质量呢？ 11 太阳 行星 向心力 万有引力定律 牛顿第二定律 能“称量”太阳的质量吗？ 二、计算天体的质量 我们知道行星绕太阳做匀速圆周运动，向心力是由它们之间的万有引力提供的，由此可见依据万有引力定律和牛顿第二定律列出方程，从中解出太阳的质量。 12 太阳 行星 向心力 万有引力定律 牛顿第二定律 太 能“称量”太阳的质量吗？ 二、计算天体的质量 设M太是太阳的质量，m是某个行星的质量，r是行星与太阳之间的距离，行星做匀速圆周运动的向心力由它们之间的万有引力提供，列出方程 13 太 二、计算天体的质量 观察这个等式，行星运动的角速度直接测出，********但可测出它的周期T。就可以和T的关系得到 14 太 太 太 二、计算天体的质量 把代入，经过简单整理，********就可以得到得 测出行星的公转周期T和它与太阳的距离r，就可以算出太阳的质量 15 已知太阳与地球间的平均距离约为m，你能估算太阳的质量吗？换用其他行星的相关数据进行估算，结果会相近吗？为什么？ 思考与讨论 二、计算天体的质量 我们一起思考这样一个问题，已知太阳与地球间的平均距离约为m，你能估算太阳的质量吗？换用其他行星的相关数据进行估算，结果会相近吗？为什么？ 16 思考与讨论 太 = 太阳 地球 二、计算天体的质量 应用前面得到的太阳质量公式，******已知=，*******我们可以把地球公转周期近似看成365天 17 思考与讨论 太 = 太阳 地球 二、计算天体的质量 把365天转换成用秒做单位，将两个数据带入太阳质量公式，就可以得出太阳质量，请同学们课下应用计算器完成计算。 18 思考与讨论 太阳 水星 金星 地球 火星 木星 土星 换用其他行星的相关数据进行估算，结果会相近吗？ 太 二、计算天体的质量 虽然不同行星与太阳间的距离r和绕太阳公转的周期T各不相同，******但是根据开普勒第三定律，所有行星的均相同， 19 思考与讨论 太阳 水星 金星 地球 火星 木星 土星 换用其他行星的相关数据进行估算，结果会相近吗？ 太 二、计算天体的质量 所以无论选择哪颗行星的轨道半径和公转周期进行计算，所得的太阳质量均相同。 20 如果已知卫星绕行星运动的周期和卫星与行星之间的距离，也可以算出行星的质量。 计算行星质量 二、计算天体的质量 采用同样的方法，如果已知卫星绕行星运动的周期和卫星与行星之间的距离，也可以算出行星的质量。目前，观测人造地球卫星的运动，是测量地球质量的重要方法之一。 21 木 只要测得一颗卫星的轨道半径和周期 计算木星质量 二、计算天体的质量 同样的道理，要得到木星的质量，可以选择对木星的卫星进行测量，只要测得一颗卫星的轨道半径和周期，就可以计算出木星的质量。 22 月 只要测得嫦娥五号的轨道半径和周期 计算月球质量 二、计算天体的质量 月球虽然没有天然的卫星，但人类发射的航天器会环绕月球运行，2020年11月28日20时58分嫦娥五号探测器， 23 月 只要测得嫦娥五号的轨道半径和周期 计算月球质量 二、计算天体的质量 经过约112小时奔月飞行，第一次近月制动正常顺利进入环月轨道。只要测得嫦娥五号绕月运行的轨道半径和周期，就可计算月球的质量。 24 天王星的轨道有些“古怪” 根据万有引力定律计算出来的轨道与实际观测的结果总有一些偏差。 三、发现未知天体 利用万有引力定律我们不仅能计算天体的质量，还能够发现未知天体。到了18世纪，人们已经知道太阳系有7颗行星， 25 天王星的轨道有些“古怪” 根据万有引力定律计算出来的轨道与实际观测的结果总有一些偏差。 三、发现未知天体 其中1781年发现的第七颗行星——天王星的运动轨道有些“古怪”；根据万有引力定律计算出来的轨道与实际观测的结果总有一些偏差。 26 天王星的轨道有些“古怪” 根据万有引力定律计算出来的轨道与实际观测的结果总有一些偏差。 天文观测数据不准确？ 万有引力定律的准确性有问题？ 天王星轨道外面还有一颗未发现的行星？ 三、发现未知天体 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？…… 27 笔尖下发现的行星——海王星 1846年9月23日晚，德国的伽勒在勒维耶预言的位置附近发现了这颗行星，人们称其为“笔尖下发现的行星”。后来这颗行星被命名为海王星。 三、发现未知天体 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相信未知行星的存在。他们根据天王星的观测资料，各自独立地利用万有引力定律计算出这颗“新”行星的轨道。 28 笔尖下发现的行星——海王星 1846年9月23日晚，德国的伽勒在勒维耶预言的位置附近发现了这颗行星，人们称其为“笔尖下发现的行星”。后来这颗行星被命名为海王星。 三、发现未知天体 1846年9月23日晚，德国的伽勒在勒维耶预言的位置附近发现了这颗行星，人们称其为“笔尖下发现的行星”。 29 笔尖下发现的行星——海王星 1846年9月23日晚，德国的伽勒在勒维耶预言的位置附近发现了这颗行星，人们称其为“笔尖下发现的行星”。后来这颗行星被命名为海王星。 三、发现未知天体 后来这颗行星被命名为海王星。海王星的发现过程充分显示了理论对于实践的巨大指导作用，所用的“计算、预测和观察”的方法指导人们寻找新的天体。 30 海王星 阋神星 三、发现未知天体 海王星的轨道之外残存着太阳系形成初期遗留的物质，近100年来，人们在这里发现了冥王星、阋神星等几个较大的天体。 31 海王星 阋神星 三、发现未知天体 但是因为距离遥远，太阳的光芒到达那里已经十分微弱了，在地球附近很难看出究竟。尽管如此，黑暗寒冷的太阳系边缘依然牵动着人们的心，探索工作从来没有停止过。 32 英国天文学家哈雷发现1531年、1607年和1682年出现的这三颗彗星轨道看起来如出一辙。 哈雷彗星 四、预言哈雷彗星回归 利用万有引力不仅可以发现新天体，还可以预言哈雷彗星的回归。在牛顿之前，彗星被看作是一种神秘的现象。 33 英国天文学家哈雷发现1531年、1607年和1682年出现的这三颗彗星轨道看起来如出一辙。 哈雷彗星 四、预言哈雷彗星回归 英国天文学家哈雷从1337年到1698年的彗星记录中挑选了24颗彗星，依据万有引力定律，用一年的时间计算了它们的轨道。发现1531年、1607年和1682年出现的这三颗彗星轨道看起来如出一辙 34 哈雷彗星 他大胆预言，这三次出现的彗星是同一颗星，周期约为76年，并预言它将于1758年底或1759年初再次回归。 四、预言哈雷彗星回归 他大胆预言，这三次出现的彗星是同一颗星，周期约为76年，并预言它将于1758年底或1759年初再次回归。1759年3月这颗彗星如期通过了近日点，它最近一次回归是1986年，它的下次回归将在2061年左右。 35 “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，这门科学成了巨大的精神王国……” 劳厄 （1879—1960） 四、预言哈雷彗星回归 海王星的发现和哈雷彗星的“按时回归”确立了万有引力定律的地位，也成为科学史上的美谈。 36 “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，这门科学成了巨大的精神王国……” 劳厄 （1879—1960） 四、预言哈雷彗星回归 诺贝尔奖获得者物理学家劳厄说：“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，这门科学成了巨大的精神王国……” 37 潮汐现象 地球形状 重力探矿 万有引力理论的成就 不仅如此，牛顿还用地球和太阳的万有引力解释了潮汐现象，用万有引力定律和其他力学定律，推测地球呈赤道处略为隆起的扁平形状。 38 潮汐现象 地球形状 重力探矿 万有引力理论的成就 万有引力定律可以用于分析地球表面重力加速度微小差异的原因，以及指导重力探矿。除了上述成就外，万有引力定律的另一重要应用将在下节讲述。 39 一、“称量” 地球的质量 二、计算天体的质量 三、发现未知天体 四、预言哈雷彗星的回归 课堂小结 万有引力理论的成就 下面我们对本节课的内容进行一下小结，本节课我们主要学习了万有引力定律的成就，首先介绍的是卡文迪什如何巧妙运用扭秤装置称量出地球的质量。 40 一、“称量” 地球的质量 二、计算天体的质量 三、发现未知天体 四、预言哈雷彗星的回归 课堂小结 万有引力理论的成就 而后我们探讨了应用万有引力定律如何计算天体的质量，如何发现未知天体，和预言了哈雷彗星的回归。此外，万有引力定律还有很多其他方面的具体应用。 41 不当之处，敬请批评指正 谢 谢 万有引力理论的成就 本节课我们就共同学习到这里，不当之处，敬请批评指正，谢谢！ 42 $