【題目】萬(wàn)有引力定律發(fā)現(xiàn)的歷史是物理學(xué)中一段波瀾壯闊的歷史,開(kāi)普勒、牛頓等科學(xué)家都貢獻(xiàn)了自己的智慧。開(kāi)普勒在第谷留下的浩繁的觀測(cè)數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了行星運(yùn)動(dòng)的三大定律: ①所有行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的軌道都是橢圓,太陽(yáng)處在橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上;②對(duì)任意一個(gè)行星來(lái)說(shuō),它與太陽(yáng)的連線在相等時(shí)間內(nèi)掃過(guò)相等的面積;③所有行星的軌道的半長(zhǎng)軸的三次方跟它的公轉(zhuǎn)周期的二次方的比值都相等,即:。牛頓是經(jīng)典物理學(xué)的集大成者,他利用數(shù)學(xué)工具和開(kāi)普勒定律發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力定律之時(shí),雖未得到萬(wàn)有引力常量G的具體值,但在不停的思考中猜想到:拉住月球使它圍繞地球運(yùn)動(dòng)的力與使蘋果落地的力,是否都是地球的引力,并且都與太陽(yáng)和行星間的引力遵循統(tǒng)一的規(guī)律--平方反比規(guī)律?牛頓給出了著名的月地檢驗(yàn)方案:他認(rèn)為月球繞地球近似做勻速圓周運(yùn)動(dòng),首先從運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度計(jì)算出了月球繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心加速度an1;他又從動(dòng)力學(xué)的角度計(jì)算出了物體在月球軌道上的向心加速度an2。他認(rèn)為可以通過(guò)比較兩個(gè)加速度的計(jì)算結(jié)果是否一致驗(yàn)證遵循統(tǒng)一規(guī)律的猜想。

1)牛頓對(duì)于萬(wàn)有引力定律的推導(dǎo)過(guò)程嚴(yán)謹(jǐn)而繁瑣,中學(xué)階段可以借鑒牛頓的思想(即從運(yùn)動(dòng)角度推理物體的受力)由簡(jiǎn)化的模型得到。若將行星繞太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)視為勻速圓周運(yùn)動(dòng),圓周運(yùn)動(dòng)半徑為 r,行星質(zhì)量為 m ,太陽(yáng)質(zhì)量為 M,請(qǐng)你結(jié)合開(kāi)普勒定律、圓周運(yùn)動(dòng)、牛頓定律等知識(shí),證明:太陽(yáng)與行星之間的引力與它們質(zhì)量的乘積成正比,它們距離平方成反比,即:。

2)牛頓時(shí)代已知如下數(shù)據(jù):月球繞地球運(yùn)行的周期T、地球半徑R、月球與地球間的距離60R、地球表面的重力加速度g

a.請(qǐng)你分別從運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度和動(dòng)力學(xué)的角度推導(dǎo)出月地檢驗(yàn)中的兩個(gè)加速度an1、an2的大小表達(dá)式;

b.已知月球繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)的周期約為T=2.4×106s,地球半徑約為R=6.4×106m,計(jì)算時(shí)可取g≈π2 m/s2。結(jié)合題中的已知條件,求上述兩個(gè)加速度大小的比值an1/an2(保留兩位有效數(shù)字),并得出合理的結(jié)論。

【答案】(1)見(jiàn)解析;(2)a. b.

【解析】

1)由牛頓第二定律可知,行星做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力等于行星與恒星之間的引力:

根據(jù)開(kāi)普勒第三定律可知:

由①②可知

由對(duì)稱性,可知

根據(jù)牛頓第三定律可知,力的作用是相互的,可知

從而可知:

2a.月球繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng),由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式:

解得:

質(zhì)量為m的物體在地面上受到的重力:

質(zhì)量為m的物體在月球軌道上受到的引力:

解得:

b.由以上結(jié)果得:

代入已知數(shù)值得:

由以上結(jié)果可以看出,在誤差范圍內(nèi)可認(rèn)為a1=a2,這說(shuō)明物體在地面上所受重力與地球吸引月球的力是同一性質(zhì)的力,遵循與距離的平方成反比的規(guī)律.

練習(xí)冊(cè)系列答案
相關(guān)習(xí)題

科目:高中物理 來(lái)源: 題型:

【題目】如圖所示,兩個(gè)質(zhì)量相等的物體A、B從同一高度沿不同傾角(α<β)的兩光滑斜面由靜止自由滑下,在到達(dá)斜面底端的過(guò)程中,下列說(shuō)法正確的是(  )

A. 兩物體所受重力的沖量相同

B. 兩物體所受合外力的沖量相同

C. 兩物體動(dòng)量的變化量相同

D. 兩物體動(dòng)能的變化量相同

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科目:高中物理 來(lái)源: 題型:

【題目】如圖所示,空間有一水平勻強(qiáng)電場(chǎng),在豎直平面內(nèi)有一初速度為v0的帶電微粒,沿圖中虛線由A運(yùn)動(dòng)至B,其能量變化情況是(重力不能忽略)( )

A. 動(dòng)能減少,重力勢(shì)能增加,電勢(shì)能增加

B. 動(dòng)能減少,重力勢(shì)能增加,電勢(shì)能減少

C. 動(dòng)能不變,重力勢(shì)能增加,電勢(shì)能減少

D. 動(dòng)能增加,重力勢(shì)能增加,電勢(shì)能減少

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科目:高中物理 來(lái)源: 題型:

【題目】如圖所示,啞鈴狀玻璃容器由兩段粗管和一段細(xì)管連接而成,容器豎直放置,容器粗管的截面積為S1=2cm2,細(xì)管的截面積S2=1cm2,開(kāi)始時(shí)粗、細(xì)管內(nèi)水銀長(zhǎng)度分別為h1=h2=2cm,整個(gè)細(xì)管長(zhǎng)為4 cm,封閉氣體長(zhǎng)度為L=6cm,大氣壓強(qiáng)為P0=76cmHg,氣體初始溫度為27℃,求:

①第一次若要使水銀剛好離開(kāi)下面的粗管,封閉氣體的溫度應(yīng)為多少K;

②第二次若在容器中再倒入同體積的水銀,且使容器中氣體體積不變,封閉氣體的溫度應(yīng)為多少K.

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科目:高中物理 來(lái)源: 題型:

【題目】如圖所示,將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定在鐵架臺(tái)上,用重物帶動(dòng)紙帶從靜止開(kāi)始自由下落,利用此裝置可驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。

①除打點(diǎn)計(jì)時(shí)器(含紙帶、復(fù)寫紙)、交流電源、鐵架臺(tái)、導(dǎo)線及開(kāi)關(guān)外,在下面的器材中,必須使用的還有____。(選填器材前的字母)

A.大小合適的鐵質(zhì)重錘

B.體積較大的木質(zhì)重錘

C.刻度尺

D.游標(biāo)卡尺

E.秒表

安裝好實(shí)驗(yàn)裝置,正確進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作,從打出的紙帶中選出符合要求的紙帶,如圖15所示(其中一段紙帶圖中未畫出)。圖中O點(diǎn)為打出的起始點(diǎn),且速度為零。選取在紙帶上連續(xù)打出的點(diǎn)A、BC、DE、F、G作為計(jì)數(shù)點(diǎn)。其中測(cè)出DE、F點(diǎn)距起始點(diǎn)O的距離如圖所示。已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打點(diǎn)周期為T=0.02s。由此可計(jì)算出物體下落到E點(diǎn)時(shí)的瞬時(shí)速度vE =____ m/s。(結(jié)果保留三位有效數(shù)字)

③實(shí)驗(yàn)結(jié)果往往是重力勢(shì)能的減少量略大于動(dòng)能的增加量,關(guān)于此誤差,下列說(shuō)法中正確的是____。

A.該誤差屬于偶然誤差

B.該誤差屬于系統(tǒng)誤差

C.可以通過(guò)多次測(cè)量取平均值的方法來(lái)減小該誤差

D.可以通過(guò)減小空氣阻力和摩擦阻力的影響來(lái)減小該誤差

④某同學(xué)在紙帶上選取計(jì)數(shù)點(diǎn)后,測(cè)量它們到起始點(diǎn)O的距離h,并計(jì)算出打相應(yīng)計(jì)數(shù)點(diǎn)時(shí)重錘的速度v,通過(guò)描繪v2-h圖像去研究機(jī)械能是否守恒。若實(shí)驗(yàn)中重錘所受阻力不可忽略,且阻力大小保持不變,從理論上分析,合理的v2-h圖像是下圖中的哪一個(gè)____。(填選填圖下對(duì)應(yīng)的字母)

A.B.

C.D.

⑤若不考慮地球的自轉(zhuǎn),地表附近的物體所受的重力等于其所受的引力。地表附近重力加速度為g。已知若以無(wú)窮遠(yuǎn)處為引力勢(shì)能零點(diǎn),距離為r的兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)M、m之間的引力勢(shì)能為,這一結(jié)論可以適用于勻質(zhì)球體與其外質(zhì)點(diǎn),此時(shí)r為球心與質(zhì)點(diǎn)之間的距離。請(qǐng)論證:本實(shí)驗(yàn)中的重錘在下落高度為h的過(guò)程中,可以認(rèn)為重錘的重力勢(shì)能減少量等于其(與地球共有的)引力勢(shì)能的減少量。____

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科目:高中物理 來(lái)源: 題型:

【題目】某工地上,工人將放在地面上一重10 N的箱子吊起。箱子在繩的拉力作用下由靜止開(kāi)始豎直向上運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)過(guò)程中箱子的機(jī)械能E與其位移x的關(guān)系圖象如圖所示,其中05 m過(guò)程的圖線為曲線,5 m15 m過(guò)程的圖線為直線。根據(jù)圖象可知

A. 05 m過(guò)程中箱子所受的拉力逐漸減小

B. 015 m過(guò)程中箱子的動(dòng)能一直增加

C. 在位移為15m時(shí),拉力F = 20 N

D. 在位移為15m時(shí),拉力F = 10 N

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科目:高中物理 來(lái)源: 題型:

【題目】如圖所示水平傳送帶A、B兩端點(diǎn)相距x=4m,以v0=2m/s的速度始終保持不變順時(shí)針運(yùn)轉(zhuǎn)今將一小煤塊可視為質(zhì)點(diǎn)無(wú)初速度地輕放至A點(diǎn)處,已知小煤塊與傳送帶間的動(dòng)摩擦因數(shù)為04,g取10m/s2由于小煤塊與傳送帶之間有相對(duì)滑動(dòng),會(huì)在傳送帶上留下劃痕則小煤塊從A運(yùn)動(dòng)到B的過(guò)程中

A所用的時(shí)間是s B所用的時(shí)間是05s

C劃痕長(zhǎng)度是4m D劃痕長(zhǎng)度是05m

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科目:高中物理 來(lái)源: 題型:

【題目】如圖為某高速公路出口的 ETC 通道示意圖。一汽車駛?cè)胪ǖ,到達(dá)O點(diǎn)的速度,此時(shí)開(kāi)始減速,到達(dá)M時(shí)速度減至 =6m/s,并以6m/s的速度勻速通過(guò)MN區(qū),汽車從O運(yùn)動(dòng)到N共用時(shí)10s,v-t 圖像如下圖所示,則下列計(jì)算錯(cuò)誤的是(

A. 汽車減速運(yùn)動(dòng)的加速度大小a=4m/s2

B. O、M 間中點(diǎn)的速度為14 m/s

C. O、M 間的距離為56m

D. 汽車在 ON 段平均速度大小為9.2m/s

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科目:高中物理 來(lái)源: 題型:

【題目】如下圖所示,圓盤水平放置在豎直向下的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,圓盤圓心處固定一個(gè)搖柄,邊緣和圓心處各與一個(gè)黃銅電刷緊貼,用導(dǎo)線將電刷與零刻度在中央的電流表連接起來(lái)形成回路。轉(zhuǎn)動(dòng)搖柄,使圓盤逆時(shí)針勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。下列說(shuō)法正確的是

A. 由于圓盤的磁通量不變,所以電流表讀數(shù)為零

B. 圓盤產(chǎn)生的是交變電流,若圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度增大,產(chǎn)生的交變電流周期將減小

C. 若保持其他條件不變,磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度變?yōu)樵瓉?lái)的2倍,產(chǎn)生的電流為原來(lái)的2

D. 若保持其他條件不變,圓盤的角速度變?yōu)樵瓉?lái)2倍,產(chǎn)生的電流為原來(lái)的4

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