师:今天让我们一起来复习万有引力定律的基本知识和应用。我们的学习内容有三个:第一是万有引力公式的适用条件;第二是重力与万有引力的关系;第三是万有引力提供向心力。
我们知道,宇宙间的一切物体都是相互吸引的,它们之间的作用力(F = G\frac{M_1M_2}{r^2})。这个公式适用于两个质点或质量均匀分布的球体。(r)指的是两个质点之间的距离、球心到质点的距离以及球心到球心的距离。(G)是引力常量,由卡文迪许利用扭秤实验测出来。引力是一个矢量,它的方向沿着两质点的连线方向。
接下来,我们利用万有引力的公式看第一道例题:质量均匀分布的球对球外的质点(P)万有引力为(F),如果在球体中挖去一个小球,求剩余部分对质点(P)的万有引力大小。我们知道,万有引力公式只能用于求两个质点或者质量均匀分布的球体,挖去部分后的球体不再是质量均匀分布的球体,那该怎么求呢?我们可以把挖空的部分补上,先求出大球对质点(P)的引力(F),然后再减去小球对质点(P)的引力(F'),用(F - F')就能求出剩余部分对质点的引力。
下面我们根据这个思路来求解。大球对(P)点的万有引力可写成(F = G\frac{Mm}{(R + l)^2}),(R + l)指的是球心到(P)之间的距离。同样,小球对(P)点的万有引力(F'),写成(F' = G\frac{M'm}{(r + l)^2})。现在要求(F - F'),就需要先找到(M)和(M')的关系。小球从大球里面挖出来,它们密度相等。根据(M = \rho V),球的体积(V = \frac{4}{3}\pi r^3),可知质量和(r)的三次方成正比。题目告诉我们,(R:r = 2:1),因此(M:M' = 8:1),那么(F:F' = 8:1),即(F' = \frac{1}{8}F),(F - F' = \frac{7}{8}F)。所以这个题目选(C)选项。像这种把球体挖空部分补上,再减去补上部分对外面质点引力的方法,叫做割补法。割补法不仅能解决从中间挖空的球体问题,也能解决不从中间挖空的球体问题。通过这个题目,我们学到两个知识点:第一,万有引力公式只能用于两个质点或质量均匀分布的球体;第二,学会用割补法求非均匀分布球体的万有引力。
以上是对第一个知识点的复习,接下来看第二个知识点:重力和万有引力的关系。通过新课学习,我们知道万有引力并不总是等于重力。把物体放在赤道上,万有引力可表示为重力加上向心力;把物体放在两极,万有引力等于重力。因此在不同纬度,重力加速度不同,随着纬度增加,重力加速度变大。当然,向心力和万有引力差别不大,所以一般情况下我们忽略地球自转,认为万有引力约等于重力。
现在把小球放在离地面为(h)的高空中,小球受到地球给的万有引力(G\frac{Mm}{(R + h)^2}),这个万有引力等于重力,只是这里的重力加速度(g')不再是地面的重力加速度,它和(h)有对应关系,随着(h)增加,重力加速度变小。
学到这里,我们把天上和地上的知识结合起来了。在不考虑地球自转的情况下,万有引力等于重力,加速度随高度增加而变小。接下来用这个知识看两道例题。
首先看第一道题:忽略地球自转,一个物体在地球表面重力为(mg),现在把这个物体放在离地面有一定高度的地方,它的重力变为多少?为什么不同高度重力不相等呢?因为重力加速度随高度变化,所以找到重力加速度和高度的关系就能解决问题。
利用万有引力等于重力,得到(g' = G\frac{M}{(R + h)^2}),发现高度越大,重力加速度越小。物体放在地面上,此时高度(h = 0),重力加速度(g = G\frac{M}{R^2})。现在(h = 2R),则重力加速度(g' = G\frac{M}{(3R)^2} = \frac{1}{9}g)。所以这个题目的答案选(D)选项。
通过这个题目,我们学到要求物体在不同高度的重力大小,就要找到重力加速度和高度之间的关系。接下来看第二道例题:把地球看作质量均匀分布的球体,已知地球的重力加速度在两极为(g_0),在赤道为(g),地球自转周期为(T),要求地球的质量。为什么在两极和赤道重力加速度(g)不同呢?因为受地球自转影响,万有引力要分出一个分力为物体提供圆周运动的向心力。
要求地球的质量,需要利用万有引力和重力的关系求解。下面来解这道题。在两极,万有引力等于重力(mg_0),根据这个表达式,两边的(m)可以约掉。想要求(M),还需要知道地球半径(R),但题目没给,所以需要多一条表达式。利用物体在赤道上万有引力等于重力加上向心力,把两条式子联立起来,写成(mg_0 = mg + m(\frac{2\pi}{T})^2R)。同学们看这条式子,会发现两极的重力和赤道上的重力就差一个向心力。根据这条式子就能把半径(R)求解出来,代回去就能找到地球的质量。
