*惯性定律:静止或做匀速直线运动的物体,如果没有外力作用,将保持静止或做匀速直线运动;
*加速度定律:作用于物体的合外力不为零时,物体将产生加速度,加速度大小和合外力成正比,和物体质量成反比,加速度方向和合外力方向相同;
*作用与反作用定律:两个物体的互相作用力,大小相等方向相反。
牛顿万有引力定律
牛顿万有引力定律:两个物体间存在互相吸引力,吸引力大小和两个物体质量乘积成正比,和两个物体间距离平方成反比。
式中F为引力,m1和m2为两个物体质量,r为两物体间的距离,G为万有引力常数(G=6.67×10-11牛顿·米²/千克²,即N·M²/kg²)。
因此,地球和月球间的牛顿万有引力为
下面我们以地球和月亮为例,证明地球和月球间的万有引力就是月球绕地球做圆周运动的向心力。
月球绕地球的圆周运动切向速度为:
υ月=2πr地-月/t
式中r地-月为月球和地球间的距离,t为月球绕地球圆周运动的时间。(www.xing528.com)
月球绕地球做圆周运动的向心加速度为:
a月=υ²月/r地-月=4π²r地-月/t²
根据牛顿运动第二定律,月球绕地球做圆周运动的向心力为
月球绕地球做圆周运动的向心力是否来自地-月间的万有引力问题就变成(1-3)式中的F向是否等于(1-2)’式中的F地-月。
若一个与月球质量相同的物体m月在地球表面上,即它到地心距离为r地(地球半径),它的重量(即地球对它的引力)为m月g,方向指向地心,g为重力加速度。当该物体移动到离地心距离为r地-月(月亮到地球的距离)远处时,它的重量变小,设为W。根据牛顿万有引力定律,引力和距离平方成反比关系,则两种情况的重量比为:
故得重量W(引力)
如果月球绕地球圆周运动的向心力确实是来自地-月间的引力W,则有(1-3)式值等于(1-4)式值,即
m月4π²r地-月/t²=m月gr²地/r²地-月
整理得
把t,g,r地及r地-月观察测量值代入(1-5)式,等式成立,证明月球绕地球圆周运动的向心力来自地球对月球的引力的假设是正确的(两者大小相等,方向相同)。
尽管开普勒定律阐明的是行星绕太阳的轨道运动,它们也适用于任意二体系统的运动,如地球和人造卫星等。牛顿的运动三定理(惯性定律、加速度定理和作用与反作用定律)和万有引力定律加上开普勒的行星运动定理构成今天的天体运动力学基础。
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