要回答這個問題,你首先要明白:
(1)重力是如何產(chǎn)生的;
(2)地球自轉(zhuǎn)影響重力。
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
F=frac{GMm}{R^{2}}
式中,G為萬有引力常數(shù),是一個不變的量。 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。
那么如果萬有引力等于萬有引力,那么
frac{GMm}{R^{2}}=mg,
g=frac{GM}{R^{2}}
看來,既然地球可以近似地看成一個球體,那么g應(yīng)該是一個常數(shù)值。 不是這種情況。
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。
那么,如果一個物體可以做勻速圓周運動(勻速圓周運動),那么它所受的力是多少呢?
顯然北極重力加速度,為了使物體以勻速做圓周運動,它必須有一個指向圓心的力。 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}}。
T是物體的旋轉(zhuǎn)周期,R是物體到旋轉(zhuǎn)軸的距離。
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。
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,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。
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。
地球自轉(zhuǎn)的影響在不同的緯度是不同的,因為不同緯度的物體距地軸的距離不同,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。
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。
事實上,力是一個矢量,它的合成和分解并不是那么簡單。 像上面直接討論是不嚴謹?shù)摹?span style="display:none">Zr8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問題。
原文是我的專欄
高中的每個人都知道重力加速度。 其實大家早在初中就開始接觸這個東西了。
重力公式G=mg
式中,G為問題上的重力,m為物體的質(zhì)量,g被認為是初中重力與質(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。 高中時物體做自由落體運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。 細心的同學(xué)在學(xué)習(xí)自由落體運動時會立即發(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)牛頓第二定律的時候,我發(fā)現(xiàn)確實是這樣的。 第二門必修課學(xué)習(xí)萬有引力時,會教你推導(dǎo)g。
【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,認為物體對地球表面所施加的萬有引力等于萬有引力。
GMm/R2=毫克
g=GM/R2①
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">Zr8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)
但是,地球會自轉(zhuǎn),自轉(zhuǎn)時會有離心慣性力。 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分量來提供物體跟隨地球自轉(zhuǎn)所需的向心力。 兩種表達方式都很好。 當(dāng)兩極與地軸距離為零時,由于an=mω2r=0,離心慣性力消失,萬有引力等于重力。 此時,g=GM/R2。
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/T2②
現(xiàn)在我們要計算任意緯度的重力加速度。 所謂緯度,就是地球表面某一點到地心的連線與赤道所在平面的夾角。 這個角度就是該點的緯度。假設(shè)某點的緯度為θ,地球自轉(zhuǎn)周期為T,半徑為R,那么受力分析如圖
由余弦定理
③
討論:當(dāng)θ=0(在赤道處)時,cosθ=1。 根據(jù)完全平方公式,g=GM/R2-4π2R/T2,與式②相同。
當(dāng)θ=90°時,cosθ=0,g=GM/R2,與式①相同。
我們來驗證一下是否正確。 取G=6.-11N·m2/kg2,M=5.,R=,令θ=45°,代入式③(見圖),可得g=9./s2
事實上,θ=45°時得到的重力加速度值就是標準值。 g的標準值為9.80665 m/s2,計算值與實際值相差近0.02m/s2。兩極點和赤道分別計算
g極=9./s
2gred=9./s2
實際結(jié)果是g極=9.832m/s2,g紅=9./s2
錯誤從何而來? 讓我們回憶一下高中地理必修課——地球的形狀。 地球不是一個完美的球體,而是一個不規(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橢圓,則其長半軸a=,短半軸b=,橢圓的參數(shù)方程可寫為
在
改寫方程③
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。 因此計算北極重力加速度時必須加上18.9m。
結(jié)果是 g 北極 = 9./s2,g 赤道 = 9./s2。
與實際g極=9.832m/s2相比,g紅=9./s2
誤差變小了,但是結(jié)果還是太大了。 我認為原因是地球的質(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。
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(引力場強度)沒有貢獻,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。
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。
總結(jié):物理理論就是這樣發(fā)展起來的,一步步接近實際情況。 在誤差容忍范圍內(nèi),物理模型可以非常簡化。 但為了更接近真實情況,一些簡單的理論可能并不適用。