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第二期：美到极致｜极光之美
第三期：【基础物理No.3】什么是光？
万有引力定律是艾萨克·牛顿在1687年于《自然哲学的数学原理》上发表的。牛顿的普适的万有引力定律：
任意两个质点有通过连心线方向上的力相互吸引。该引力大小与它们质量的乘积成正比与它们距离的平方成反比，与两物体的化学组成和其间介质种类无关。
行星轨道视为圆处理 则（K只与中心天体质量M有关）
理解：
（1）k是与太阳质量有关而与行星无关的常量． 由于行星的椭圆轨道都跟圆近似，在近似的计算中，可以认为行星都是以太阳为圆心做匀速圆周运动，在这种情况下，a可代表轨道半径．
(2)开普勒第三定律不仅适用于行星，也适用于卫星，只不过此时 a3/T2 ＝k′，比值k′是由行星的质量所决定的另一常量，与卫星无关．
(1)内容：宇宙间的一切物体都是互相吸引的，两个物体间的引力大小，跟它们的质量的乘积成正比，跟它们的距离的平方成反比．
(3)适用条件：此公式适用于质点间的相互作用．当两物体间的距离远远大于物体本身的大小时，物体可视为质点．均匀的球体可视为质点，r是两球心间的距离．一个均匀球体与球外一个质点间的万有引力也适用，其中r为球心到质点间的距离．
(1)对万有引力定律公式中各量的意义一定要准确理解，尤其是距离r的取值，一定要搞清它是两质点之间的距离. 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，式中的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，所以公式
(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、方向相反的，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．
万有引力定律把地面上的运动与天体运动统一起来，是自然界中最普遍的规律之一，式中引力恒量G的物理意义是：G在数值上等于质量均为1千克的两个质点相距1米时相互作用的万有引力．
（天体质量M, 卫星质量m，天体半径R,轨道半径r，天体表面重力加速度g ，卫星运行向心加速度an卫星运行周期T)
解决天体(卫星)运动问题的两种基本思路:一是把天体(或人造卫星)的运动看成是匀速圆周运动，其所需向心力由万有引力提供;二是在地球表面或地面附近的物体所受的重力等于地球对物体的引力.
（1）万有引力=向心力
(一个天体绕另一个天体作圆周运动时，r=R+h )
（2）用万有引力定律求中心星球的质量和密度
求质量：①天体表面任意放一物体重力近似等于万有引力：
（3）万有引力和重力的关系:
一般的星球都在不停地自转，星球表面的物体随星球自转需要向心力，因此星球表面上的物体所受的万有引力有两个作用效果：一个是重力，一个是向心力。星球表面的物体所受的万有引力的一个分力是重力，另一个分力是使该物体随星球自转所需的向心力。
（4）双星：
宇宙中往往会有相距较近，质量可以相比的两颗星球，它们离其它星球都较远，因此其它星球对它们的万有引力可以忽略不计。在这种情况下，它们将各自围绕它们连线上的某一固定点做同周期的匀速圆周运动。这种结构叫做双星。
（1）由于双星和该固定点总保持三点共线，所以在相同时间内转过的角度必相等，即双星做匀速圆周运动的角速度必相等，因此周期也必然相同。
（2）由于每颗星的向心力都是由双星间相互作用的万有引力提供的，因此大小必然相等，由F=mrω2可得
注意：万有引力定律表达式中的r表示双星间的距离，按题意应该是L，而向心力表达式中的r表示它们各自做圆周运动的半径，在本题中为r1、r2，千万不可混淆。
力学运用
自由落体：
令a1为事先已知质点的重力加速度。由牛顿第二定律知， 即。取代前面方程中的F
同理亦可得出a2.
依照国际单位制，重力加速度（同其他一般加速度）的单位被规定为米每平方秒 (m/s2或 m·s?2)。非国际单位制的单位有伽利略、单位g（见后）以及 英尺每秒的平方。
请注意上述方程中的a1，质量m1的加速度，在实际上并不取决于m1的取值。因此可推论出对于任何物体，无论它们的质量为多少，它们都将按照同样的比率向地面坠落（忽略空气阻力）。
如果物体运动过程中r只有极微小的改变——譬如地面附近的自由落体运动——重力加速度将几乎保持不变。而对于一个庞大物体，由于r的变化导致的不同位点所受重力的变化，将会引起巨大而可观的潮汐力作用。
令m1为地球质量5.98*102?kg，m2为1kg，R为地球半径6380000m，代入万有引力公式，计算出F=9.8N，这说明1kg的物体在地球表面受重力为9.8N。换句话说，等式两边同除以m2，结果就是重力加速度g。
具有空间广度的物体：
如果被讨论的物体具有空间广度（远大于理论上的质点），它们之间的万有引力可以以物体的各个等效质点所受万有引力之和来计算。在极限上，当组成质点趋近于“无限小”时，将需要求出两物体间的力（矢量式见下文）在空间范围上的积分。
从这里可以得出：如果物体的质量分布呈现均匀球状时，其对外界物体施加的万有引力吸引作用将同所有的质量集中在该物体的几何中心原理时的情况相同。（这不适用于非球状对称物体）。
矢量式：
地球附近空间内的重力示意图：在此数量级上地球表面的弯曲可被忽略不计，因此力线可以近似地相互平行并且指向地球的中心牛顿万有引力定律亦可通过矢量方程的形式进行表述而用以计算万有引力的方向和大小。在下列公式中，以粗体显示的量代表矢量。
地球的重力示意图
其中：
F??: 物体1对物体2的引力
G: 万有引力常量
m?与m?: 分别为物体1和物体2的质量
r?? = | r? r? |: 物体2和物体1之间的距离
r?1= r?+r? 物体2和物体1之间的距离
: 物体1到物体2的单位矢量
可以看出矢量式方程的形式与之前给出的标量式方程相类似，区别仅在于在矢量式中的F是一个矢量，以及在矢量式方程的右端被乘上了相应的单位向量。而且，我们可以看出：F?? = F??
同样，重力加速度的矢量式方程与其标量式方程相类似。
重力与引力
1.重力是由于地球的吸引而产生的，但能否说万有引力就是重力呢？分析这个问题应从地球自转入手。由于地球自转，地球上的物体随之做圆周运动，所受的向心力F?=mrω2=mRω2cosa,F?是引力F提供的，它是F的一个分力，cosa是引力F与赤道面的夹角的余弦值，F的另一个分力F?就是物体所受的重力，即F?=mg。
由此可见，地球对物体的万有引力是物体受到重力的原因，但重力不完全等于万有引力，这是因为物体随地球自转，需要有一部分万有引力来提供向心力。
2.重力与万有引力间的大小关系
（1）重力与纬度的关系
在赤道上满足mg=F-F向（物体受万有引力和地面对物体的支持力Fn的作用，其合力充当向心力，Fn的大小等于物体的重力的大小）。
在地球两极处，由于F向=0，即mg=F，在其他位置，mg、F与F向 间符合平行四边形定则。同一物体在赤道处重力最小，并随纬度的增加而增大。
（2）重力、重力加速度与高度的关系
在距地面高度为h的高处，若不考虑地球自转的影响时，则mg'=F=GMm/(R+h)2；而在地面处mg=GMm/R2。
距地面高为h处，其重力加速度g'=GM/(R+h)2，在地面处g=GM/R2。
在距地面高度为h的轨道上运行的宇宙飞船中，质量为m的物体的重力即为该处受到的万有引力，即mg'=GmM/(R+h)2，但无法用测力计测出其重力。
匀速圆周运动
一个天体环绕另一个中心天体做匀速圆周运动。其向心力由万有引力提供。即F引=GMm/r2≈mg=ma向，而a向=v2/r=ω2r=vω=(4π2/T2)r=4π2f2r，因此应用万有引力定律解决天体的有关问题，主要有以下几个度量关系：F引=GMm/r2(r为轨道半径）=mg=ma向=mv2/r=mω2r=m(4π2/T2)r=m4π2f2r.
重力场：
球状星团 M13 证明重力场的存在。重力场是用于描述在任意空间内某一点的物体每单位质量所受万有引力的矢量场。而在实际上等于该点物体所受的重力加速度。
以下是一个普适化的矢量式，可被应用于多于两个物体的情况（例如在地球与月球之间穿行的火箭）的计算。对于两个物体的情况（比如说物体1是火箭，物体2是地球）来说，我们可以用 替代并用m替代m?来将重力场表示为：
因此我们可以得到：
该公式不受产生重力场的物体的限制。重力场的单位为力除以质量的单位；在国际单位制上，被规定为N·kg（牛顿每千克）。
计算天体质量
(1)计算地球质量
若不考虑地球自转,地面上物体所受重力即地球对它的万有引力
mg=GmM/R2由此可得地球质量 M=gR2/G
(2)计算太阳质量
测量地球绕太阳公转周期,公转轨道半径,将轨道看成圆,匀速圆周运动向心力就是万有引力
即 GMm/R2=m(2π/T)2 R 地球质量为m, 太阳质量 M=4π2R3/GT2
运用类似方法已知人造卫星质量,卫星绕某天体运动的周期和轨道半径
可算出天体质量
估算天体密度
若设某天体半径R,卫星绕天体表面运行时,轨道半径为R,
又测得已知运行周期为T
设卫星质量为m 则 GMm/R2=m(2π/T)2R 天体质量M=4π2R3/GT2
体积V=4πR3/3 ρ=M/V=3π/GT2
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