我们已经学过了关于两个质点之间万有引力的大小是:F=.但是,在某些特殊情况下,非质点之间的万有引力计算及其应用...
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我们已经学过了关于两个质点之间万有引力的大小是:F=.但是,在某些特殊情况下,非质点之间的万有引力计算及其应用的问题,我们可以利用下面两个已经被严格*是正确的结论,而获得快速有效地解决:
a.若质点m放置在质量分布均匀的大球壳M(球壳的厚度也均匀)的空腔之内,那么m和M之间的万有引力总是为零.
b.若质点m放置在质量分布均匀的大球体M之外(r≥r0),那么它们之间的万有引力为:F=,式中的r为质点m到球心之间的距离; r0为大球体的半径.
假设地球可视为一个质量分布均匀且密度为ρ的球体,通过地球的南北两极之间能够打通一个如图所示的真空小洞.若地球的半径为R,万有引力常数为G,把一个质量为m的小球从北极的洞口由静止状态释放后,小球能够在洞内运动.
(1)求:小球运动到距地心为0.5R处的加速度大小a;
(2)*:小球在洞内做简谐运动;
(3)求:小球在运动过程中的最大速度vm.
【回答】
(1) (2) 做简谐运动(3)
【详解】
解:(1)根据题意可知,小球距离地心为r=0.5R处万有引力大小
又
由牛顿第二定律可知
三式联立可得:
(2)假设小球相对于球心的位移是x,则有:
又
两式联立可得:
考虑万有引力F的方向总是指向地心,即F的方向和小球相对于地心的位移x的方向总是方向相反的, 若令 :
则有:
结论:小球在洞内做简谐振动.
(3) 由可知,从洞口到地心,小球的万有引力大小F是随着做功的距离线*减少的
所以
所以
知识点:万有引力理论的成就
题型:解答题
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