万有引力计算公证明
万有引力公式的应用
用万有引力定律的两个推论计算万有引力推论Ⅰ：在匀质球壳的空腔内任意位置处，质点受到球壳的万有引力的合力为零，即∑F＝0。
推论Ⅱ：如图所示，在匀质球体内部距离球心r 处的质点(m )受到的万有引力等于球体内半径为r 的同心球体(M ′)对它的引力，即F ＝GM ′mr 2。
1.如图所示，有人设想要“打穿地球”从中国建立一条通过地心的光滑隧道直达巴西。
若只考虑物体间的万有引力，则从隧道口抛下一物体，物体的加速度( )A ．一直增大B ．一直减小C ．先增大后减小D ．先减小后增大(三)填补法求解万有引力运用“填补法”解题的关键是紧扣万有引力定律的适用条件，先填补后运算，运用“填补法”解题主要体现了等效思想。
2.如图所示，有一个质量为M ，半径为R ，密度均匀的大球体。
从中挖去一个半径为R2的小球体，并在空腔中心放置一质量为m 的质点，则大球体的剩余部分对该质点的万有引力大小为(已知质量分布均匀的球壳对壳内物体的引力为零)( )A ．GMmR 2 B ．0 C ．4GMmR 2D ．GMm2R 2对重力加速度g 的深入了解1.假设地球是一半径为R 、质量分布均匀的球体。
一矿井深度为d 。
已知质量分布均匀的球壳对壳内物体的引力为零。
矿井底部和地面处的重力加速度大小之比为( )A ．1－dRB ．1＋dRC.⎝⎛⎭⎫R －d R 2D.⎝⎛⎭⎫R R －d 22．(2017·西安高三检测)理论上已经证明：质量分布均匀的球壳对壳内物体的万有引力为零。
现假设地球是一半径为R 、质量分布均匀的实心球体，O 为球心，以O 为原点建立坐标轴Ox ，如图所示。
一个质量一定的小物体(假设它能够在地球内部移动)在x 轴上各位置受到的引力大小用F 表示，则选项图所示的四个F 随x 的变化关系图像正确的是( )3．已知一质量为m的物体静止在北极与赤道对地面的压力差为ΔN，假设地球是质量分布均匀的球体，半径为R。
则地球的自转周期为()A．T＝2π mRΔN B.T＝2πΔNmRC．T＝2π mΔNR D．T＝2πRmΔN4．(2017·商丘5月三模)地质勘探发现某地区表面的重力加速度发生了较大的变化，怀疑地下有空腔区域。
重力公式证明万有引力就是磁力
重力公式证明万有引力就是磁力
重力f=mg。
公式中的m是指任何物质，当然也包括磁性物质，公式中的g 是指任何物质的重力加速度都是g=9.8m/秒2，当然也包括磁性物质。
既然任何物质、大小不同的物质，当然也包括磁性物质的重力加速度都是g=9.8m/秒2，那它们必然同时落地。
既然任何物质、大小不同的物质，当然也包括磁性物质的同时落地，这和我们已知的地球有磁力，磁铁球有磁力，所以地球和磁铁球之间必然有磁引力。
因为磁性物质间的磁引力或斥力比万有引力大得多，那么一个磁铁球和同样的铁球从空中同时下落，磁铁球会受到万有引力和磁力的两种力，铁球只受到万有引力的作用，所以磁铁球应该先落地相矛盾。
既然是磁铁球和同样的铁球同时落地，这足以证明万有引力就是磁力，否则磁铁球应该先落地。
如果磁铁球和同样的铁球不同时落地加利略的斜塔落体实验就是错的，重力公式f=mg就是错的。
高考物理一轮专题复习学案： 万有引力定律
一、行星的运动 二、万有引力定律 三、引力常量的测定【例题】应用万有引力定律和向心力的公式证明：对于所有在圆周轨道上运动的地球卫星，其周期的二次方与轨道半径的三次方之比为一常量，即T 2/R 3＝常量．【证明】设地球的质量为M ，卫星的质量为m ，轨道半径为R ，周期为T ．因为卫星绕地球作圆周运动的向心力为万有引力，故F ＝G 2R Mm ＝m R ω2＝m R 22T 4π． ∴ 32R T ＝GM 42π＝常量． 可见，这一常量只与中心天体(地球)的质量有关．也适用于绕某一中心天体运动的天体系统．●课堂针对训练●(1)关于丹麦天文学家第谷，对行星的位置进行观测所记录的数据，下列说法正确的是：A ．这些数据在测量记录时误差相当大；B ．这些数据说明太阳绕地球运动；C ．这些数据与以行星绕太阳做匀速圆周运动为模型得到的结果相吻合；D ．这些数据与以行星绕太阳做椭圆运动为模型得到的结果相吻合．(2)关于行星绕太阳运动的正确说法是：A ．所有行星都在同一椭圆轨道上绕太阳运动；B ．行星绕太阳运动时太阳位于行星轨道的中心处；C ．离太阳越近的行星运动周期越大；D ．所有行星的轨道的半长轴的三次方跟公转周期的二次方的比值都相等．(3)如图6－1所示，r 远大于两球的半径，但两球半径不能忽略，而球的质量均匀分布、大小分别为m 1与m 2，则两球间的万有引力大小为：A ．Gm 1m 2/r 2；B ．Gm 1m 2/r 12；C ．Gm 1m 2/(r 1＋r 2)2；D ．Gm 1m 2/(r ＋r 1＋r 2)2．(4)地球对月球具有相当大的万有引力，为什么它们不靠在一起，其原因是：A ．不仅地球对月球有万有引力，而且月球对地球也有万有引力，这两个力大小相等，方向相反，互相平衡了；B ．地球对月球的引力还不算大；C ．不仅地球对月球有万有引力，而且太阳系里其他星球对月球也有万有引力，这些力的合力等于零；D ．万有引力不断改变月球的运动方向，使得月球绕地球运行．(5)关于引力常量G ，以下说法正确的是：A ．在国际单位制中，G 的单位是N ·kg 2/m 2；B ．在国际单位制中，G 的数值等于两个质量各为1kg 的物体，相距1m 时的相互吸引力；C ．在不同星球上，G 的数值不一样；D ．在不同的单位制中，G 的数值不一样．(6)以下说法正确的是：A ．质量为m 的物体在地球上任何地方其重力均相等；B ．把质量为m 的物体从地面移到高空上，其重力变小了；C ．同一物体在赤道处的重力比在两极处重力大；D ．同一物体在任何地方其质量是相同的．(7)有一个半径比地球大两倍、质量是地球质量36倍的行星．同一物体在它表面的重力是在地球表面的重力的多少倍？(8)人造地球卫星运动时，其轨道半径为月球轨道半径的31，则此卫星运动的周期大约是多少天？(9)物体在地面上重力为G 0，它在高出地面0.5R(R 为地球半径)处的重力是多少？(10)已知地面的重力加速度是g ，距地面高等于地球半径处的重力加速度是多少？(11)假设火星和地球都是球体，火星的质量为M 火，地球的质量为M 地，且M 火/M 地＝p ，火星的半径和地球的半径之比是R 火/R 地＝q ，那么在它们表面的重力加速度之比g 火/g 地等于多少？★滚动训练★(12)小球从高为h 处落到一个倾角为45°的斜面上，如图6－2所示，设小球与斜面碰撞后速率不变，沿水平方向向左运动，求小球第二次与斜面碰撞时离第一次碰撞处的距离是多少？(斜面足够长，不计空气阻力)(13)一辆汽车匀速率通过一座圆形拱桥后，接着又以相同的速率通过圆弧形凹地，设两圆形半径相等，汽车通过桥顶A 时，桥面受到的压力F NA 为车重的一半，汽车在圆弧形凹地最低点B 时，对地面的压力为F NB ，求f NA 与F NB 之比． 四、万有引力定律在天文学上的应用【例题】月亮绕地球转动的周期为T ，轨道半径为r ，则由此可得地球质量表达式为________(引力常量为G)．若地球半径为R ，则其密度表达式是________．【分析与解答】月亮绕地球转可看成作匀速圆周运动，且F 向＝F 引，∴ G 2r m M 月地＝m 月ω2r ＝m 月(T 2π)2r 故M 地＝232GT r 4π． 而 ρ＝体V M ＝232GT r 4π/(34πR 3)＝323RGT r 3π． ●课堂针对训练●(1)若已知行星绕太阳公转的半径为r ，公转的周期为T ，万有引力恒量为G ，则由此可求出：A ．某行星的质量；B ．太阳的质量；C ．某行星的密度；D ．太阳的密度．(2)若地球绕太阳公转周期及公转轨道半径分别为T 和R ，月球绕地球公转周期和公转轨道半径分别为t 和r ，则太阳质量与地球质量之比M 日/M 地为：A ．R 3t 2/r 3T 2；B ．R 3T 2/r 3t 2；C ．R 3t 2/r 2T 3；D ．R 3T 3/r 3t 3．(3)设行星绕恒星的运动轨道是圆，则其运行周期T 的平方与其运行轨道半径R 的三次方之比为常数，即T 2/R 3＝k ，那么k 的大小决定于：A ．只与行星质量有关；B ．只与恒星质量有关；C ．与行星及恒星的质量都有关；D ．与恒星的质量及行星的速率有关．(4)银河系中有两颗行星环绕某恒星运转，从天文望远镜中观察到它们的运转周期的比为27∶1，则它们的轨道半径的比为：A ．3∶1；B ．9∶1；C ．27∶1；D ．1∶9．(5)下列说法正确的是：A ．海王星和冥王星是人们依据万有引力定律计算的轨道而发现的；B ．天王星是人们依据万有引力定律计算的轨道而发现的；C ．天王星的运行轨道偏离根据万有引力计算出来的轨道，其原因是由于天王星受到轨道外面其它行星的引力作用；D ．以上均不正确．(6)行星的平均密度是ρ，靠近行星表面的卫星运转周期是T ，试证明：ρT 2是一个常量，即对任何行星都相同．(7)已知某行星绕太阳运动的轨道半径为r ，周期为T ，太阳的半径是R ，则太阳的平均密度是多少？(万有引力恒量为G)(8)已知月球的半径是r ，月球表面的重力加速度为g 月，万有引力恒量为G ，若忽略月球的自转，试求出月球的平均密度表达式．(9)一艘宇宙飞船飞近某一个不知名的行星，并进入靠近该行星表面的圆形轨道，宇航员着手进行预定的考察工作．宇航员能不能仅用一只表通过测定时间来测定该行星的密度？说明理由及推导过程，并说明推导过程中各量的物理意义．(10)太阳光经500s 到达地球，已知地球的半径是6.4×106m ，试估算太阳的质量与地球的质量的比值(光速c ＝3×108m/s ，结果取1位有效数字)．★滚动训练★(11)从离地面高为H 的A 点平抛一物体，其水平射程为2s ．在A 点正上方且离地面高为2H 的B 点，以相同方向平抛另一物体，其水平射程为s ，两物体在空中的运动轨道在同一竖直平面内，且都从同一个屏M 的顶端擦过，求屏M 的高度．(12)如图6－3所示，半径为R 的光滑圆环上套有一质量为m 的小环，当圆环以角速度ω绕着环心的竖直轴旋转时，求小环偏离圆环最低点的高度．五、人造卫星 宇宙速度【例1】一人造地球卫星距地球表面的高度是地球半径的15倍．试估算此卫星的线速度(已知地球半径R ＝6400km)．【分析与解答】人造地球卫星绕地球做圆周运动时，满足的关系式为 G 2)R 16(M m ＝m R 16v 2① 式中：m 为卫星质量；M 为地球质量；16R 为卫星的轨道半径．由于地球质量M 未知，所以应设法用其他已知常数代换，在地球表面mg ＝G 2RMm ② 由①、②两式消去GM ，解得v ＝1610468916R 6⨯⨯=..g ＝2.0×103(m/s)． 注意：有些基本常知，尽管题目没有明显给出，必要时可以直接应用，如在地球表面物体受到地球的引力近似等于重力，地球自转周期T ＝24小时，公转周期T ＝365天，月球绕地球运动的周期约为30天等．【例2】人造卫星环绕地球运转的速度v ＝r /R 20g ，其中g 为地面处的重力加速度，R 0为地球的半径，r 为卫星离地球中心的距离，下面哪些说法正确？A ．题目中卫星速度表达式是错误的；B ．由速度表达式知，卫星离地面越高，其速度也越大；C ．由速度表达式知，卫星环绕速度与轨道半径平方根成反比；D ．从速度表达式可知，把卫星发射到越远的地方越容易．【分析和解答】卫星绕地球转动时，F 引＝F 心所以，G 2r M m ＝m r v 2(其中m 是卫星质量，M 是地球的质量)，故v ＝r GM ， 而在地球表面：mg ＝G 20R M m (其中m 为地面上物体的质量)故有GM ＝g R 02，所以v ＝r /R 20g ， 由此可知A 是错的，C 为正确的．又因为v 是环绕速度，故离地球越远处卫星环绕速度越小，但发射卫星到越远，克服地球引力作功越多，所需初速越大，故D 错(注意区分：发射初速度与环绕速度)．●课堂针对训练●(1)已知下面的哪组数据，可以算出地球的质量M 地(引力常量G 为已知)：A ．月球绕地球运动的周期T 1及月球到地球中心的距离R 1；B ．地球绕太阳运行的周期T 2及地球到太阳中心的距离R 2；C ．人造卫星在地面附近的运行速率v 3和运行周期T 3；D ．地球绕太阳运行的速度v 4及地球到太阳中心的距离R 4．(2)关于第一宇宙速度，下面说法中错误的是：A ．它是人造地球卫星绕地球飞行的最小速度；B ．它是人造地球卫星在近地圆形轨道上的运行速度；C ．它是能使卫星进入近地圆形轨道的最小发射速度；D ．它是卫星在椭圆轨道上运行时近地点的速度．(3)下列说法正确的是：A ．地球同步卫星和地球自转同步，因此同步卫星的高度和速度是一定的；B ．地球同步卫星的角速度虽被确定，但高度和速度可以选择，高度增加，速度增大，高度降低，速度减小；C ．地球同步卫星只能定点在赤道上空，相对地面静止不动；D ．以上均不正确．(4)人造地球卫星中的物体处于失重状态是指物体：A ．不受地球引力作用；B ．受到的合力为零；C ．对支持它的物体没有压力作用；D ．不受地球引力，也不受卫星对它的引力．(5)实际中人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动时的速度一定________第一宇宙速度．(填“大于”或“小于”或“等于”)(6)两个行星的质量分别为m 和M ，绕太阳运行的轨道半径分别是r 和R ，则：①它们与太阳之间的万有引力之比是多少？②它们公转的周期之比是多少？(7)两颗人造地球卫星，其轨道半径之比为R 1∶R 2＝4∶1，求这两颗卫星的：①线速度之比v 1∶v 2＝？ ②角速度之比ω1∶ω2＝？③周期之比T 1∶T 2？ ④向心加速度之比a 1∶a 2＝？(8)为转播电视节目，发射地球的同步卫星，它在赤道上空某高度处随地球同步运转，地球半径为6400km ，地球表面重力加速度g 取10m/s 2，求它的高度和线速度大小．(9)如图6－4所示，两颗靠得很近的恒星称为双星，这两颗星必须各以一定速率绕某一中心转动才不致于因万有引力作用而吸引在一起．已知双星的质量分别为m 1和m 2，相距为L ，万有引力常数为G ．求：①双星转动中心位置O 与m 1的距离； ②转动周期．(10)一颗在赤道上空飞行的人造地球卫星，其轨道半径为r ＝3R(R 为地球半径)，已知地球表面重力加速度为g ，则该卫星的运行周期是多大？若卫星的运动方向与地球自转方向相同，已知地球自转角速度为w 0，某一时刻该卫星通过赤道上某建筑物的正上方，再经过多少时间它又一次出现在该建筑物正上方？★滚动训练★(11)如图6－5所示，长为L 的轻杆，两端各连接一个质量都是m 的小球，使它们以轻杆中点为轴在竖直平面内做匀速圆周运动，周期为T ＝2πgL ．求两小球通过竖直位置时杆分别对上下两球的作用力，并说明是拉力还是支持力．●补充训练●(1)如图6－6中的圆a 、b 、c ，其圆心均在地球的自转轴线上，对卫星环绕地球做匀速圆周运动而言：A ．卫星的轨道只可能为a ；B ．卫星的轨道可能为b ；C ．卫星的轨道不可能为c ；D ．同步卫星的轨道一定为b ．(2)人造卫星以地心为圆心，做匀速圆周运动，下列说法正确的是：A ．半径越大，环绕速度越小，周期越小；B ．半径越大，环绕速度越小，周期越大；C ．所有卫星的环绕速度均是相同的，与半径无关；D ．所有卫星角速度都相同，与半径无关．(3)人造卫星绕地球做匀速圆周运动，其轨道半径为R ，线速度为v ，周期为T ，若要使卫星的周期变为2T ，可能的办法是： A ．R 不变，使线速度变为v /2； B ．v 不变，使轨道半径变为2R ；C ．轨道半径变为43R ；D ．无法实现．(4)“黑洞”是近代引力理论所预言的宇宙中一种特殊天体，在“黑洞”引力作用范围内，任何物体都不能脱离它的束缚，甚至连光也不能射出．研究认为，在宇宙中存在的黑洞可能是由于超中子星发生塌缩而形成的．2001年10月22日，欧洲航天局由卫星观测发现银河系中心存在一个超大型黑洞，被命名为：MCG6－30－15．假设银河系中心仅此一个黑洞，已知太阳系绕银河系中心做匀速圆周运动，则根据下列哪一组数据可以估算出该黑洞的质量：A ．太阳系质量和运动速度；B ．太阳系绕黑洞公转的周期和到“MCG6－30－15”的距离；C ．太阳系质量和到“MCG6－30－15”的距离；D ．太阳系运行速度和“MCG6－30－15”的半径．(5)物体在月球表面上的重力加速度为地球表面上的1/6，这说明：A ．地球的直径是月球直径的6倍；B ．月球的质量是地球质量的1/6；C ．月球吸引地球的引力是地球吸引月球引力的1/6；D ．物体在月球表面的重力是在地球表面的1/6．(6)三颗人造地球卫星A 、B 、C 绕地球作匀速圆周运动，如图6－7所示，已知m A ＝m B ＜m C 知，则三个卫星：A ．线速度关系：v A ＞vB ＝vC ； B ．周期关系：T A ＜T B ＝T C ；C ．向心力大小：F A ＝F B ＜F C ；D ．半径与周期关系：2C 3C 2B 3B 2A 3A T R T R T R ==． (7)宇航员在一行星上以速度为v 0竖直上抛一个物体经t 秒钟后落回手中，已知该行星半径为R ，要使物体不再落回星球表面，沿星球表面抛出的速度至少应是多少？(8)地球绕太阳公转的周期为T 1，轨道半径为R 1，月球绕地球公转的周期为T 2，轨道半径为R 2，则太阳的质量是地球的质量的多少倍？(9)有m 1和m 2两颗人造卫星，已知m 1＝m 2，如果m 1和m 2在同一轨道上运行，则它们的线速度之比v 1∶v 2＝？；如果m 1的运行轨道半径是m 2的运行轨道半径的2倍，则它们的速度之比v 1∶v 2＝？(10)若取地球的第一宇宙速度为8km/s ，某行星的质量是地球的6倍，半径是地球的1.5倍，这行星的第一宇宙速度约为多少？(11)某一高处的物体的重力是在地球表面上的重力的一半，则其距地心距离是地球半径R 的多少倍？(12)北京时间2002年12月30日零时40分，“神舟”四号无人飞船在酒泉卫星发射中心由长征二号运载火箭发射升空，飞船按计划进入预定轨道，用时t 秒绕地球运行了n 圈后，安全返回地面，这标志着我国航天技术达到新的水平．已知地球半径为R ，地面重力加速度为g ，试求飞船绕地球飞行时离地面的高度．(13)已知地球半径约6.4×106m ，又知月球绕地球的运动可近似看作做圆周运动，则可估算出月球到地心的距离约为多少？(结果保留一位有效数字)(14)在火箭发射卫星的开始阶段，火箭与卫星一起竖直上升的运动可看作匀加速直线运动，加速度大小为a ＝5m/s 2，卫星封闭舱内用弹簧秤挂着一个质量m ＝9kg 的物体，当卫星竖直上升到某高度时，弹簧秤的示数为85N ，求此时卫星距地面的高度是多少？(地球半径R ＝6.4×103km ，g ＝10m/s 2)(15)宇航员站在一星球表面上的某高处，沿水平方向抛出一个小球．经过时间t ，小球落到星球表面，测得抛出点与落地点之间的距离为L ．若抛出时的初速增大到2倍，则抛出点与落地点之间的距离为3L ．已知两落地点在同一水平面上，该星球的半径为R ，万有引力常数为G ．求该星球的质量M ．(16)用打点计时器测量重力加速度，如图6－8所示，A 、B 、C 为纸带上的3个点，测AB 间距离为0.980cm ，BC 间距离为1.372cm ，已知地球半径为6.37×106m ，试计算地球的第一宇宙速度为多少？(电源频率为50Hz)(17)2000年1月26日我国发射了一颗同步卫星，其定点位置与东经98°的经线在同一平面内．若把甘肃嘉峪关处的经度和纬度近似取为东经98°和北纬α＝40°，已知地球半径R 、地球自转周期T 、地球表面重力加速度g (视为常量)和微波信号传播速度为c ．试求该同步卫星发出的微波信号传到嘉峪关处的接收站所需的时间(要求用题给的已知量的符号表示)．参考答案一、行星的运动 二、万有引力定律 三、引力常量的测定：(1)D(2)D(3)D(4)D(5)BD(6)BD(7)4(8)5.8天(9)94G(10)41g (11)p /q 2(12)42h(13)1∶3． 四、万有引力定律在天文学上的应用(1)B(2)A(3)B(4)B(5)AC(6)略(7)323RGT r 3π(8)rG 43π月g (9)3π/GT 2(10)3×105(11)6H/7(12)R －g /ω2．五、人造卫星、宇亩速度：(1)AC(2)AD(3)AC(4)C(5)小于(6)①22Mr R m ；②33R r (7)1∶2，1∶8，8∶1，1∶16(8)3.56×104km ，3.1×103m/s(9)①)(L 212m m m +；②)(G L 2213m m +π(10)6π；03R 3/6ωπ-g (11)21mg ，支持力；23mg ，拉力． 本章补充训练： (1)B(2)B(3)C(4)B(5)D(6)ABD(7)t /R 20v (8)21322231T R T R (9)1∶1，1∶2(10)16km/s(11)2(12)222n 4t R π2g －R(13)4×108m(14)3.2×103km(15)22Gt 3L R 32(16)7.9km/s ．(17)C cos )4T R (R 2R )4T R (312223222αππg g 22-+．。
万有引力定律
2.万有引力定律
m1m 2 F G r2
任何两物体间均存在
相互吸引力. 若物体可视作 质点，则二质点的相互引 力F 沿二质点的连线作用.
——万有引力定律
m1 F12
这一常量对所有行星均相同(严格说应略有差异)仅与
太阳性质有关,称开普勒常数.
第一定律可由求轨道方程直接证明； 第二定律则是角动量守恒的直接结果；
第三定律可由轨道方程和角动量定理得到证明. 开普勒定律所描述的运动是相对于日心—恒星参考系的.
建立极坐标系
太阳质量记为M，待考察的行星质量记为m， 某时刻 M至 m的径矢 r和 m的速度 v。 在径矢 r和速度 v确定的平面上， 建立以 M为原点的极坐标系。
代入上式得
m1引 m2引 Gm地 2 m1惯 m2惯 R g
m引 m惯
选适当G值可使
m引 m惯
即惯性质量与引力质量等价. 关键是同一地点各种物体的重力加速度是否相等？ 牛顿单摆实验
Δm m惯 m引 10 3 m惯 m惯
更精确的实验证明是厄缶实验及以后的改进实验.
牛顿引力定律不能解释水星轨道的旋进，需用广
义相对论解释之. 万有引力是超距作用，还 是通过引力场作用? 电磁场
近日点
是以光子为媒介. 引力场呢？
是以引力子为媒介？引力子 为何物？尚在探索.
太阳
水星
由于旋进，火星 绕日轨道不再封闭
牛顿万有引力定律适用于——弱场低速.
数学式
Rg 2Gm / c 2
各大行星轨道偏心率
水星 火星 天王星 0.206 0.098 0.051 金星 木星 海王星 0.007 0.048 0.007 地球 土星 冥王星 0.017 0.055 0.252
万有引力场的高斯定理
万有引力场的高斯定理在大一上学期学习力学，在学到简谐运动那一章时，胡老师曾举个一个例子，是摘自老版本大学物理学的一道书上例题，题目是这样的：将地球看做一个半径为R 的均匀球体，密度为ρ，假定沿直径开一条通道，若有质量为m 的质点沿通道做无摩擦运动，证明此运动为简谐运动。
（题目示意图如下）例题图当时做这道题时不知道如何列出质点的受力方程，后来老师直接讲到质点的受力大小仅与质点所在圆面内包围的质量有关，而与外部的质量无关。
列出受力大小公式，经过化简发现受到的万有引力大小是一个和质点所在面的半径r 成正比的○1，即质点在地球内部受到了一个线性回复力的作用，方向和质点相对于平衡位置（地心）的位移方向相反，即质点做的是简谐运动。
具体的解题公式和过程不再写出，这些不是本文章的重点。
场景转换到大一下学期（现在），在老师讲到电磁学中静电场的高斯定理时，惊奇的发现：∑⎰⎰==Φ)(01cos 内S iE q dSE εθ数和Σq 除以ε0，与闭合面外的电荷无关。
这就是著名的电场中的高斯定理的表述。
54页至59页，这里不再抄写证明。
高斯提出了电通量的概念，并根据库仑定律推导出来，使很多电场问题步骤和思路大大简化，并提炼出了这个公式。
学到这里时我就突然想到了本文最开始的那道有关万有引力的题目，并且想到牛顿的万有引力定律公式——221r m m GF =万和库仑定律公式——221c r q q k=F 有着十分相似的形式，既然库仑定律能够推导出电场的高斯定理，那么高斯定理应该在万有引力场中同样适用。
在这里先给几个定义和公式：万有引力强度，用g表示，定义式为2r m 中万G m F g == ，但正方向为从内到外，与g实际方向相反。
对于球状质点系，通过单位表面积的引力通量是：-g r4r 4*g -S 22==Φ=Φππ万d 1， 万有引力通量，⎰⎰∆-=ΦSS gcos θ万（注意负号）2， 仿照041πε=k ，令041g G π=，这里的0g 姑且命名为真空介万常数，呵呵，根据真空介电常数改的，大小约为1.193*10^9。
四种基本相互作用力
四种基本相互作用力：1，万有引力万有引力定律：自然界中任何两个物体都是相互吸引的，引力的大小跟这两个物体的质量乘积成正比，跟它们的距离的二次方成反比。
计算公式两个可看作质点的物体之间的万有引力[1]，可以用以下公式计算：F＝GmM/r^2,即万有引力等于引力常量乘以两物体质量的乘积除以它们距离的平方。
其中G代表引力常量，其值约为6.67×10的负11次方单位N·m2/kg2。
为英国物理学家、化学家亨利·卡文迪许通过扭秤实验测得。
万有引力的推导：若将行星的轨道近似的看成圆形，从开普勒第二定律可得行星运动的角速度是一定的，即：ω=2π/T(周期)如果行星的质量是m，离太阳的距离是r，周期是T，那么由运动方程式可得，行星受到的力的作用大小为mrω^2=mr（4π^2）/T^2另外，由开普勒第三定律可得r^3/T^2=常数k'那么沿太阳方向的力为mr（4π^2）/T^2=mk'（4π^2）/r^2由作用力和反作用力的关系可知，太阳也受到以上相同大小的力。
从太阳的角度看，（太阳的质量M）（k''）（4π^2）/r^2是太阳受到沿行星方向的力。
因为是相同大小的力，由这两个式子比较可知，k'包含了太阳的质量M，k''包含了行星的质量m。
由此可知，这两个力与两个天体质量的乘积成正比，它称为万有引力。
如果引入一个新的常数（称万有引力常数），再考虑太阳和行星的质量，以及先前得出的4·π2，那么可以表示为万有引力=GmM/r^2两个通常物体之间的万有引力极其微小，我们察觉不到它，可以不予考虑。
比如，两个质量都是60千克的人，相距0.5米，他们之间的万有引力还不足百万分之一牛顿，而一只蚂蚁拖动细草梗的力竟是这个引力的1000倍！但是，天体系统中，由于天体的质量很大，万有引力就起着决定性的作用。
在天体中质量还算很小的地球，对其他的物体的万有引力已经具有巨大的影响，它把人类、大气和所有地面物体束缚在地球上，它使月球和人造地球卫星绕地球旋转而不离去。
高三物理公式证明题
【例1】证明：导体切割磁感线产生的电动势ε= BLv.证明一：如图所示，假设垂直水平轨道放置的导体棒长L，以速度v在轨道上向右运动，设在Δt 时间内棒由原来的位置ab移到cd，这时线框的面积变化量ΔS = LvΔt穿过闭合电路的磁通量变化量：ΔΦ= BΔS = BLvΔt由法拉第电磁感应定律：ε=ΔΦ/Δt,将上式代入得：导体切割磁感线产生的电动势：ε= BLv证明二：如图所示，假设导体棒长L，以垂直导体棒的速度v水平向右运动，有一垂直纸面向里的匀强磁场磁感应强度大小为B由左手定则可知：棒中自由电子e受洛仑兹力f = evB作用向下运动，使棒上下端产生电势差ε，形成的电场强度大小为E =ε/L当f = eE 时，棒中产生稳定的电动势：ε= BLv【例2】求证：电流与自由电子定向移动速率的关系式I=neSv．证明：如图所示,设对一段导线通以强度为I的电流，导线截面积为S，电子定向移动速率为v，单位体积内自由电子数为n，通电时间为t则在这段时间内，自由电子定向移动的距离为L = vt通过导线截面的电量为q = enV = enSL = neSvt所以电流为I = q/t = neSv【例3】证明：洛仑兹力公式f = qvB.证明：设导线中单位体积内含有的自由运动电荷数是n，每个自由电荷的电量是q，自由电荷的平均定向移动速率是v，导线的横截面积是S，那么通过导线的电流就是 I = nqvS 磁场对电流的作用力是F=ILB．这个力可看作是作用在每个自由运动电荷上的洛仑兹力的合力，设洛仑兹力为f，这段导线内自由运动电荷的总数为N，则Nf = F，即Nf = ILB代入I = nqvS，得到Nf = nqvSLB又N等于单位体积内的运动电荷数跟体积的乘积，即N = nSL因此上式简化为f = qvB【例4】证明：万有引力定律F = GMm/r 2证明：设有两个孤立物体质量分别为M 、m ，相距较远间距为r ，m 绕M 作匀速圆周运动周期为TM 对m 的万有引力F 提供向心力：F = m(2π/T)2r ①由开普勒第三定律： r 3/ T 2 = 常数 ②由①②得：F = (2π)2m( r 3/ T 2) /r 2 即F ∝m/r 2 ③由牛顿第三定律可知：m 对M 的万有引力大小也为F ，且具有相同的性质所以，m 对M 的万有引力F ∝M/r 2 ④综合③④得：F ∝Mm/r 2万有引力定律F = GMm/r 2 (其中G 为引力常量)【例5】(1)试在下述简化情况下，由牛顿定律和运动学公式导出动量定理表达式：一个运动质点只受到一个恒力作用，沿直线运动。
牛顿定律、万有引力定律
牛顿运动定律牛顿第一运动定律内容：实验一切物体在任何情况下，在不受外力的作用时，总保持相对静止或匀速直线运动状态。
一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，直到有外力迫使它改变这种状态为止。
这就是牛顿第一定律。
牛顿第一定律还可缩写成：动者恒动，静者恒静。
说明：物体都有维持静止和作匀速直线运动的趋势，因此物体的运动状态是由它的运动速度决定的，没有外力，它的运动状态是不会改变的。
物体的保持原有运动状态不变的性质称为惯性(inertia)惯性的大小由质量量度。
所以牛顿第一定律也称为惯性定律(law of inertia)。
牛顿第一定律也阐明了力的概念。
明确了力是物体间的相互作用，指出了是力改变了物体的运动状态。
因为加速度是描写物体运动状态的变化，所以力是和加速度相联系的，而不是和速度相联系的。
在日常生活中我们是不注意这点，往往很容易产生错觉。
注意：（1）牛顿第一定律并不是在所有的参照系里都成立，实际上它只在惯性参照系里才成立。
因此常常把牛顿第一定律是否成立，作为一个参照系是否惯性参照系的判据了。
（2）牛顿第一定律是通过分析事实，再进一步概括、推理得出的。
我们周围的物体，都要受到这个力或那个力的作用，因此不可能用实验来直接验证这一定律。
但是，从定律得出的一切推论，都经受住了实践的检验，因此，牛顿第一定律已成为大家公认的力学基本定律之一。
发现及总结300多年前，伽利略对类似的实验进行了分析，认识到：运动物体受到的阻力越小，他的运动速度减小得就越慢，他运动的时间就越长。
他还进一步通过进一步的推理得出，在理想情况下，如果水平表面绝对光滑，物体受到的阻力为零的话，它的速度将不会减慢，这时将以恒定不变的速度永远运动下去。
伽利略曾经专研过这个问题，牛顿曾经说过：“我是站在巨人的肩膀上才成功的。
”这句话就是针对伽利略的。
所以牛顿概括了前人的研究结果，总结出了著名的牛顿第一定律。
牛顿第二运动定律内容：物体的加速度跟物体所受的合外力成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向跟合外力的方向相同。
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球体间万有引力计算的探究
南京市第12中学杨伟
高中物理中关于万有引力定律是这样叙述的“自然界中任何两个物体都相互吸引，引力的大小与物体的质量m1和m2的乘积成正比，与它们之间距离r的二次方成反比。
”这种表达是很不严密的。
因为距离应该是两个点之间的，当物体可视为质点时没有问题，但当物体不能看成质点时就为难了。
对此人教版普通高中课程标准实验教科书物理必修2 P70上有这么一段说明：““两个物体间的距离”到底是指物体哪两部分间的距离？对于可以看做质点的物体，当然就是这两个点间的距离。
如果是地球，月球等球体，牛顿应用微积分的方法得知，这个距离应该是球心间的距离。
”（其中加下划线的三个“间”是本人加上去的）
牛顿是怎样用微积分的方法得知的，我们都不得而知，所有的教参上也都没有提到。
我想做一件被大家忽略的事或许会有点意思。
于是就有了下文，我用两种方法来证明“对于质量分布均匀的球体，在计算万有引力时，可以把其看成质量都集中在球心的质点。
”
方法一：微积分方法。
这种方法比较复杂，为了简化，我用命题1和命题2做铺垫。
命题1。
质量分布均匀的圆环对在其轴线上的质点的万有引力。
设环质量为m1 ,质点质量为m2 ,环半径为r ,
环中心到质点的距离为x ,把环分成许多小段,
任取一小段可视为质点,其质量为dm ,它对质
点的引力为dF ,再把其分解为沿轴和垂直于轴
的两个分量dF1和dF2 ,由于质量分布均匀,由
对称性可知环上所有dm对质点引力的dF2分量的矢量和为零,所以环对质点的引力为:
F=,
而
dF1=dFcosө=.
所以
.
命题2: 质量分布均匀的圆面对在其轴线上的一个质点的万有引力.
设圆面质量为M1 ,质点质量为m2 ,圆面半径为R,
圆心到质点的距离为x , 在圆面内任取一半径为r
宽为dr的同心圆环,则由命题1得此圆环对质点m2的
引力为
则
1 / 3
2 / 3
正题: 质量分布均匀的球体对其外的一个质点的万有引力.
设球的质量为M,质点的质量为m, 球心到质点的距离
为L,球半径为r.为了计算球对质点的引力,可以在球中截取
一半径为R 厚度为dx 并且其轴线与球心和质点的连线重合的圆片,设此圆片的中心到质点m 的距离为x. 则由命题2可得该圆片对质点的引力为:
为了计算
所以 这说明：对于质量分布均匀的球体，在计算万有引力时，可以把其看成质量都集中在球心的质点。
方法二：类比法，为了数学形式的对称，我引入了万有引力场强度和万有引力通量着两个概念，不知是否恰当，请专家指点。
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L r L r L r dx r L Lx r L Lx L r r L ++--⎡⎤=--+⋅--⎢⎥⎣⎦=-⎰
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电场强度：。
万有引力场强度： 。
电通量：万有引力通量： . 高斯定律： （q 为闭合面内的总电量）
应用高斯定律，计算均匀带电球体在其外任一点p 的电场强度。
设球半径为R,带电量为Q,球心到p 点的距离为r.
过p 点作与带电球同心的球面S,因为电荷分布均匀
由对称性可知S 面上各点的场强大小相等设为E ，方向沿径向，
通过S 的电通量为：
由高斯定律得：
由于数学表达式完全对称，因此，同理可得，质量分布均匀的球体在其外任一点的万有引力场强度为：。
M 为球的质量, r 为球心到所取点的距离.
因为
所以。
又因为质点的引入不会影响球体的质量分布，故在所取点上放入一质量为m 的质点时，球对该质点的万有引力为：
（其中的为沿球心和质点的连线向内的单位矢量）。
这也证明了：对于质量分布均匀的球体，在计算万有引力时，可以把其看成质量都集中在球心的质点。
参考：1、高中物理教材。
2、清华大学教材《大学物理学》第三册〈〈电磁学〉〉 张三慧主编
3、〈〈电磁学〉〉 梁灿彬 秦光戎 梁竹健编。