后来,人们认识到地球存在自转,是一个非惯性系,地表上(除两极外)所有“静止”的物体事实上都处在匀速圆周运动的状态中,因此,都存在向心加速度。但是,当我们仍然考查用绳子悬挂“静止”的物体时,它毕竟还是只会受到两个力的作用。两个力中,绳子张力T的性质是不会变的(大小和方向不会变),而两个力不再平衡,那么,另一个力(重力G)的分析就值得反省了。 牛顿发现万有引力之后,这个问题迎刃而解。现在,人们已经能够对地表上“静止”的悬挂物进行正确的受力分析——它受到绳子张力T和万有引力F的作用,T和F的合力ΣF即物体做圆周运动的向心力,(如图2所示)。由图可知,由于F指向地心O而ΣF指向物体做圆周运动的圆心O′,故T并不沿地球半径方向。 严格地说,有了这个分析后,物体的“重力”就不存在了。但是,由于人们一直是在地球上研究问题的,已经习惯了地球是惯性系的这种错觉。在这种错觉下,物体仍“平衡”,为了维护这种“平衡”,必须找到一个T的平衡力——这就是我们习惯认识中的重力。(由图2)不难看出,它的方向不会沿地球半径指向地心。当然,赤道和两极的物体除外,请自行画出赤道和两极重物的受力图并指出受力的关系。 把T矢量反向、成为G矢量后,和F矢量、ΣF矢量构成图3 。在(图3的)新平行四边形中,F处在“合力”位置。因此,也常常这样说:重力是万有引力的一个分力(另一个分力是物体做圆周运动的向心力)。至此,重力的性质就完全清楚了。 2、为什么万有引力近似的等于重力 重力概念的保留,纯粹是为了屈从人们的错误习惯吗?不完全是这样。因为,定量的计算表明,在地表,重力G和万有引力F的差别并不会很大 根据圆周运动知识, 其中ω为地球自转角速度, 。 r是物体到地轴的距离,设物体所在的纬度为θ ; 则 对于质量为1kg的物体: 而它受到的万有引力 G和 根据这个条件我们可以认为 3、地表上空的万有引力和重力 同步卫星的高度h = 3.58×107m≈5.60R地 ,故 简化为代数减法: ,重力不复存在。而在同步卫星上的物体都处于“漂浮”状态,用绳子悬挂时,T = 0 ,故G= 0 ,这个事实和刚才的计算是相符的。 但问题是,在非同步轨道的卫星上,不可能为 不能这样说,因为非同步的卫星相对地表不是静止的,并不能等效为地表上建立的高塔。用它上面悬绳张力T间接求G已经偏离重力的原始定义,这个0值就不是传统意义上的重力G 。 鉴于传统的重力G是一个假定物体平衡时出现的物理量,而在对待卫星时,已经没有人认为它是平衡的,所以对卫星讲“重力”没有实际意义。不过,因为在地表上存在的G≈F的关系,人们也习惯性地把卫星受到的万有引力说成是重力。所以,在看卫星上物体的失重问题时,视重为零,真重事实上指万有引力F——这和传统意义的重力G是不同的。 而在刚才的同步卫星中,传统意义的G为零,人们谈到的重力则是泛指地球对重物的引力F引,即 4、关联高考真题例析 例1:在地球两极和赤道的重力加速度大小分别为g1、g2,地球自转周期为T,万有引力常量为G,若把地球看作为一个质量均匀分布的圆球体,则地球的半径R等于多少?地球的密度等于多少? . A、v1/ v2= r / R B、a1/ a2=( r / R )2
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