一名优秀的教师在每次教学前有自己的事先计划，作为教师准备好教案是必不可少的一步。教案可以让学生能够在教学期间跟着互动起来，帮助教师更好的完成实现教学目标。那么怎么才能写出优秀的教案呢？以下是小编为大家收集的“万有引常量的测量”欢迎您参考，希望对您有所助益！

教学目的：

1、知道测量的原理，了解测量装置的空间特点；2、知道引力常量的大小及其普适性；3、对学生进行科学方法教育和物理思想（等效思想）的渗透；4、了解引力常量的意义。教学重点：

测量原理教学难点：

了解测量装置的空间特点教法：

启发式综合教学法教具：

投影仪、投影片教学过程：

一、引入：历史回顾：1686年牛顿发现万有引力时，知道了两物体之间相互吸引，其大小与两物体的质量之积成正比，与两物体间的距离的二次方成反比，成功地将人间天上的力统一起来了，极大地提高了人类的自信心。但由于当时实验条件和技术的限制，很难精确地测定上述比例式中的比例系数。显然，如不能宣地算出两物体间的万有引力的大小，万有引力定律就没有什么实际意义。直到1789年，英国物理学家卡文迪许巧妙地利用了扭秤装置，第一次在实验室中对两个物体间的引力大小作了精确的测量和计算，我们今天就来介绍卡文迪许的扭秤实验，学习他是如何测出非常小的万有引力的。二、授新：1、实验装置示意图（投影课本图6-2）2、实验中的科学方法及其物理思想两次放大及等效思想

实验时，把两个质量为m的大球放在图中所示的位置，它们与小球的距离均为r。如果m受到m的吸引力气，此力就会产生力矩。T形架受到力矩作用而转动一个角度，石英丝发生扭转而产生一个相反的力矩。当两个引力F对T形架的扭转力矩F×L与石英丝对T形架的扭转力矩相等时，T形架处于平衡状态。此时石英丝扭转的角度可根据小镜M上的反射光在弧线上移动的距离s老太婆求出，从而即可求出m与m的万有引力，从而据万有引力定律的变形公式求得引力常量的大小。实验中卡文迪许发现石英丝果真发生了扭转，从而证明万有引力的存在。通过多次改变两球的质量，并进行了两次“放大”，其作用是：（1）尽可能地增大了T形架连接两球的长度L，使m和m之间的万有引力能产生较大的力矩，使得石英丝有较大的偏转角度。（2）尽可能地增大弧形尺与小镜间距离R，使小镜M上的反射光在弧线上移动的距离s较大。三、巩固练习：1、“固体这所以有固定的形状，是由于物质颗粒间的万有引力使其结合在一起”，这种说法对吗？2、举例说出我们学过哪些比例常数？四、小节：板书设计：1、数值：G＝6.67×10-11N·m2/kg2

2、原理：

3、意义：

a、证明了万有引力的存在

b、“开创了测量弱力的新时代

c、使得万有引力定律有了真正的实用价值

教学效果分析：

附阅读材料：

第一个现代物理实验室

19世纪末叶，物理学进入了一个新发展时期，推动物理学发展的物理实验，同时从经典物理学发展时期以个人为主辅以简单仪器进行研究的形式，发展到近代物理学研究中集体分工合作并配备高级精密仪器的形式。这种发展，导致现代物理实验室的出现。

最早的现代物理实验室是英国的卡文迪许实验室。不少人以为这个实验室是著名的英国科学家、引力常数的测定者、确定水的组成并发现氢气的亨利·卡文迪许建造的，其实不是这么回事。当卡文迪许实验室建成时，亨利·卡文迪许离开人间已有半个多世纪了。卡文迪许实验室是在英国公爵德冯夏尔·卡文迪尔的资助下建成的。这位同姓的公爵是亨利·卡文迪许的亲戚。

卡文迪许实验室于1872年破土动工，两年后就在剑桥自由学校巷里建成。说也奇怪，这个物理实验室竟是在一位著名的理论物理学家——麦克斯韦的领导下筹建的，他还是它的第一任主任。为了给实验室增添仪器，麦克斯韦拿出了自己不多的积蓄。

卡文迪许实验室它不仅出成果，而且出人才。许多有成就的物理学家都曾在这里受到过现代物理学的熏陶。领导卡文迪许实验室的都是成就辉煌、赫赫有名的现代物理学大师。继麦克斯韦之后，任卡文迪许实验室主任的有：现代声学和光学的奠基人瑞利，电子的发展者J·J·汤姆逊(他在28岁时就当上了主任)，现代原子核物理学之父卢瑟福，以科学研究组织工作见长的W·L·布拉格，现代固体物理的先驱莫特。除麦克斯韦之外，都是诺贝尔奖金获得者。

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万有引力理论的成就

【教学设计】

6.4万有引力理论的成就
一、教材分析
本节教学要求学生体会万有引力定律经受实践的检验，取得了很大的成功；理解万有引力理论的巨大作用和价值。通过本节的学习，使学生深刻体会科学定律对人类探索未知世界的作用，激起学生对科学探究的兴趣，培养热爱科学的情感。
二、教学目标
（一）知识与技能
1、了解万有引力定律在天文学上的重要应用。
2、会用万有引力定律计算天体质量。
3、理解并运用万有引力定律处理天体问题的思路和方法。
（二）过程与方法
1、通过万有引力定律推导出计算天体质量的公式。
2、了解天体中的知识。
（三）情感、态度与价值观
体会万有引力定律在人类认识自然界奥秘中的巨大作用，让学生懂得理论来源于实践，反过来又可以指导实践的辩证唯物主义观点
三、教学重点、难点
1、行星绕太阳的运动的向心力是由万有引力提供的。
2、会用已知条件求中心天体的质量。
3、根据已有条件求中心天体的质量。
四、学情分析
万有引力定律的发现有着重要的物理意义：它对物理学、天文学的发展具有深远的影响；它把地面上物体运动的规律和天体运动的规律统一起来；对科学文化发展起到了积极的推动作用，解放了人们的思想，给人们探索自然的奥秘建立了极大信心，人们有能力理解天地间的各种事物。这节课我们就共同来学习万有引力定律在天文学上的应用。
五、教学方法
讨论、谈话、练习、多媒体课件辅助
六、课前准备
1．学生的学习准备：预习万有引力理论的成就
2．教师的教学准备：多媒体课件制作，课前预习学案。
七、课时安排：1课时
八、教学过程
一、“科学真实迷人”
教师活动：引导学生阅读教材“科学真实迷人”部分的内容，思考问题
1、推导出地球质量的表达式，说明卡文迪许为什么能把自己的实验说成是“称量地球的重量”？
【例题1】设地面附近的重力加速度g=9.8m/s2，地球半径R=6.4×106m，引力常量G=6.67×10-11Nm2/kg2，试估算地球的质量。
kg
二、计算天体的质量
教师活动：引导学生阅读教材“天体质量的计算”部分的内容，同时考虑下列问题1、应用万有引力定律求解天体质量的基本思路是什么?
2、求解天体质量的方程依据是什么?
学生活动：学生阅读课文第一部分，从课文中找出相应的答案.
1、应用万有引力定律求解天体质量的基本思路是：根据环绕天体的运动情况，求出其向心加速度，然后根据万有引力充当向心力，进而列方程求解.
2、从前面的学习知道，天体之间存在着相互作用的万有引力，而行星（或卫星）都在绕恒星（或行星）做近似圆周的运动，而物体做圆周运动时合力充当向心力，故对于天体所做的圆周运动的动力学方程只能是万有引力充当向心力，这也是求解中心天体质量时列方程的根源所在.
教师活动：请同学们结合课文知识以及前面所学匀速圆周运动的知识，加以讨论、综合，然后思考下列问题。学生代表发言。
1.天体实际做何运动?而我们通常可认为做什么运动?
2.描述匀速圆周运动的物理量有哪些?
3.根据环绕天体的运动情况求解其向心加速度有几种求法?
4.应用天体运动的动力学方程——万有引力充当向心力求出的天体质量有几种表达式?各是什么?各有什么特点?
5.应用此方法能否求出环绕天体的质量?
学生活动：分组讨论，得出答案。学生代表发言。
1.天体实际运动是沿椭圆轨道运动的，而我们通常情况下可以把它的运动近似处理为圆形轨道，即认为天体在做匀速圆周运动.
2.在研究匀速圆周运动时，为了描述其运动特征，我们引进了线速度v，角速度ω，周期T三个物理量.
3.根据环绕天体的运动状况，求解向心加速度有三种求法.即：
（1）a心=（2）a心=ω2r（3）a心=4π2r/T2
4.应用天体运动的动力学方程——万有引力充当向心力，结合圆周运动向心加速度的三种表述方式可得三种形式的方程，即
（1）F引=G=F心=ma心=m.即：G①
（2）F引=G=F心=ma心=mω2r即：G=mω2r②
（3）F引=G=F心=ma心=m即：G=m③
从上述动力学方程的三种表述中，可得到相应的天体质量的三种表达形式：
（1）M=v2r/G.（2）M=ω2r3/G.（3）M=4π2r3/GT2.
上述三种表达式分别对应在已知环绕天体的线速度v，角速度ω，周期T时求解中心天体质量的方法.以上各式中M表示中心天体质量，m表示环绕天体质量，r表示两天体间距离，G表示引力常量.
从上面的学习可知，在应用万有引力定律求解天体质量时，只能求解中心天体的质量，而不能求解环绕天体的质量。而在求解中心天体质量的三种表达式中，最常用的是已知周期求质量的方程。因为环绕天体运动的周期比较容易测量。
【例题2】把地球绕太阳公转看做是匀速圆周运动，平均半径为1.5×1011m，已知引力常量为：G=6.67×10-11Nm2/kg2，则可估算出太阳的质量大约是多少千克?（结果取一位有效数字）
分析：题干给出了轨道的半径，虽然没有给出地球运转的周期，但日常生活常识告诉我们：地球绕太阳一周为365天。
故：T=365×24×3600s=3.15×107s
由万有引力充当向心力可得：
G=m故：M=
代入数据解得M=kg=2×1030kg
教师活动：求解过程，点评。
三、发现未知天体
教师活动：请同学们阅读课文“发现未知天体”部分的内容，考虑以下问题
1、应用万有引力定律除可估算天体质量外，还可以在天文学上有何应用？
2、应用万有引力定律发现了哪些行星？
学生活动：阅读课文，从课文中找出相应的答案：
1、应用万有引力定律还可以用来发现未知的天体。
2、海王星、冥王星就是应用万有引力定律发现的。
教师活动：引导学生深入探究
人们是怎样应用万有引力定律来发现未知天体的?发表你的看法。
学生活动：讨论并发表见解。
人们在长期的观察中发现天王星的实际运动轨道与应用万有引力定律计算出的轨道总存在一定的偏差，所以怀疑在天王星周围还可能存在有行星，然后应用万有引力定律，结合对天王星的观测资料，便计算出了另一颗行星的轨道，进而在计算的位置观察新的行星。
教师点评：万有引力定律的发现，为天文学的发展起到了积极的作用，用它可以来计算天体的质量，同时还可以来发现未知天体.
【例题3】
【例题4】
【例题5】
四、当堂检测

九、板书设计
6.4万有引力理论的成就
一、科学真是迷人----【例题1】
二、计算天体的质量----【例题2】
三、发现未知天体

十、教学反思
本节要向学生澄清的一个问题是：天王星是太阳向外的第七颗行星，亮度是肉眼可见的，但由于较为黯淡而不易被观测者发现。威廉赫歇耳爵士在1781年3月13日宣布他的发现，这也是第一颗使用望远镜发现的行星。由于天王星的运动有某些不规则性，使得人们怀疑，在天王星之外还有一颗未知行星，英国的亚斯和法国的勒维列计算了这颗新星即将出现的时间和地点，德国科学家伽勒观测到了它，从而导致了海王星的发现。
十一、学案设计(见下页)

万有引力与航天

第4讲万有引力与航天
图4－4－4
三颗人造地球卫星A、B、C在同一平面内沿不同的轨道绕地球做匀速圆周运动，且绕行方向相同，已知RA＜RB＜RC.若在某一时刻，它们正好运行到同一条直线上，如图4－4－4所示．那么再经过卫星A的四分之一周期时，卫星A、B、C的位置可能是()
答案：C
2．(2009全国Ⅰ，19)天文学家新发现了太阳系外的一颗行星．这颗行星的体积是地球的4.7倍，质量是地球的25倍．已知某一近地卫星绕地球运动的周期约为1.4小时，引力常量G＝6.67×10－11Nm2/kg2，由此估算该行星的平均密度约为()
A．1.8×103kg/m3B．5.6×103kg/m3C．1.1×104kg/m3D．2.9×104kg/m3
解析：近地卫星绕地球做圆周运动时，所受万有引力充当其做圆周运动的向心力，即：GMmR2＝m2πT2R，由密度、质量和体积关系M＝ρ43πR3解两式得：ρ＝3πGT2≈5.60×103kg/m3.由已知条件可知该行星密度是地球密度的25/4.7倍，即ρ＝5.60×103×254.7kg/m3＝2.9×104kg/m3.
答案：D
3．质量相等的甲、乙两颗卫星分别贴近某星球表面和地球表面围绕其做匀速圆周运动，已知该星球和地球的密度相同，半径分别为R和r，则()
A．甲、乙两颗卫星的加速度之比等于R∶r
B．甲、乙两颗卫星所受的向心力之比等于1∶1
C．甲、乙两颗卫星的线速度之比等于1∶1
D．甲、乙两颗卫星的周期之比等于R∶r
解析：由F＝GMmR2和M＝ρ43πR3可得万有引力F＝43GπRmρ，又由牛顿第二定律F＝ma可得，A正确．卫星绕星球表面做匀速圆周运动时，万有引力等于向心力，因此B错误．由F＝43GπRmρ，F＝mv2R可得，选项C错误．由F＝43GπRmρ，F＝mR4π2T2可知，周期之比为1∶1，故D错误．
答案：A
4.
图4－4－5
为纪念伽利略将望远镜用于天文观测400周年，2009年被定为以“探索我的宇宙”为主题的国际天文年．我国发射的“嫦娥一号”卫星经过一年多的绕月运行，完成了既定任务，于2009年3月1日16时13分成功撞月．如图4－4－5为“嫦娥一号”卫星撞月的模拟图，卫星在控制点①开始进入撞月轨道．假设卫星绕月球做圆周运动的轨道半径为R，周期为T，引力常量为G.根据题中信息，以下说法正确的是()
A．可以求出月球表面的重力加速度
B．可以求出月球对“嫦娥一号”卫星的引力
C．“嫦娥一号”卫星在控制点①处应减速
D．“嫦娥一号”在地面的发射速度大于11.2km/s
解析：根据Gm1m2R2＝m24π2T2R，已知卫星的T、R和引力常量G，可以求月球的质量m1；因为不知道“嫦娥一号”卫星的质量，故无法知道月球对“嫦娥一号”卫星的引力，B项错误；在控制点①，卫星要做向心运动，故需要减速，C项正确；11.2km/s是第二宇宙速度，是卫星脱离地球引力的束缚成为太阳的人造行星的最小发射速度，而“嫦娥一号”卫星并不能脱离地球引力的范围，故其发射速度小于11.2km/s，D项错误．
答案：C
5.
图4－4－6
神奇的黑洞是近代引力理论所预言的一种特殊天体，探寻黑洞的方案之一是观测双星系统的运动规律．天文学家观测河外星系麦哲伦云时，发现了LMCX3双星系统，它由可见星A和不可见的暗星B构成．两星视为质点，不考虑其他天体的影响，A、B围绕两者的连线上的O点做匀速圆周运动，它们之间的距离保持不变，如图4－4－6所示．引力常量为G，由观测能够得到可见星A的速率v和运行周期T.
(1)可见星A所受暗星B的引力FA可等效为位于O点处质量为m′的星体(视为质点)对它的引力，设A和B的质量分别为m1、m2，试求m′(用m1、m2表示)；
(2)求暗星B的质量m2与可见星A的速率v、运行周期T和质量m1之间的关系式．
解析：(1)由Gm1m2(r1＋r2)2＝m1ω2r1＝m2ω2r2，可得r1/r2＝m2/m1，
又由Gm1m2(r1＋r2)2＝Gm1m′r21，可解得：m′＝m32(m1＋m2)2.
(2)由v＝2πr1T，得r1＝vT2π，再由Gm1m2(r1＋r2)2＝m1v2r1可得：Gm32(m1＋m2)2＝v3T2π.
答案：(1)m′＝m32(m1＋m2)2(2)Gm32(m1＋m2)2＝v3T2π
1．可以发射一颗这样的人造地球卫星，使其圆轨道()
A．与地球表面上某一纬度线(非赤道)是共面同心圆
B．与地球表面上某一经度线所决定的圆是共面同心圆
C．与地球表面上的赤道线是共面同心圆，且卫星相对地球表面是静止的
D．与地球表面上的赤道线是共面同心圆，但卫星相对地球表面是运动的

解析：人造卫星绕地球做圆周运动所需的向心力是万有引力提供的，人造卫星受地球的引力一定指向地心，所以任何人造卫星的稳定轨道平面都是通过地心的．A选项所述的卫星不能满足这个条件，A错．B选项所述的卫星虽然满足这个条件，但是由于地球在自转，经线所决定的平面也在转动，这样的卫星又不可能有与地球自转同方向的速度，所以不可能始终在某一经线所决定的平面内，如图所示，故B项也错．无论高低如何，轨道平面与地球赤道平面重合的卫星都是存在的，C选项所述卫星就是地球同步卫星，而D项所述卫星不是同步卫星，故C、D项都对．
答案：CD
2．据报道，2009年4月29日，美国亚利桑那州一天文观测机构发现一颗与太阳系其他行星逆向运行的小行星，代号为2009HC82.该小行星绕太阳一周的时间为T年，直径2～3千米，而地球与太阳之间的距离为R0.如果该行星与地球一样，绕太阳运动可近似看做匀速圆周运动，则小行星绕太阳运动的半径约为()
A．R03T2B．R031TC．R031T2D．R03T
解析：小行星和地球绕太阳做圆周运动，都是由万有引力提供向心力，有Gm1m2R2＝m22πT2R，可知小行星绕太阳运行轨道半径为R＝R03T212＝R03T2，A正确．
答案：A
3.
图4－4－7
2008年9月27日16时40分，我国航天员翟志刚打开“神舟”七号载人飞船轨道舱舱门，首度实施空间出舱活动，在茫茫太空第一次留下中国人的足迹(如图4－4－7所示)．翟志刚出舱时，“神舟”七号的运行轨道可认为是圆周轨道．下列关于翟志刚出舱活动的说法正确的是()
A．假如翟志刚握着哑铃，肯定比举着五星红旗费力
B．假如翟志刚自由离开“神舟”七号，他将在同一轨道上运行
C．假如没有安全绳束缚且翟志刚使劲向前推“神舟”七号，他将可能沿竖直线自由落向地球
D．假如“神舟”七号上有着和轮船一样的甲板，翟志刚在上面行走的步幅将比在地面上大
解析：“神舟”七号上的一切物体都处于完全失重状态，受到的万有引力提供向心力，A错B对；假如没有安全绳束缚且翟志刚使劲向前推“神舟”七号，将使他对地的速度减小，翟志刚将在较低轨道运动，C错误；由于“神舟”七号上的一切物体都处于完全失重状态，就算“神舟”七号上有着和轮船一样的甲板，翟志刚也几乎不能行走，D错误．
答案：B
4.
图4－4－8
在美国东部时间2009年2月10日上午11时55分(北京时间11日0时55分)，美国一颗质量约为560kg的商用通信卫星“铱33”与俄罗斯一颗已经报废的质量约为900kg军用通信卫星“宇宙2251”相撞，碰撞发生的地点在俄罗斯西伯利亚上空，同时位于国际空间站轨道上方434千米的轨道上，如图4－4－8所示．如果将卫星和空间站的轨道都近似看做圆形，则在相撞前一瞬间下列说法正确的是()
A．“铱33”卫星比“宇宙2251”卫星的周期大
B．“铱33”卫星比国际空间站的运行速度大
C．“铱33”卫星的运行速度大于第一宇宙速度
D．“宇宙2251”卫星比国际空间站的角速度小
解析：由题意知两卫星的轨道半径相等且大于空间站的轨道半径，故A项错．又v＝GMr，所以“铱33”卫星的运行速度小于空间站的运行速度，第一宇宙速度为地球表面卫星的最大运行速度，故B、C均错．由ω＝GMr3可知，半径越小，ω越大，故D正确．
答案：D
5．(20xx杭州七校联考)一宇宙飞船绕地心做半径为r的匀速圆周运动，飞船舱内有一质量为m的人站在可称体重的台秤上．用R表示地球的半径，g表示地球表面处的重力加速度，g′表示宇宙飞船所在处的地球引力加速度，FN表示人对秤的压力，下列说法中正确的是()
A．g′＝0B．g′＝R2r2gC．FN＝0D．FN＝mRrg
解析：做匀速圆周运动的飞船及其上的人均处于完全失重状态，台秤无法测出其重力，故FN＝0，C正确，D错误；对地球表面的物体，GMmR2＝mg，宇宙飞船所在处，GMmr2＝mg′，可得：g′＝R2r2g，A错误，B正确．
答案：BC
6．“探路者”号宇宙飞船在宇宙深处飞行过程中，发现A、B两颗均匀球形天体，两天体各有一颗靠近其表面飞行的卫星，测得两颗卫星的周期相等，以下判断正确的是()
A．天体A、B的质量一定不相等
B．两颗卫星的线速度一定相等
C．天体A、B表面的重力加速度之比等于它们的半径之比
D．天体A、B的密度一定相等
解析：假设某行星有卫星绕其表面旋转，万有引力提供向心力，可得GMmR2＝m4π2T2R，那么该行星的平均密度为ρ＝MV＝M43πR3＝3πGT2卫星的环绕速度v＝GMR，表面的重力加速度g＝GMR2＝G4ρπR3，所以正确答案是CD.
答案：CD
7．2008年9月25日21时10分，载着翟志刚、刘伯明、景海鹏三位宇航员的“神舟七号”飞船在中国酒泉卫星发射中心发射成功.9月27日翟志刚成功实施了太空行走．如果“神舟七号”飞船在离地球表面h高处的轨道上做周期为T的匀速圆周运动，已知地球的半径R，万有引力常量为G.在该轨道上，“神舟七号”航天飞船()
A．运行的线速度大小为2πhT
B．运行的线速度小于第一宇宙速度
C．运行时的向心加速度大小为4π2(R＋h)T2
D．地球表面的重力加速度大小可表示为4π2(R＋h)3T2R2
解析：本题考查天体运动和万有引力定律的应用．由于飞船的轨道半径为R＋h，故A项错误；第一宇宙速度是环绕的最大速度，所以飞船运行的速度小于第一宇宙速度，B项正确；运行的向心加速度为a＝4π2(R＋h)T2，C项正确；在地球表面mg＝GMmR2，对飞船GMm(R＋h)2＝m4π2T2(R＋h)，所以地球表面的重力加速度g＝4π2(R＋h)3T2R2，D项正确．
答案：BCD
8.
图4－4－9
2008年9月我国成功发射“神舟七号”载人航天飞船．如图4－4－9为“神舟七号”绕地球飞行时的电视直播画面，图中数据显示，飞船距地面的高度约为地球半径的120.已知地球半径为R，地面附近的重力加速度为g，大西洋星距地面的高度约为地球半径的6倍．设飞船、大西洋星绕地球均做匀速圆周运动．则()
A．“神舟七号”飞船在轨运行的加速度为0.91g
B．“神舟七号”飞船在轨运行的速度为gR
C．大西洋星在轨运行的角速度为g343R
D．大西洋星在轨运行的周期为2π343Rg
解析：“神舟七号”飞船在轨运行时，由牛顿第二定律得GMm1(R＋h)2＝m1a＝m1v2(R＋h)，h＝R20，由物体在地球表面受到的万有引力近似等于物体重力得：GM＝gR2，所以有a＝400441g＝0.91g，v＝20gR21，故A正确．大西洋星绕地球做匀速圆周运动时，由牛顿第二定律得GMm2(R＋h′)2＝m2(R＋h′)ω2＝m2(R＋h′)4π2T2，且h′＝6R，所以有ω＝g343R，T＝2π343Rg，故CD正确．
答案：ACD
9．(2009福建，14)“嫦娥一号”月球探测器在环绕月球运行过程中，设探测器运行的轨道半径为r，运行速率为v，当探测器在飞越月球上一些环形山中的质量密集区上空时()
A．r、v都将略为减小B．r、v都将保持不变
C．r将略为减小，v将略为增大D．r将略为增大，v将略为减小
解析：当探测器飞越月球上一些环形山中的质量密集区的上空时，相当于探测器和月球重心间的距离变小了，由万有引力定律F＝Gm1m2r2可知，探测器所受月球的引力将增大，这时的引力略大于探测器以原来轨道半径运行所需要的向心力，探测器将做靠近圆心的运动，使轨道半径略为减小，而且月球的引力对探测器做正功，使探测器的速度略微增加，故A、B、D选项错误，C选项正确．
答案：C
10.
图4－4－10
如图4－4－10是“嫦娥一号”奔月示意图，卫星发射后通过自带的小型火箭多次变轨，进入地月转移轨道，最终被月球引力捕获，成为绕月卫星，并开展对月球的探测．下列说法正确的是()
A．发射“嫦娥一号”的速度必须达到第三宇宙速度
B．在绕月圆轨道上，卫星周期与卫星质量有关
C．卫星受月球的引力与它到月球中心距离的平方成反比
D．在绕月圆轨道上，卫星受地球的引力大于受月球的引力
解析：本题考查了与万有引力定律相联的多个知识点，如万有引力公式、宇宙速度、卫星的周期等，设问角度新颖．第三宇宙速度是卫星脱离太阳系的最小发射速度，所以“嫦娥一号”卫星的发射速度一定小于第三宇宙速度，A项错误；设卫星轨道半径为r，由万有引力定律知卫星受到的引力F＝GMmr2，C项正确．设卫星的周期为T，由GMmr2＝m4π2T2r得T2＝4π2GMr3，所以卫星的周期与月球质量有关，与卫星质量无关，B项错误．卫星在绕月轨道上运行时，由于离地球很远，受到地球引力很小，卫星做圆周运动的向心力主要是月球引力提供，D错误．
答案：C
11．宇航员在地球表面以一定初速度竖直上抛一小球，经过时间t小球落回原处；若他在某星球表面以相同的初速度竖直上抛同一小球，需经过时间5t小球落回原地．(取地球表面重力加速度g＝10m/s2，阻力不计)
(1)求该星球表面附近的重力加速度g′；
(2)已知该星球的半径与地球半径之比为R星∶R地＝1∶4，求该星球的质量与地球质量之比M星∶M地．
解析：(1)设竖直上抛初速度为v0，则v0＝gt/2＝g′5t/2，故g′＝15g＝2m/s2.
(2)设小球质量为m，则mg＝GMmR2M＝gR2G，故M星M地＝g′R2星gR2地＝15×116＝180.
答案：(1)2m/s2(2)180
12.
图4－4－11
欧盟和我国合作的“伽利略”全球卫星定位系统的空间部分由平均分布在三个轨道平面上的30颗轨道卫星构成，每个轨道平面上有10颗卫星，从而实现高精度的导航定位．现假设“伽利略”系统中每颗卫星均围绕地心O做匀速圆周运动，轨道半径为r，一个轨道平面上某时刻10颗卫星所在位置如图4－4－11所示，相邻卫星之间的距离相等，卫星1和卫星3分别位于轨道上A、B两位置，卫星按顺时针运行．地球表面重力加速度为g，地球的半径为R，不计卫星间的相互作用力．求卫星1由A位置运行到B位置所需要的时间．
解析：设地球质量为M，卫星质量为m，每颗卫星的运行周期为T，万有引力常量为G，由万有引力定律和牛顿定律有GmMr2＝mr2πT2①
地球表面重力加速度为g＝GMR2②
联立①②式可得T＝2πRr3g③
卫星1由A位置运行到B位置所需要的时间为t＝210T④
联立③④式可得t＝2π5Rr3g.
答案：2π5Rr3g

高一物理万有引力定律及引力常量的测定

第1节万有引力定律及引力常量的测定
从容说课
本节课的主要内容是行星运动的规律、万有引力定律及引力常量的测定.主要渗透历代物理、天文学家们研究问题的方法和敢于大胆猜测并坚持真理的科学思想.本节主要注重方法和情感教育.
本节“万有引力定律及引力常量的测定”涉及的课程资源有：
（1）天体的运动，介绍了关于天体研究的历程.①轨道定律：所有行星分别在大小不同的椭圆轨道上围绕太阳运动，太阳是在这些椭圆的一个焦点上.②面积定律：对每个行星来说，太阳和行星的连线在相同时间内扫过相等的面积.由面积定律知道，行星通过近日点的速率大于通过远日点的速率.在高中阶段，我们往往将行星的运动看成轨迹为圆的圆周运动，如果这样，也就无所谓近日点与远日点了，因此，行星运动的过程中速率总相等，行星的运动就是匀速圆周运动.③所有行星的椭圆轨道的半长轴的三次方跟公转周期的平方的比值都相等，如果将行星的运动看成匀速圆周运动，那么开普勒第三定律就可以表述为：所有行星的轨道半径的三次方跟公转周期的平方的比值都相等，即，k是一个与行星无关，只与太阳有关的恒量.
（2）万有引力定律的发现过程，介绍了科学家们为牛顿最后提出万有引力定律所作的贡献.①内容：任何两个物体都是相互吸引的，引力的大小跟两个物体的质量的乘积成正比，跟它们的距离的平方成反比.②万有引力定律揭示了万有引力存在的普遍性——存在于“任何”两个物体，并且物体是相互吸引的.③应用范围：r是指两质点m1、m2之间的距离；若m1为均匀球体，m2为质点，则r是指质点m2到均匀球体球心间距离；若m1、m2均是均匀球体，则r是指两均匀球体球心间的距离.开普勒关于行星运动的确切描述不仅使人们在解决行星的运动学问题上有了依据，更澄清了人们多年来对天体运动神秘、模糊的认识，同时也推动了对天体动力学问题的研究.牛顿在前人研究的基础上，凭借他超凡的数学能力证明了：如果太阳和行星间的引力与距离的二次方成反比，则行星的轨迹是椭圆，并且阐述了普遍意义下的万有引力定律.④为了验证地面上的重力与地球吸引月球、太阳吸引行星的力是同一性质的力，遵守同样的规律，牛顿还做了著名的“月—地”检验.
（3）1789年，即在牛顿发现万有引力定律一百多年以后，英国物理学家卡文迪许?（1731~1810）巧妙地利用扭秤装置，第一次在实验室里比较准确地测出了引力常量.
教学重点1.万有引力定律；
2.引力常量的测定方法.
教学难点引力常量的测定方法.
教具准备多媒体设备及卡文迪许实验装置.
课时安排1课时
三维目标
一、知识与技能
1.掌握开普勒三定律的内容并能解释一些现象；
2.掌握万有引力定律的内容、公式及适用条件；
3.掌握引力常量的测定方法及其意义.
二、过程与方法
充分展现万有引力定律发现的科学过程，培养学生的科学思维能力.
三、情感态度与价值观
培养学生尊重知识、尊重历史、尊重科学的精神；培养学生不畏艰难险阻永攀科学高峰的精神.
教学过程
导入新课
多媒体课件展示：
“嫦娥奔月”到“阿波罗”飞船登月.为什么飞船能够登上月球；为什么飞船能绕地球旋转？
推进新课
一、行星的运动规律
多媒体课件展示：
1571年12月27日，开普勒出生在德国威尔的一个贫民家庭.但当开普勒出生时，家庭已经很衰落.开普勒是一个早产儿，体质很差.他四岁时患上了天花和猩红热，虽侥幸死里逃生，身体却受到了严重的摧残，视力衰弱，一只手半残.但开普勒身上有一种顽强的进取精神.他放学后要帮助父母料理酒店，但一直坚持努力学习，成绩一直名列前茅.
1587年进入蒂宾根大学，在校中遇到秘密宣传哥白尼学说的天文学教授麦斯特林，在他的影响下，很快成为哥白尼学说的忠实维护者.大学毕业后，开普勒获得了天文学硕士的学位，被聘请到格拉茨新教神学院担任教师.后来离开学院，成了丹麦著名天文学家第谷（TychoBrahe）的学生和继承人，他与意大利的伽利略（Galileo）是同时代的两位巨人.开普勒从理论的高度上对哥白尼学说作了科学论证，使它更加提高了一大步.他所发现的行星运动定律“改变了整个天文学”，为后来牛顿（IsaacNewton）发现万有引力定律奠定了基础.开普勒也被后人赞誉为“天空的立法者”.
开普勒根据第谷毕生观测所留下的宝贵资料，孜孜不倦地对行星运动进行深入的研究，提出了行星运动三定律.
开普勒在公元1609年发表了关于行星运动的两条定律：
1.开普勒第一定律（椭圆定律）：每一行星沿一个椭圆轨道环绕太阳，而太阳则处在椭圆的一个焦点上.
多媒体课件展示：
2.开普勒第二定律（面积定律）：从太阳到行星所连接的直线（矢径）在相等时间内扫过同等的面积.用公式表示为：SAB=SCD=SEK.
多媒体课件展示：
1609年，这两条定律发表在他出版的《新天文学》上.
1618年，开普勒又发现了第三条定律.
3.开普勒第三定律（调和定律）：行星绕日一圈时间的平方和行星各自离日的平均距离的立方成正比.用公式表示为：R3/T2=k，其中R为行星公转轨道半长轴、T为行星公转周期、k=常数.
多媒体课件展示：
学习活动：阅读欣赏，学习开普勒的顽强进取精神.讨论对开普勒三定律的理解.
二、万有引力定律
1.引入课题：前面我们已经学习了有关圆周运动的知识，我们知道做圆周运动的物体都需要一个向心力，而向心力是一种效果力，是由物体所受实际力的合力或分力来提供的.另外我们还知道，月球是绕地球做圆周运动的，那么我们想过没有，月球做圆周运动的向心力是由谁来提供的呢？(学生一般会回答：地球对月球有引力.)
2.实验：粉笔头自由下落.
同学们想过没有，粉笔头为什么是向下运动，而不是向其他方向运动呢？同学可能会说，重力的方向是竖直向下的，那么重力又是怎么产生的呢？地球对粉笔头的引力与地球对月球的引力是不是一种力呢？(学生一般会回答：是.)这个问题也是300多年前牛顿苦思冥想的问题，牛顿的结论也是：是.
既然地球对粉笔头的引力与地球对月球有引力是一种力，那么这种力是由什么因素决定的，是只有地球对物体有这种力呢，还是所有物体间都存在这种力呢？这就是我们今天要研究的万有引力定律.
首先让我们回到牛顿的年代，从他的角度进行一下思考吧.当时“日心说”已在科学界基本否认了“地心说”，如果认为只有地球对物体存在引力，即地球是一个特殊物体，则势必会退回“地球是宇宙中心”的说法，而认为物体间普遍存在着引力，可这种引力在生活中又难以观察到，原因是什么呢？(学生可能会答出：一般物体间，这种引力很小.如不能答出，教师可诱导.)所以要研究这种引力，只能从这种引力表现比较明显的物体——天体的问题入手.当时有一个天文学家开普勒通过观测数据得到了一个规律：所有行星轨道半径的三次方与运动周期的二次方之比是一个定值，即开普勒第三定律.用公式写出为：.
根据圆周运动向心力关系：，用T2=R3/k代入，得：.
其中m为行星质量，R为行星轨道半径，即太阳与行星的距离.也就是说，太阳对行星的引力正比于行星的质量而反比于太阳与行星的距离的平方.
板书：
F∝
而此时牛顿已经得到他的第三定律，即作用力等于反作用力，用在这里，就是行星对太阳也有引力.同时，太阳也不是一个特殊物体，它和行星之间的引力也应与太阳的质量M成正比，即F∝
用语言表述，就是：太阳与行星之间的引力，与它们质量的乘积成正比，与它们距离的平方成反比.这就是牛顿的万有引力定律.如果改写为等式，则为：.
其中G为一个常数，叫做万有引力恒量.(视学生情况，可强调与物体重力只是用同一字母表示，并非同一个含义.)
应该说明的是，牛顿得出这个规律，是在与胡克等人的探讨中得到的.
【知识拓展】
下面我们对万有引力定律作进一步的说明：
(1)万有引力存在于任何两个物体之间.虽然我们推导万有引力定律是从太阳对行星的引力导出的，但刚才我们已经分析过，太阳与行星都不是特殊的物体，所以万有引力存在于任何两个物体之间.也正因为此，这个引力称作万有引力.只不过一般物体的质量与星球相比过于小了，它们之间的万有引力也非常小，完全可以忽略不计.所以，万有引力定律的表述是：
板书：
任何两个物体都是相互吸引的，引力的大小跟两个物体的质量的乘积成正比，跟它们距离的平方成反比.用公式表示为：
其中m1、m2分别表示两个物体的质量，r为它们之间的距离.
(2)万有引力定律中的距离r，其含义是两个质点间的距离.两个物体相距很远，则物体一般可以视为质点.但如果是规则形状的均匀物体相距较近，则应把r理解为它们的几何中心的距离.例如物体是两个球体，r就是两个球心间的距离.
(3)万有引力是因为物体有质量而产生的引力.从万有引力定律可以看出，物体间的万有引力由相互作用的两个物体的质量决定，所以质量是万有引力产生的原因.从这一产生原因可以看出：万有引力不同于我们初中所学习过的电荷间的引力及磁极间的引力，也不同于我们以后要学习的分子间的引力.
三、万有引力恒量的测定
【教师精讲】
牛顿发现了万有引力定律，但万有引力恒量G这个恒量是多少，连他本人也不知道.按说只要测出两个物体的质量，测出两个物体间的距离，再测出物体间的引力，代入万有引力定律，就可以测出这个恒量.但因为一般物体的质量太小了，它们间的引力无法测出，而天体的质量太大了，又无法测出质量.所以，万有引力定律发现了100多年，万有引力恒量仍没有一个准确的结果，这个公式就仍然不能是一个完善的等式.直到100多年后，英国人卡文迪许利用扭秤，才巧妙地测出了这个恒量.
（一）引力常量G的测定
1.卡文迪许扭秤装置（如图，课件展示）
2.实验的原理：两次放大及等效的思想.
扭秤装置把微小力转变成力矩来反映（一次放大），扭转角度通过光标的移动来反映（二次放大），从而确定物体间的万有引力.
T形架在两端质量为m的两个小球受到质量为m′的两大球的引力作用下发生扭转，引力的力矩为FL.同时，金属丝发生扭转而产生一个相反的力矩kθ，当这两个力的力矩相等时，T形架处于平衡状态，此时，金属丝扭转的角度θ可根据小镜从上的反射光在刻度尺上移动的距离求出，由平衡方程：kθ=FL，，.
L为两小球的距离，k为扭转系数，可测出，r为小球与大球的距离.
3.G的值
卡文迪许利用扭秤多次进行测量，得出引力常量G=6.71×10-11Nm2/kg2，与现在公认的值6.67×10-11Nm2/kg2非常接近.
（二）测定引力常量的重要意义
1.证明了万有引力存在的普遍性.
2.万有引力定律有了真正的实用价值，可测定远离地球的天体的质量、密度等.
3.扭秤实验巧妙地利用等效法合理地将微小量进行放大，开创了测量弱力的新时代.
学生疑问：既然两个物体间都存在引力，为什么当两个人接近时他们不吸在一起？
【教师精讲】
由于人的质量相对于地球质量非常小，因此两人靠近时，尽管距离不大，但他们之间的引力比他们各自与地球的引力要小得多得多，不足以克服人与地面间的摩擦阻力，因而不能吸在一起.
展示问题：已知地球的半径R=6400km，地面重力加速度g=9.8m/s2，求地球的平均密度.
【教师精讲】
设在地球表面上有一质量为m的物体，
则，
得，
而，
代入数据得：ρ=5.4×103kg/m3.
卡文迪许测定的G值为6.754×10-11，现在公认的G值为6.67×10-11.需要注意的是，这个万有引力恒量是有单位的：它的单位应该是乘以两个质量的单位千克，再除以距离的单位米的平方后，得到力的单位牛顿，故应为Nm2/kg2.
板书：
G=6.67×10-11Nm2/kg2
由于万有引力恒量的数值非常小，所以一般质量的物体之间的万有引力是很小的，我们可以估算一下，两个质量为50kg的同学相距0.5m时之间的万有引力有多大(可由学生回答：约6.67×10-7N)，这么小的力我们是根本感觉不到的.只有质量很大的物体对一般物体的引力我们才能感觉到，如地球对我们的引力大致就是我们的重力，月球对海洋的引力导致了潮汐现象.而天体之间的引力由于星球的质量很大，又是非常惊人的：如太阳对地球的引力达3.56×1022N.
【例题剖析】已知月球到地球的球心距离为r=4×108m,月亮绕地球运行的周期为30天，求地球的质量.
【教师精讲】
月球绕地球运行的向心力即月地间的万有引力.
即有，得
所以M=5.98×1024kg.
四、巩固练习
1.引力恒量G的单位是（）
A.NB.C.D.没有单位
2.引力常量的数值是_______国物理学家_____________利用______________装置测得的.
3.某个行星的质量是地球质量的一半，半径也是地球半径的一半，那么一个物体在此行星表面上的重力是它在地球表面上重力的（）
A.1/4B.1/2C.4倍D.2倍
4.已知地面的重力加速度为g,距地面高为地球半径处的重力加速度是（）
A.g/2B.2g/2C.g/4D.2g
5.两个物体之间的万有引力大小为F1，若两物之间的距离减小x，两物体仍可视为质点，此时两个物体之间的万有引力为F2，根据上述条件可以计算（）
A.两物体的质量
B.万有引力常量
C.两物体之间的距离
D.条件不足，无法计算上述中的任一个物理量
参考答案：
1.B2.英卡文迪许扭秤3.D4.C5.C
课堂小结
本节课我们学习了万有引力定律，了解了任何两个有质量的物体之间都存在着一种引力，这个引力正比于两个物体质量的乘积，反比于两个物体间的距离.其大小的决定式为：
其中G为万有引力恒量：G=6.67×10-11Nm2/kg2.
另外，我们还了解了科学家分析问题、解决问题的方法和技巧，希望对我们今后分析问题、解决问题能够有所借鉴.
布置作业
课本P92作业2、3、5、6.
板书设计
活动与探究
自己设计方案并选择器材，测定万有引力恒量的值，说出理论根据并进行实验，写出实验步骤并通过计算汇报测量结果.

第六章　万有引力定律（三、引力常量的测定）

第六章万有引力定律（三、引力常量的测定）

教学目标：

1．了解卡文迪许实验装置及其原理。

2．知道引力常量的意义及其数值。

3．加深对万有引力定律的理解。

教学重点：引力常量的测定及重要意义。

教学难点：卡文迪许用扭秤测量引力常量的原理。

教学方法：引导式

教学过程：
一引入新课

牛顿虽然发现了万有引力定律，由于当时实验条件和技术的限制，没能给出准确的引力常量。显然，如不能定量地算出两物体间的万有引力的大小，万有引力定律就没有什么实际意义。直到1789年，英国物理学家卡文迪许巧妙地利用了扭秤装置，第一次在实验室里比较准确地测出引力常量。这节课我们就来学习他如何利用扭秤测出非常小的万有引力的。

二新课教学
（一）引力常量G的测定

1．卡文迪许扭秤装置

将课本P106图6－2制成幻灯片或课件以辅助讲解。

2．扭秤实验的原理两次放大及等效的思想。

扭秤装置把微小力转变成力矩来反映（一次放大），

扭转角度通过光标的移动来反映（二次放大），从而确定物体间的万有引力。

T形架在两端质量为m的两个小球受到质量为m’的两大球的引力作用下发生扭转，引力的力矩为FL。同时，金属丝发生扭转而产生一个相反的力矩，当这两个力的力矩相等时，T形架处于平衡状态，此时，金属丝扭转的角度可根据小镜从上的反射光在刻度尺上移动的距离求出，由平衡方程：

L为两小球的距离，k为扭转系数可测出，r为小球与大球的距离。

3．G的值

卡文迪许利用扭秤多次进行测量，得出引力常量，与现在公认的值非常接近。
(二）测定引力常量的重要意义

1．证明了万有引力的存在的普遍性。

2．使得万有引力定律有了真正的实用价值，可测定远离地球的天体的质量、密度等。

3．扭秤实验巧妙地利用等效法合理地将微小量进行放大，开创了测量弱力的新时代。
三例题分析

例1．既然两个物体间都存在引力，为什么当两个人接近时他们不吸在一起？

解：由于人的质量相对于地球质量非常小，因此两人靠近时，尽管距离不大，但他们之间的引力比他们各自与地球的引力要小得多得多，不足以克服人与地面间的摩擦阻力，因而不能吸在一起。

例2．已知地球的半径，地面重力加速度，求地球的平均密度。

解：设在地球表面上有一质量为m的物体，

则，

得，

而，

代入数据得

四布置作业
阅读材料

第一个现代物理实验室

19世纪末叶，物理学进入了一个新发展时期，推动物理学发展的物理实验，同时从经典物理学发展时期以个人为主辅以简单仪器进行研究的形式，发展到近代物理学研究中集体分工合作并配备高级精密仪器的形式。这种发展，导致现代物理实验室的出现。

最早的现代物理实验室是英国的卡文迪许实验室。不少人以为这个实验室是著名的英国科学家、引力常数的测定者、确定水的组成并发现氢气的亨利·卡文迪许建造的，其实不是这么回事。当卡文迪许实验室建成时，亨利·卡文迪许离开人间已有半个多世纪了。卡文迪许实验室是在英国公爵德冯夏尔·卡文迪尔的资助下建成的。这位同姓的公爵是亨利·卡文迪许的亲戚。

卡文迪许实验室于1872年破土动工，两年后就在剑桥自由学校巷里建成。说也奇怪，这个物理实验室竟是在一位著名的理论物理学家──麦克斯韦的领导下筹建的，他还是它的第一任主任。为了给实验室增添仪器，麦克斯韦拿出了自己不多的积蓄。

卡文迪许实验室它不仅出成果，而且出人才。许多有成就的物理学家都曾在这里受到过现代物理学的熏陶。领导卡文迪许实验室的都是成就辉煌、赫赫有名的现代物理学大师。继麦克斯韦之后，任卡文迪许实验室主任的有：现代声学和光学的奠基人瑞利，电子的发展者J·J·汤姆逊(他在28岁时就当上了主任)，现代原子核物理学之父卢瑟福，以科学研究组织工作见长的W·L·布拉格，现代固体物理的先驱莫特。除麦克斯韦之外，都是诺贝尔奖金获得者。

文章来源：http://m.jab88.com/j/14550.html

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