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        重力場(chǎng)強(qiáng)度在高中物理中的應(yīng)用

        2022-03-30 12:42:15尹亞鋒
        文理導(dǎo)航 2022年15期
        關(guān)鍵詞:高中物理應(yīng)用

        尹亞鋒

        【摘? 要】航空航天事業(yè)蓬勃發(fā)展成為我國向世界展現(xiàn)高科技水平的有力證明,同時(shí)也不斷推陳出新從而拓展了高中物理考題的范疇,將萬有引力和航天常識(shí)點(diǎn)推向高考輿論的漩渦中心。翻閱近些年全國各地高中考試物理考題,萬有引力和航天常識(shí)相關(guān)考點(diǎn)千變?nèi)f化,立題獨(dú)特,實(shí)踐性強(qiáng)。而學(xué)生需參考題目相關(guān)信息來解答題目,部分學(xué)生根本無法理解題目的基本意思,從而無法著手來解答。接下來順著此思路展開論述。

        【關(guān)鍵詞】重力場(chǎng)強(qiáng)度;高中物理;應(yīng)用

        目前,給重力加速度下一個(gè)狹義的定義則為重力場(chǎng)強(qiáng)度,具體為處于地球外表面及其附近的單位質(zhì)量質(zhì)點(diǎn)所承受的重力。借用類比方法把狹隘的重力場(chǎng)強(qiáng)度延伸至地下或高空中,推演出重力場(chǎng)強(qiáng)度的一般表述方法?;诖?,一般化重力場(chǎng)強(qiáng)度針對(duì)解決某些地球引力難題有必要的幫助。

        一、重力場(chǎng)強(qiáng)度具體展現(xiàn)形式

        庫侖定律闡述了電荷之間的互相干擾規(guī)律;萬有引力定律描述了質(zhì)點(diǎn)之間的互相干擾規(guī)律。二者相關(guān)數(shù)據(jù)的展現(xiàn)公式極為類似,力的大小與距離平方成反比。而靜電力無法產(chǎn)生電荷之間的碰撞,電荷之間的共同干擾則能夠經(jīng)過電場(chǎng)來傳送。跟其非常相似的質(zhì)點(diǎn)之間的互相干擾,且不用物體直接觸碰,而力主要經(jīng)過引力場(chǎng)來完成傳遞。然而,地球外表面及其附近物體遭受地球引力,則力經(jīng)過重力場(chǎng)實(shí)現(xiàn)傳導(dǎo)影響。

        電場(chǎng)強(qiáng)弱程度如何全面闡述清楚,物理學(xué)家引入了電場(chǎng)強(qiáng)度的概念。尤其是在重力的常識(shí)學(xué)習(xí)當(dāng)中,學(xué)生們非常熟知的為重力加速度。此為重力場(chǎng)強(qiáng)度的特殊例子。

        然而,大學(xué)物理教學(xué)針對(duì)電場(chǎng)探究加深了了解,但針對(duì)重力場(chǎng)的探究非常少?;蛟S部分學(xué)者認(rèn)為重力場(chǎng)已在高中時(shí)段探究過,在大學(xué)物理中無須拿出來繼續(xù)探究。但是,高中教學(xué)只是針對(duì)重力場(chǎng)的基本含義給出了具體闡述,并沒有進(jìn)行深層次的系統(tǒng)探討。

        大學(xué)物理授課實(shí)踐中,帶電球體內(nèi)部以及四邊電場(chǎng)強(qiáng)度借用高斯定理可獲取結(jié)果。當(dāng)r≥R時(shí),通過高斯定理 ∮,·d =qi/ε0,得出4πr2E=πR3τ/ε0 E=;當(dāng)r

        在高中物理學(xué)實(shí)踐中,庫侖定律呈現(xiàn)方法為:F=k,對(duì)比二者系數(shù)獲得K=,綜合以上公式得到:E=

        高中與大學(xué)物理教學(xué)中針對(duì)重力場(chǎng)強(qiáng)度的講解非常概括,或者完全無講解。所以,平方反比律則要借助庫侖引力和萬有引力來實(shí)現(xiàn),力的數(shù)學(xué)體現(xiàn)基本相等。如何將τ電荷體密度替換成P地球密度,K庫侖常量替換成G萬有引力常數(shù),E電場(chǎng)強(qiáng)度代替成為重力場(chǎng)強(qiáng)度g,則公式替換成為:g=,r≧R,r

        二、重力場(chǎng)強(qiáng)度的具體使用

        例1:假設(shè)地球本身是質(zhì)量分布均勻的實(shí)心球體,R表示半徑,O表示球心。通過O軸心點(diǎn),建立一維直線坐標(biāo)軸o,x。其g體現(xiàn)為x軸上數(shù)個(gè)方位重力加速度大小,而go展示地球外部所處位置重力加速度大小,嘗試畫出g隨著x的變化聯(lián)系圖。

        解析:通過上述公式替換獲知:在小于地球半徑時(shí),重力加速度和距離成正比;在大于地球半徑時(shí),重力加速度和距離平方成反比。

        例2:推定地球自身為質(zhì)量分配均勻的實(shí)心球體,R當(dāng)作半徑,d表示地球方位中深度礦井。核算出礦井下部和地球外部面方位重力加速度大小對(duì)比。

        解析:把上述公式替換代入對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù),最終獲知:go==,gd==,隨后兩個(gè)公式相除獲得結(jié)果為:=。

        三、地面慣性參考系當(dāng)中借助牛頓第二定律解析浮力

        自然界中存在一種坐標(biāo)系,在這種坐標(biāo)系中,當(dāng)物體不受力時(shí)將保持勻速直線運(yùn)動(dòng)或靜止?fàn)顟B(tài),這樣的坐標(biāo)系稱為慣性參照系。地面和相對(duì)于地面靜止或作勻速直線運(yùn)動(dòng)的物體可以看作慣性參照系,牛頓第二定律只在慣性參照系中才成立。若坐標(biāo)系本身就在變速運(yùn)動(dòng)(非慣性參考系)時(shí),是不滿足f=ma的。舉個(gè)最簡(jiǎn)單的例子,兩個(gè)同時(shí)同向同加速度的物體在一起運(yùn)動(dòng),速度每個(gè)時(shí)刻都相同。此時(shí)假如物體A以物體B為參考系,就是靜止的,而不是變速運(yùn)動(dòng)。

        浮力具體指液體針對(duì)入浸物體的壓力差值,所以率先探討在超重與失重情況下的液體壓強(qiáng)。當(dāng)液體與容器具備豎直朝上的加速度a,液體位于超重情況,就需要清楚液面之下h深位置豎直向上或向下的壓強(qiáng),需假想在h深位置存在水平放置平面微元,s是面積,核算出此平面上方高為h液柱針對(duì)此底面壓強(qiáng)與底面對(duì)液柱壓強(qiáng)。

        然而,液柱遭受向下重力mg與向上支持力N,隨后做加速度為a的勻加速運(yùn)動(dòng)。通過牛頓第二定律,具體為N-mg=ma,因此N=m(g+a),所以底面對(duì)于液柱向上壓強(qiáng)為P=====P(g+a)h,其液體密度為p。其他因素針對(duì)液柱假設(shè)平面微元壓力N與假設(shè)平面微元針對(duì)液柱支持力為一對(duì)作用力與反作用力,通過牛頓第三定律,N'=N,所以液柱針對(duì)底面向下壓強(qiáng)為P'===p(g+a)h。

        所以,在液體通過向上加速度a運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),其液面下深h位置,通過液重形成向上或向下壓強(qiáng)都是p(g+a)h。推算出此超重情況下液體內(nèi)部壓強(qiáng)計(jì)算公式,學(xué)生可針對(duì)入浸液體當(dāng)中物體所受浮力實(shí)施探討。為了讓問題簡(jiǎn)便,推定入浸物體為正方體,邊長(zhǎng)是L,上下兩底正好跟液體表面平行,確保自始至終跟容器相對(duì)靜止,正方體底部中央和容器底部通過細(xì)桿固定連接。此時(shí)液體作用在各個(gè)相對(duì)側(cè)面上壓力,所以互相對(duì)稱而抵消,不用考量。作用在上下底壓強(qiáng)分別等于p(g+a)h1、p(g+a)h2,因此,作用于上下底壓力分別是F1=P1S=p(g+a)h1L2,F(xiàn)2=P2S=p(g+a)h2L2,其F1為豎直向下,F(xiàn)2為豎直向上,作用在正方體的合力為F,等同于F2與F1的差額,即F浮=F2-F1=p(g+a)(h1-h2)L2=p(g+a)L3=p(g+a)V浮,當(dāng)中V浮為物體排水面積。

        假設(shè)入浸物體排水面積是V,然而圖體形狀不規(guī)則,則需把其當(dāng)作由若干個(gè)大小不對(duì)等,且形狀類似的正方體構(gòu)成,當(dāng)中各個(gè)小正方體承受的浮力均可按照以上算法計(jì)算,隨后各個(gè)相加,所得數(shù)值應(yīng)該是此物體所承受浮力,即有F浮=p(g+a)V,公式當(dāng)中p是液體密度,物體體積為V。

        四、豎直加速參照系當(dāng)中植入慣性力求浮力

        液體與容器做豎直向上加速度是a的勻加速運(yùn)轉(zhuǎn),液體當(dāng)中假設(shè)有隨意形狀水塊,把此水塊當(dāng)作剛體,此水塊與容器基本靜止,針對(duì)地面豎直向上加速度是a非慣性系當(dāng)中觀察,此水塊遭受豎直向下重力G,豎直向下慣性力F慣,豎直向上浮力F浮,水塊位于靜止情況,其F浮=F慣+G=mg+ma=p(g+a)V,其中V是水塊體積。此狀況能使用一個(gè)大小或形狀相同物體所代替,此物體承受浮力與大小、形狀等同水塊所承受浮力。

        隨之具備向上加速度a液體針對(duì)入浸當(dāng)中物體浮力大小是p(g+a)V ,此數(shù)值大于平衡情況下液體針對(duì)其浮力。

        假設(shè)容器關(guān)聯(lián)液體具備向下加速度,即為液體位于失重情況,入浸液體當(dāng)中物體承受浮力計(jì)算和超重狀況下計(jì)算等同。設(shè)置向下加速度大小是a(≤g),物體排水體積V,據(jù)推理獲得,入浸物體承受浮力F浮=

        p(g-a)V,其a=g物體位于完全失重情況。當(dāng)不受浮力時(shí),物體則做自由落體運(yùn)轉(zhuǎn)。

        總之,在超重情況下液體的浮力逐漸增大,失重情況下液體浮力逐漸變小,完全失重情況下液體浮力為零。

        探討了超重與失重情況下液體具體浮力數(shù)值,學(xué)生可借助其處理日常遇到的難題。比如:一個(gè)盛水容器內(nèi)漂浮著木塊,在容器做自由落體運(yùn)動(dòng)時(shí),計(jì)算承受浮力則為零,即為不受浮力。此外,有一個(gè)盛水容器內(nèi)漂浮著木塊,容器向上加速過程中,木塊吃水深度則維持不動(dòng)。

        五、解答勻強(qiáng)電場(chǎng)中拋體運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象

        舉例,當(dāng)在場(chǎng)強(qiáng)是E,水平向右的勻強(qiáng)電場(chǎng)當(dāng)中,通過初速度V0豎直向上拋出一個(gè)質(zhì)量是m,電荷量是+q的帶電小球,求解:第一,小球在運(yùn)行實(shí)踐中的最小速率;第二,由拋出至速度最小歷經(jīng)時(shí)間是多少,且空間阻力不計(jì)算在內(nèi)。

        分析:小球在運(yùn)行實(shí)踐中受到重力mg與電場(chǎng)力Eq即恒力作用下,將此兩個(gè)力合力當(dāng)作等效重力,此問題則轉(zhuǎn)化成了重力場(chǎng)當(dāng)中的斜上拋運(yùn)動(dòng),可采取運(yùn)動(dòng)解析的方式求解。首先,重力與電場(chǎng)力合力是+(Eq)2,其為等效重力大小,方向和豎直向下成了θ角,順沿此方向向上為y軸正方向,垂直y軸向右為x軸正方向創(chuàng)建坐標(biāo)系,隨后沿x軸方向小球不受力,直接形成勻速直線運(yùn)動(dòng),即為Vx=V0sinθ確保不改變,順沿y軸方向小球受等效重力影響,率先執(zhí)行勻減速直線運(yùn)動(dòng)之后,再做勻加速直線運(yùn)動(dòng),加速度大小為a=,方向沿y軸負(fù)方向,因此,Vy=V0sinθ-at。所以,在Vy=0時(shí),小球速度最小,同時(shí)最小速度為V=Vx=V0sinθ,通過sinθ=,得知最小速度為V=V0。

        由此看出,此題日常分析方法為創(chuàng)建正常坐標(biāo)系,把小球的運(yùn)動(dòng)分解為水平向右的勻加速直線運(yùn)動(dòng)與豎直上拋運(yùn)動(dòng),在合速度和合理垂直時(shí)速度最小。

        總而言之,本文利用類比法推理出重力強(qiáng)度常用計(jì)算公式,進(jìn)而提升了重力場(chǎng)難題不單是限制研究地球外部表面及其附近,重力加速度的開拓給學(xué)生探究地球引力相關(guān)難題開啟了全新的視角,加深了其對(duì)萬有引力和航天常識(shí)的了解。

        【參考文獻(xiàn)】

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