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物理课时达标练必修二同步:第六章万有引力与航天第4课时万有引力定律的应用
应用1. 应用“割补法”引力
1.适用条件
一个质量均匀分布的球体与球外一个质点间的万有引力可以用公式F=G直接进行计算,但当球体被挖去一部分后,由于剩余部分形状不规则,公式F=G不再适用,此时可以用“割补法”求解万有引力。
2.应用割补法的基本思路
找到原来物体所受的万有引力、割去部分所受的万有引力、剩余部分所受的万有引力之间的关系。
所割去的部分为规则球体,剩余部分不再为球体时适合应用割补法。若所割去部分不是规则球体,则不适合应用割补法。
有一质量为M、半径为R的密度均匀球体,在距离球心O为2R的地方有一质量为m的质点,现在从M中挖去一半径为的球体,如图所示,则剩下部分对m的万有引力F为多大(引力常量为G)?
假设将被挖部分重新补回,则完整球体对质点m的万有引力为F1,F1可以看做是剩余部分对质点的万有引力F与被挖小球对质点的万有引力F2的合力,即F1=F+F2
:设被挖小球的质量为M′,其球心到质点间的距离为r′,由题意知M′=,r′=,由万有引力定律得
F1=G=G
F2=G=G
故F=F1-F2=
:本题易错之处为求F时将球体与质点之间的距离d当做两物体间的距离,直接用公式求解。求解时要注意,挖去球形空穴后的剩余部分已不是一个均匀球体,不能直接运用公式F=G进行计算,只能用割补法。
g的变化分析方法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.?
B.?
C.?
D.? 因质量分布均匀的球壳物体的引力为零,说明矿井深度为d处,重力加速度应为刨去壳厚度d剩下部分球体产生的引力。
:某星球一天的时间是T=6h 用弹簧测力计在星球的赤道上比在两极处测同一物体的重力时读数小10% 设想该星球自转的角速度加快,赤道上的物体会自动飘起来,这时星球的一天是多少小时?
题中“一天”的含义是指该星球自转的周期,弄清楚该星球对物体的万有引力与物体重力的区别,准确理解赤道上物体飘起了的物理含义,明确由于地球自转,使地球表面重力加速度。
:该物体在星球的“”上时重力为在两极处的重力为在“”处
①
在“两极”处 ②
依题意得
设该自转的角速度增加到赤道上的物体自动飘起来,是指地面与物体间没有相互作用力,物体受到星球的万有引力全部提供其随星球自转的向心力,则
④
又, ⑤
联立①②③④⑤式解得
应用3. 万有引力定律的综合应用与牛顿第二定律、平抛运动等知识综合物体在地球表面重在以m/s2的加速度上升的火箭中的视重为则此火箭离地球表面的距离为地球半径的多少倍?(表面处g0取10m/s2)物体的质量在地球表面的重力为g0,在离地球表面h高度时重力变为mg′,此时对物体受力分析,如图所示,物体受重力mg′弹簧测力计的拉力=9N,这两个力使物体m/s2的加速度,由以上的分析可得g0 g′的关系再由 求出h。
:0=16N,其中g0为地球表面的重力加速度,取10m/s2,
得出物体质量 m=1.6kg。
该物体放在火箭中,对物体进行受力分析,物体受重力G′和支持力N,
火箭中以a=5m/s2的加速度匀加速竖直向上,根据牛顿第二定律得: N-G′=ma
解得:G′=N-ma=9-1.6×5=1N,
由于不考虑地球自转的影响,根据万有引力等于重力得出:
在地球表面:,
在航天器中:
则,所以r=4R,
即此时火箭距地高度为h=r-R=3R。
宇航员站在一星球表面上的某高处,沿水平方向抛出一小球.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。若抛出时的初速度增大到2倍,则抛出点与落地点之间的距离为 L。已知两落地点在同一水平面上,该星球的半径为R,万有引力常量为G,求该星球的质量M。
本题是平抛与万有引力的综合应用,首先是审题注意意思,不能误认为是水平距离,另外,分析问题时要明确分析求解的关键物理量是重力加速度的。
由几何关系可知:L2=h2+x2 ①
(L)2=h2+(2x)2 ②
①②联立,得:h=L
设该星球表面的重力加速度为g
则竖直方向h=gt2 ③
又因为=mg(或GM=gR2) ④
由③④联立,得M=。
1.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,g0表示地球表面处的重力加速度,g′表示宇宙飞船所在处的重力加速度,FN表示人对台秤的压力,下列说法中正确的是( ).A .g′=0B .? C .FN
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