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我盡量寫得初中生能看懂吧:重力

2024-04-02 11:55:54教學(xué)視頻45

要回答這個(gè)問題,你首先要明白:LtH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

(1)重力是如何產(chǎn)生的;LtH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

(2)地球自轉(zhuǎn)影響重力。LtH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

初中物理中,重力是由于地球的吸引力而在地球表面附近出現(xiàn)的問題。 地球之所以吸引物體,顯然是由于萬有引力所致。根據(jù)萬有引力定律LtH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

F=frac{GMm}{R^{2}}LtH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

式中,G為萬有引力常數(shù),是一個(gè)不變的量。 Mm是地球質(zhì)量與物體質(zhì)量的乘積,R^2是物體到地心的距離。LtH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

那么如果萬有引力等于萬有引力,那么LtH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

frac{GMm}{R^{2}}=mg,LtH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

g=frac{GM}{R^{2}}LtH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

看來,既然地球可以近似地看成一個(gè)球體,那么g應(yīng)該是一個(gè)常數(shù)值。 不是這種情況。LtH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

我們知道,如果物體上的合力與速度方向不同,則該物體將沿曲線移動。LtH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

那么,如果一個(gè)物體可以做勻速圓周運(yùn)動(勻速圓周運(yùn)動),那么它所受的力是多少呢?LtH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

顯然北極重力加速度,為了使物體以勻速做圓周運(yùn)動,它必須有一個(gè)指向圓心的力。 這里,在沒有證明的情況下,給出了向心力的公式 F=mfrac{4pi^{2}R}{T^{2}}。LtH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

T是物體的旋轉(zhuǎn)周期,R是物體到旋轉(zhuǎn)軸的距離。LtH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

我們知道,如果地球自轉(zhuǎn),物體就必須隨地球一起轉(zhuǎn)動,而自轉(zhuǎn)需要向心力。LtH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

那么從公式F=mfrac{4pi^{2}R}{T^{2}}可以看出,物體距離旋轉(zhuǎn)軸越遠(yuǎn),需要的向心力越大。 赤道面上的物體到地軸的距離明顯大于其他地方到地軸的距離,因此其自轉(zhuǎn)所需的向心力更大,而向心力只能由重力提供。LtH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

因此,除極地地區(qū)外,地球表面的其他地方都不同程度地受到地球自轉(zhuǎn)的影響,導(dǎo)致萬有引力具有維持物體隨地球自轉(zhuǎn)的分量。 并且留給重力的分力變小。LtH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

地球自轉(zhuǎn)的影響在不同的緯度是不同的,因?yàn)椴煌暥鹊奈矬w距地軸的距離不同,所以不同地區(qū)的g是不同的。 極地R=0,因此不受地球自轉(zhuǎn)影響,g最大。LtH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

我們還注意到g=frac{GM}{R^{2}}北極重力加速度,R是物體到地心的距離,因此海拔越高g會越小。LtH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

事實(shí)上,力是一個(gè)矢量,它的合成和分解并不是那么簡單。 像上面直接討論是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹?span style="display:none">LtH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

我們把g稱為重力加速度,接下來我會從更高的角度來討論這個(gè)問題。LtH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

原文是我的專欄LtH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

高中的每個(gè)人都知道重力加速度。 其實(shí)大家早在初中就開始接觸這個(gè)東西了。LtH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

重力公式G=mgLtH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

式中,G為問題上的重力,m為物體的質(zhì)量,g被認(rèn)為是初中重力與質(zhì)量的比值,常取9.8N/kg或10N/kg 。 不同緯度g的大小不同,但差別不大。 高中時(shí)物體做自由落體運(yùn)動的加速度稱為自由落體加速度,也稱為重力加速度。 常取9.8m/s2或10m/s2。 不同緯度g的大小不同,但差別不大。 細(xì)心的同學(xué)在學(xué)習(xí)自由落體運(yùn)動時(shí)會立即發(fā)現(xiàn),這不就是G=mg的g嗎? 然后當(dāng)我學(xué)習(xí)相互作用的時(shí)候,我發(fā)現(xiàn)好像是這樣的,當(dāng)我學(xué)習(xí)牛頓第二定律的時(shí)候,我發(fā)現(xiàn)確實(shí)是這樣的。 第二門必修課學(xué)習(xí)萬有引力時(shí),會教你推導(dǎo)g。LtH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

【本次討論的前提是物體處于地球表面高度為0的位置】忽略地球自轉(zhuǎn)時(shí),認(rèn)為物體對地球表面所施加的萬有引力等于萬有引力。LtH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

GMm/R2=毫克LtH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

g=GM/R2①LtH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

式中,G為萬有引力常數(shù),M為地球質(zhì)量,R為地球半徑。常乘以R2,變?yōu)?span style="display:none">LtH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

GM=gR2 稱為黃金替代(你看不到黃金在哪里)LtH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

但是,地球會自轉(zhuǎn),自轉(zhuǎn)時(shí)會有離心慣性力。 重力是萬有引力和離心慣性力的合力。 換句話說,萬有引力必須有一個(gè)分量來提供物體跟隨地球自轉(zhuǎn)所需的向心力。 兩種表達(dá)方式都很好。 當(dāng)兩極與地軸距離為零時(shí),由于an=mω2r=0,離心慣性力消失,萬有引力等于重力。 此時(shí),g=GM/R2。LtH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

在赤道處,重力一部分提供向心力,一部分變成重力,g=GM/R2-4π2R/T2②LtH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

現(xiàn)在我們要計(jì)算任意緯度的重力加速度。 所謂緯度,就是地球表面某一點(diǎn)到地心的連線與赤道所在平面的夾角。 這個(gè)角度就是該點(diǎn)的緯度。假設(shè)某點(diǎn)的緯度為θ,地球自轉(zhuǎn)周期為T,半徑為R,那么受力分析如圖LtH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

由余弦定理LtH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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討論:當(dāng)θ=0(在赤道處)時(shí),cosθ=1。 根據(jù)完全平方公式,g=GM/R2-4π2R/T2,與式②相同。LtH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

當(dāng)θ=90°時(shí),cosθ=0,g=GM/R2,與式①相同。LtH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

我們來驗(yàn)證一下是否正確。 取G=6.-11N·m2/kg2,M=5.,R=,令θ=45°,代入式③(見圖),可得g=9./s2LtH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

事實(shí)上,θ=45°時(shí)得到的重力加速度值就是標(biāo)準(zhǔn)值。 g的標(biāo)準(zhǔn)值為9.80665 m/s2,計(jì)算值與實(shí)際值相差近0.02m/s2。兩極點(diǎn)和赤道分別計(jì)算LtH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

g極=9./sLtH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

2gred=9./s2LtH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

實(shí)際結(jié)果是g極=9.832m/s2,g紅=9./s2LtH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

錯(cuò)誤從何而來? 讓我們回憶一下高中地理必修課——地球的形狀。 地球不是一個(gè)完美的球體,而是一個(gè)不規(guī)則的球體,兩極稍微扁平,赤道稍微凸出。 地球的平均半徑為6371公里,最大周長約為4萬公里。 地球的平均赤道半徑為6378.38公里,極地半徑為6356.89公里。 公里。 測量還發(fā)現(xiàn),北極地區(qū)高約18.9米,而南極地區(qū)低24至30米。 我們將地球通過地軸的橫截面視為一個(gè)橢圓,則其長半軸a=,短半軸b=,橢圓的參數(shù)方程可寫為LtH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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改寫方程③LtH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

引入θ=45°和其他數(shù)據(jù),我們得到g=9./s2。 誤差僅為0.005m/s2,比以前小很多。 讓我們計(jì)算一下北極和赤道處的重力加速度。 值得注意的是,北極地區(qū)高約18.9米,而南極地區(qū)低24至30米。 因此計(jì)算北極重力加速度時(shí)必須加上18.9m。LtH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

結(jié)果是 g 北極 = 9./s2,g 赤道 = 9./s2。LtH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

與實(shí)際g極=9.832m/s2相比,g紅=9./s2LtH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

誤差變小了,但是結(jié)果還是太大了。 我認(rèn)為原因是地球的質(zhì)量分布不均勻,導(dǎo)致質(zhì)心與地球的幾何中心不重合。 也有可能數(shù)據(jù)中地球的質(zhì)量太大。LtH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

我又想,是否根據(jù)高斯定理,地球大氣層的引力對引力加速度(引力場強(qiáng)度)沒有貢獻(xiàn),導(dǎo)致結(jié)果偏大。 我估算了大氣層的質(zhì)量,發(fā)現(xiàn)比地球總質(zhì)量小6個(gè)數(shù)量級,可以納入地球質(zhì)量的誤差范圍。 所以猜想不成立。LtH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

萬有引力常數(shù)的測量迄今為止精度還不是很高,所以我們一般都會忽略它。LtH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

總結(jié):物理理論就是這樣發(fā)展起來的,一步步接近實(shí)際情況。 在誤差容忍范圍內(nèi),物理模型可以非常簡化。 但為了更接近真實(shí)情況,一些簡單的理論可能并不適用。LtH物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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