Открыт Ньютоном в 1667 году на основе анализа движения планет (з-ны Кеплера) и, в частности, Луны. В этом же направлении работали Р.Гук (оспаривал приоритет) и Р.Боскович.
Все тела взаимодействуют друг с другом с силой, прямо пропорциональной произведению масс этих тел и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.
Закон справедлив для:
Однородных шаров.
Для материальных точек.
Для концентрических тел.
Гравитационное взаимодействие существенно при больших массах.
Примеры:
Притяжение электрона к протону в атоме водорода » 2×10
-11 Н.
Тяготение между Землей и Луной» 2×1020 Н.
Тяготение между Солнцем и Землей » 3,5×1022 Н.
Применение:
Закономерности движения планет и их спутников. Уточнены законы Кеплера.
Космонавтика. Расчет движения спутников.
Внимание!:
Закон не объясняет причин тяготения, а только устанавливает количественные закономерности.
В случае взаимодействия трех и более тел задачу о движении тел нельзя решить в общем виде. Требуется учитывать «возмущения», вызванные другими телами (открытие Нептуна Адамсом и Леверье в 1846 г. и Плутона в 1930).
В случае тел произвольной формы требуется суммировать взаимодействия между малыми частями каждого тела.
Анализ закона:
Сила направлена вдоль прямой, соединяющей тела.
G — постоянная всемирного тяготения (гравитационная постоянная). Числовое значение зависит от выбора системы единиц.
В Международной системе единиц (СИ) G=6,67.10-11.
G=6,67.
10-11
Впервые прямые измерения гравитационной постоянной провел Г. Кавендиш с помощью крутильных весов в 1798 г.
Пусть m1=m2=1 кг, R=1 м, тогда: G=F (численно).
Физический смысл гравитационной постоянной:
гравитационная постоянная численно равна модулю силы тяготения, действующей между двумя точечными телами массой по 1 кг каждое, находящимися на расстоянии 1 м друг от друга.
То, что гравитационная постоянная G очень мала показывает, что интенсивность гравитационного взаимодействия мала.
СИЛА ТЯЖЕСТИ
Сила тяжести — это сила притяжения тел к Земле (к планете).
— из закона Всемирного тяготения. (где M — масса планеты, m — масса тела,
R — расстояние до центра планеты).
— сила тяжести из второго закона Ньютона (где m — масса тела, g — ускорение силы тяжести).
— ускорение силы тяжести не зависит от массы тела (опыты Галилея).
g0=9,81 м/с2 — на поверхности Земли
Если обозначить R0 радиус планеты, а h — расстояние до тела от поверхности планеты, то:
Ускорение силы тяжести зависит:
Массы планеты.2} \)
где \( m_1 \) и \( m_2 \) — массы тел, \( r \) — расстояние между телами, \( G \) — постоянная всемирного тяготения или гравитационная постоянная.
Значение гравитационной постоянной установлено опытным путём, оно равно \( G \) = 6,67·10-11 Нм2/кг2. Смысл её заключается в следующем: два тела, каждое массой 1 кг, находящиеся на расстоянии 1 м друг от друга, взаимодействуют с силой 6,67·10-11 Н.
Значение гравитационной постоянной свидетельствует о том, что силы тяготения между телами малы. Они становятся заметными при больших значениях масс взаимодействующих тел. Например, притяжение шарика к Земле можно наблюдать без специальных приборов, а притяжение Земли к такому же шарику мы не можем наблюдать непосредственно.
Закон всемирного тяготения справедлив для тел, размерами которых можно пренебречь по сравнению с расстоянием между ними (для материальных точек). Закон применим также к шарам, в этом случае расстоянием между телами является расстояние между центрами шаров.2}{R} \). Отсюда \( v=\sqrt{gR} \), т.е. первая космическая скорость равна 7,9 км/с. Первый в мире искусственный спутник Земли был запущен в СССР в 1957 г.
ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ
Часть 1
1. Сила тяготения между двумя телами уменьшится в 2 раза, если массу каждого тела
1) увеличить в √2 раз 2) уменьшить в √2 раз
3) увеличить в 2 раза 4) уменьшить в 2 раза
2. Массу каждого из двух однородных шаров увеличили в 4 раза. Расстояние между ними тоже увеличили в 4 раза. Сила тяготения между ними
1) увеличилась в 64 раза 2) увеличилась в 16 раз 3) увеличилась в 4 раза 4) не изменилась
3. В вершинах прямоугольника расположены тела одинаковой массы. Со стороны какого тела на тело 1 действует наибольшая сила?
1) со стороны тела 2 2) со стороны тела 3 3) со стороны тела 4 4) со стороны всех тел одинаковая
4. Закон всемирного тяготения справедлив
A. Для всех тел Б. Для однородных шаров
B. Для материальных точек
Правильный ответ
1) А 2) только Б 3) только В 4) и А, и Б
5. На ящик массой 5 кг, лежащий на полу лифта, движущегося с ускорением \( a \) вертикально вниз, действует сила тяжести
1) равная 50 Н 2) большая 50 Н 3) меньшая 50 Н 4) равная 5 Н
6. Сравните значения силы тяжести \( F_э \), действующей на груз на экваторе, с силой тяжести \( F_м \), действующей на этот же груз на широте Москвы, если груз находится на одной и той же высоте относительно поверхности Земли.
1) \( F_э=F_м \) 2) \( F_э>F_м \) 3) \( F_э<F_м \) 4) ответ может быть любым в зависимости от массы тел
7. Сила тяжести, действующая на космонавта на поверхности Луны,
1) больше силы тяжести, действующей на него на поверхности Земли 2) меньше силы тяжести, действующей на него на поверхности Земли 3) равна силе тяжести, действующей на него на поверхности Земли 4) больше силы тяжести, действующей на него на поверхности Земли на экваторе, и меньше силы тяжести, действующей на него, на поверхности Земли на полюсе
8. Сила тяжести, действующая на тело, зависит от
А. Географической широты местности Б. Скорости падения тела на поверхность Земли
Правильный ответ
1) только А 2) только Б 3) ни А, ни Б 4) и А, и Б
9. Какое(-ие) из утверждений верно(-ы)?
Сила тяжести, действующая на тело у поверхности некоторой планеты, зависит от
А. Массы планеты. Б. Массы тела.
1) только А 2) только Б 3) ни А, ни Б 4) и А, и Б
10. Первая космическая скорость зависит
A. От радиуса планеты Б. От массы планеты B. От массы спутника
Правильный ответ
1) только А 2) только Б 3) только А и Б 4) А, Б, В
11. Установите соответствие между физической величиной (левый столбец) и формулой, выражающей её взаимосвязь с другими величинами (правый столбец). В ответе запишите подряд номера выбранных ответов
ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА
A. Сила тяжести Б.2} \)
12. Среди приведённых утверждений выберите два правильных и запишите их номера в таблицу
1) Гравитационная постоянная показывает, с какой силой притягиваются друг к другу два тела массой 1 кг. 2) Значение силы тяжести, действующей на тело, зависит от скорости его движения. 3) Ускорение свободного падения зависит от массы и радиуса планеты. 4) При увеличении расстояния между телами в 3 раза сила тяготения между ними уменьшается в 9 раз. 5) Изменение массы одного из взаимодействующих тел не влияет на значение силы тяготения.
Часть 2
13. Человек на Земле притягивается к ней с силой 700 Н. С какой силой он притягивался бы к Марсу, находясь на его поверхности, если радиус Марса в 2 раза меньше радиуса Земли, а масса в 10 раз меньше, чем масса Земли?
Ответы
Закон всемирного тяготения. Сила тяжести
2.8 (56.31%) 65 votes
Закон всемирного тяготения
Цели урока:
Обучающая: сформировать понятие гравитационных сил, добиться
усвоения закона всемирного тяготения, познакомить с опытным определением
гравитационной постоянной.
Развивающая: стимулировать поисковую деятельность учащихся,
развивать умение анализировать и обобщать результаты исследования.
Воспитывающая: формировать систему взглядов на мир; развитие
интереса к предмету.
Оборудование к уроку: компьютер, мультимедийный проектор,
интерактивная доска. Программное обеспечение – мультимедийные презентации “Закон
всемирного тяготения”.
План урока.
1. Организационный момент – 3 мин.
2. Введение нового материала – 25 мин.
Цель урока: сегодня на уроке мы с вами изучим закон всемирного
тяготения, покажем его практическую значимость. Шире раскроем понятие
взаимодействия тел на примере этого закона и ознакомимся с областью действия
гравитационных сил.
История открытия закона. <Презентация, слайд № 2>
Датский астроном Тихо Браге многие годы наблюдал за движением планет, накопил
многочисленные данные, но не сумел их обработать. Это сделал его ученик Иоганн
Кеплер. Используя идею Коперника о гелиоцентрической системе и результаты
наблюдений Тихо Браге, Кеплер установил законы движения планет вокруг Солнца.
Но Кеплер сумел объяснить динамику движения. Почему планеты обращаются вокруг
Солнца именно по таким законам? На этот вопрос сумел ответить Исаак Ньютон,
используя законы движения, установленные Кеплером, и общие законы динамики.
Почему сила тяготения пропорциональна массе тела?
Почему сила тяготения пропорциональна массе двух тел?
Почему сила тяготения обратно пропорциональна квадрату расстояния между
телами?
<Презентация, слайд № 3> Ньютон предположил, что ряд явлений, казалось
бы не имеющих ничего общего (падение тел на Землю, обращение планет вокруг
Солнца, движение Луны вокруг Земли, приливы и отливы и т. д.), вызваны одной
причиной. Проведя многочисленные расчеты, Ньютон пришел к выводу, что все тела в
природе притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной квадрату
расстояния между ними. <Презентация, слайд № 4>
– Как Ньютон пришел к такому заключению?
Из второго закона динамики следует, что ускорение, которое получит тело под
действием силы, обратно пропорционально массе тела. Но ускорение свободного
падения не зависит от массы тела. Это возможно только в том случае, если
сила, с которой Земля притягивает тело, изменяется пропорционально массе тела.<Презентация, слайд № 5>
По третьему закону силы, с которой взаимодействует тела, равны. Если сила,
действующая на одно тело, пропорционально массе этого тела, то равная ей сила,
действующая на второе тело, очевидно, пропорционально массе второго тела. Но
силы, действующие на оба тела, равны, следовательно, они пропорциональны массе и
первого и второго тела.<Презентация, слайд № 5>
Ньютон рассчитал отношение радиуса Луны к радиусу Земли. Отношение равнялось
60. А отношение ускорения свободного падения на Земле к центростремительному
ускорению, с которым обращается вокруг Земли Луна, равнялось 3600.
Следовательно, ускорение обратно пропорционально квадрату расстояния между
телами. <Презентация, слайд № 6>
Но по второму закону Ньютона сила и ускорение связаны прямой зависимостью,
следовательно, сила обратно пропорциональна квадрату расстояния между телами.
Формулировка и математическое выражение закона. <Презентация, слайд №
7>
Исаак Ньютон открыл этот закон в возрасте 23 лет, но 9 лет не публиковал, так
как неверные данные о расстоянии между Землей и Луной не подтверждали его идею.
И только когда было уточнено расстояние, Ньютон в 1667 г. Опубликовал закон
всемирного тяготения.
Сила взаимного притяжения двух тел прямо пропорциональна произведению масс
этих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:
F =
Гравитационная постоянная. Её физический смысл. Как она была измерена?
Единица в СИ. <Презентация, слайд № 8>
Впервые гравитационная постоянная была измерена английским физиком Г.
Кавендишем в 1798 г. с помощью прибора, называемого крутильными весами. На
тонкой упругой нити подвешено легкое коромысло с двумя грузиками на концах.
Рядом неподвижно закреплены два тяжелых шара. Между грузиками и неподвижными
шарами действуют силы тяготения. Под влиянием этих сил коромысло поворачивается
и закручивает нить. По углу закручивания можно определить силу притяжения. Для
этого нужно только знать упругие свойства нити. Массы тел известны, а расстояние
между центрами взаимодействующих тел непосредственно измерить.
Из этих опытов было получено следующее значение гравитационной постоянной:
G = 6,67 * 10-11 Н* м2/кг2.
Физический смысл: гравитационная постоянная численно равна силе, с
которой притягиваются два тела с массой по 1 кг каждое, находящиеся на
расстоянии 1 м друг от друга.
<Презентация, слайд № 9>
Лишь в том случае, когда взаимодействуют тела огромных масс(или масса одного
из тел велика) сила тяготения достигает большой величины, несмотря на очень
малое значение гравитационной постоянной. Например, Земля и Луна притягиваются
друг к другу с силой F ≈ 2*1020
H.
На фотографии <Презентация, слайд № 10> изображена установка около
двух футов диаметром, в которой измеряется гравитационное взаимодействие между
пластинкой, подвешенной внутри цилиндра, и несколькими сферами, которые
вращаются вокруг цилиндра. Установка Gundlach’s мало отличается от крутильных
весов Кавендиша. Погрешность измерения удалось значительно уменьшить, используя
механизм обратной связи: помещаемые рядом с крутильными весами шары перемещались
так, чтобы свести скручивание нити маятника к минимуму.
За прошедшие 200 лет неоднократно делались попытки более точного измерения G,
однако погрешность уменьшалась незначительно, и составляла в 1998 г. 0,15%.
Пределы применимости закона всемирного тяготения.
Закон всемирного тяготения применим только для материальных точек; для
тел, размеры которых значительно меньше, чем расстояние между ними; для тел,
имеющих форму шара; для шара большего радиуса, взаимодействующего с телами,
размеры которых значительно меньше размеров шара. <Презентация,
слайд № 11>
Закон не применим, например, для взаимодействия бесконечного стержня и
шара. В этом случае сила тяготения обратно пропорциональна только расстоянию, а
не квадрату расстояния. А сила притяжения между телом и бесконечной плоскостью
вообще от расстояния не зависит.
Учет и использование закона для открытия новых планет.
<Презентация, слайды № 12, 13>
Когда была открыта планета Уран, на основе закона всемирного тяготения
рассчитали её орбиту. Но истинная орбита планеты не совпала с расчетной.
Предположили, что возмущение орбиты вызвано наличием ещё одной планеты,
находящейся за Ураном, которая своей силой тяготения изменяет его орбиту. Чтобы
найти новую планету, необходимо было решить систему из 12 дифференциальных
уравнений с 10 неизвестными. Эту задачу выполнил английский студент Адамс;
решение он отправил в Английскую академию наук. Но там на его работу не обратили
внимания. А французский математик Леверье, решив задачу, послал результаты
итальянскому астроному Галле. И тот, в первый же вечер наведя свою трубу в
указанную точку, обнаружил новую планету. Ей дали название Нептун. Подобным же
образом в 30-е годы нашего столетия была открыта и 9-я планета Солнечной системы
– Плутон.
На вопрос о том, какова природа сил тяготения, Ньютон отвечал: “Не
знаю, а гипотез измышлять не желаю”.
2. Закрепление – 15 мин. (Учащиеся пользуются записями в тетради и
презентацией на доске). <Повторение презентации>.
Вопросы:
Что общего между падением на Землю, обращением Луны вокруг Земли,
приливами и отливами, движением планет вокруг Солнца?
Почему до Ньютона никто не смог объяснить природу движения планет?
Как доказать, что сила тяготения пропорциональна массе двух
взаимодействующих тел?
Как доказать, что сила тяготения обратно пропорциональна квадрату
расстояния между ними?
Кто первый определил значение гравитационной постоянной?
Какова формулировка и математическое выражение закона всемирного
тяготения?
Каковы пределы применимости закона всемирного тяготения?
Как был использован закон всемирного тяготения для открытия новых
планет?
Решение задач № 169,170. Задачник под редакцией А.П. Рымкевич 10-11 классы.
Москва 2006.
Задание на дом: § 32; 33; упр. 7, № 1.
Закон всемирного тяготения | Физика
В середине XVII в. многих ученых интересовал вопрос о том, как сила взаимного притяжения между телами зависит от расстояния между ними. С какой силой, например, Солнце притягивает к себе планеты? По поводу этого вопроса Р. Гук в 1674 г. писал: «Притягательные силы тем значительнее обнаруживают себя, чем ближе тело, на которое они действуют, находится от центра действия. В какой степени это увеличение зависит от расстояния, это я еще не определил опытом». Современникам Гука никак не удавалось найти выражение для силы тяготения и на его основе определить траектории планет. Правда, у Гука были на этот счет догадки, но доказать их он не мог.
В 1683 г. Гук специально встретился с учеными К. Реном и Э. Галлеем, интересовавшимися тем же вопросом, чтобы обсудить вместе с ними проблему тяготения. Но встреча этих трех ученых ни к чему не привела. Отчаявшийся Галлей обратился с этой задачей к Ньютону. Каково же было его удивление и радость, когда он узнал, что Ньютону уже давно известно ее решение!
Выражение для силы тяготения Ньютон получил еще в 1666 г., когда ему самому было всего лишь 24 года. Но в то время, сверяя результаты своей теории с данными опыта, он обнаружил расхождения и поэтому публиковать свои результаты не стал. В итоге открытый им закон оставался неизвестным людям в течение многих лет. Однако потом выяснилось, что данные, которыми он пользовался, были очень неточными. Когда же Ньютону стали известны результаты более точных измерений, он, как пишет О. Лодж, «достал свои старые рукописи и снова приступил к вычислениям… Новые данные изменяют результаты: в чрезвычайном возбуждении пересматривает он глазами свою работу, перо не успевает следить за мыслью, и наконец, вычисления приводят его к желаемым результатам. Беспредельно большое значение и глубина его открытия настолько ослепляют его своим сиянием, что затуманенные глаза не видят рукописи. В изнеможении он отбрасывает перо; тайна мироздания, наконец, открылась ему, единственному в мире…».
Сначала Ньютон установил, как зависит от расстояния ускорение свободного падения. Он заметил, что вблизи поверхности Земли, т. е. на расстоянии 6400 км от ее центра, это ускорение составляет 9,8 м/с2, а на расстоянии, в 60 раз большем, у Луны, это ускорение оказывается в 3600 раз меньше, чем на Земле. Но 3600 = 602. Значит, ускорение свободного падения убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от центра Земли. Но ускорение по второму закону Ньютона пропорционально силе. Следовательно, причиной такого убывания ускорения является аналогичная зависимость от расстояния у силы тяготения.
Окончательную формулу силы тяготения можно получить, если учесть, что эта сила должна быть пропорциональна гравитационным зарядам взаимодействующих тел, т. е. их массам m1 и m2. Таким образом,
F = G(m1m2/r2) (40.1)
Так Ньютон нашел выражение для силы гравитационного взаимодействия Земли с притягиваемыми ею телами. Но интуиция подсказывала ему, что по полученной формуле можно рассчитывать и силу тяготения, действующую между любыми другими телами Вселенной, если только их размеры малы по сравнению с расстоянием r между ними. Поэтому он стал рассматривать полученное выражение как закон всемирного тяготения, справедливый и для небесных тел, и для тел, находящихся на Земле. Дальнейшее развитие науки показало, что Ньютон был прав и его закон действительно может быть применен к самым разным телам, начиная от атомов и молекул и кончая гигантскими звездными скоплениями.
Итак, закон всемирного тяготения, открытый Ньютоном, гласит:
Сила гравитационного притяжения любых двух частиц прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
Математически этот закон выражается формулой (40.1). Коэффициент пропорциональности G в этой формуле называется гравитационной постоянной.
Закон всемирного тяготения сформулирован здесь для частиц, т. е. для таких тел, размеры которых значительно меньше расстояния r между ними. Однако одна замечательная особенность этого закона позволяет использовать его и в некоторых других случаях. Такой особенностью является обратно пропорциональная зависимость силы тяготения именно от квадрата расстояния между частицами, а не от третьей, скажем, или четвертой степени расстояния. Расчеты показывают, что благодаря этому формулу (40.1) можно применять еще и для расчета силы притяжения шарообразных тел со сферически симметричным распределением вещества, находящихся на любом расстоянии друг от друга; только под r в этом случае следует понимать не расстояние между ними, а расстояние между их центрами (рис. 100). Справедливой оказывается формула (40.1) и в промежуточном случае, когда сферическое тело произвольного размера взаимодействует с некоторой материальной точкой. Это и дает возможность применять формулу закона всемирного тяготения для расчета силы, с которой земной шар притягивает к себе окружающие тела.
Согласно легенде, мысль о всемирном тяготении осенила Ньютона в тот момент, когда он, отдыхая в своем саду, увидел падающее яблоко. Рассказывают даже, что знаменитой яблоне, чей плод сумел так вовремя упасть к ногам Ньютона, не дали исчезнуть без следа и кусочки этого дерева якобы хранятся в Англии до сих пор.
Открытие закона всемирного тяготения позволило Ньютону создать теорию движения небесных тел, основанную на строгих математических доказательствах. Ничего подобного в науке до этого не было. Однако сильное впечатление, произведенное этой теорией на современников Ньютона, не помешало появлению у них некоторого чувства неудовлетворенности. Всех тогда интересовал вопрос «почему?»: почему все тела притягиваются друг к другу? Ньютон ответа на этот вопрос не дал. «Причину же свойств силы тяготения я до сих пор не мог вывести из явлений, гипотез же я не измышляю,— писал он в своих «Математических началах». — Довольно того, что тяготение на самом деле существует и действует согласно изложенным нами законам и вполне достаточно для объяснения всех движений небесных тел и моря».
Говоря о море, Ньютон подразумевал явление приливов, которые обусловлены притяжением воды Луной и Солнцем. За две тысячи лет до Ньютона над причинами этого явления размышлял Аристотель, которому, однако, решить эту проблему не удалось. Для Аристотеля это явилось трагедией. «Наблюдая длительное время это явление со скалы Негропонта, он, охваченный отчаянием, бросился в море и нашел там добровольную смерть» (Г. Галилей).
??? 1. Сформулируйте закон всемирного тяготения. Для каких тел он справедлив? 2. Что следует понимать под r в формуле (40.1) при расчете силы гравитационного взаимодействия шаров? 3. Как называется коэффициент пропорциональности G в законе всемирного тяготения?
Гравитационные силы. Закон всемирного тяготения. 🐲 СПАДИЛО.РУ
Все тела взаимодействуют друг с другом. Так, две материальные точки, обладающие массой, притягиваются друг к другу с некоторой силой, которую называют гравитационной, или силой всемирного тяготения.
Сила всемирного тяготения — сила, с которой все тела притягиваются друг к другу.
Закон всемирного тяготения
Сила взаимного притяжения двух тел прямо пропорциональна произведению масс этих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
F — сила всемирного тяготения, m1и m2 — массы двух притягивающихся друг к другу тел, R — расстояние между этими телами, G — гравитационная постоянная (G = 6,67∙10–11 Н ∙ м2/кг2).
Сила всемирного тяготения направлена по линии, соединяющей центры двух тел.
Гравитационная постоянная численно равна силе притяжения между двумя точечными телами массой 1 кг каждое, если расстояние между ними равно 1 м. Если R = 1 м, m1= 1 кг и m2= 1 кг, то F = G.
G = 6,67∙10–11 Н ∙ м2/кг2.
Сила тяжести
Согласно закону всемирного тяготения, все тела притягиваются между собой. Так, Земля притягивает к себе падающий на нее мяч, а мяч притягивает к себе Землю.
Сила тяжести — сила, с которой Земля притягивает к себе тела.
Сила тяжести действует на все тела, находящиеся в поле притяжения Земли. Она всегда направлена к центру нашей планеты.
Расчет силы тяжести на Земле
Силу тяжести можно рассчитать с помощью закона всемирного тяготения. Тогда одна из масс будет равна массе земли. Обозначим ее большой буквой M. Вторая масса будет принадлежать телу, притягивающемуся к Земли. Обозначим его m. В качестве R будет служить радиус Земли. В таком случае сила тяжести будет определяться формулой:
Вывод формулы ускорения свободного падения
Согласно второму закону Ньютона, сила, которая действует на тело, сообщает ему ускорение. Поэтому силу тяжести также можно выразить через это ускорение. Обозначим его g — ускорение свободного падения.
Пример №1. Мальчик массой 50 кг прыгнул под углом 45 градусов к горизонту. Найти силу тяжести, действующую на него во время прыжка.
Сила тяжести зависит только от массы тела и ускорения свободного падения. Направлена она всегда к центру Земли, и от характера движения тела не зависит. Поэтому:
Мы получили две формулы для вычисления силы тяжести: одну — исходя из закона всемирного тяготения, вторую — исходя из второго закона Ньютона. Приравняем правые части формул и получим:
Отсюда:
Формула расчета ускорения свободного паденияВместо массы и радиуса Земли можно взять массы и радиусы любых планет. Так можно рассчитать ускорение свободного падения для любого космического тела.
Пример №2. Рассчитать ускорение свободного падения на Луне. Считать, что радиус Луны равен 1736 км, а ее масса — 7,35∙1022 кг.
Переведем километры в метры: 1736 км = 1736000 м.
Первая космическая скорость
Исаак Ньютон смог доказать, что причиной падения тел на Землю, движения Луны вокруг Земли и движения Земли вокруг Солнца является сила тяготения. Если камень бросить в горизонтальном направлении, его траектория будет отклонена от прямой линии под действием земной силы тяжести. Если же придать этому камню большую скорость, камень приземлится на большем расстоянии. Значит, существует такая скорость, при которой камень не приземлится, а начнет бесконечно вращаться вокруг Земли.
ОпределениеПервая космическая скорость — минимальная (для заданной высоты над поверхностью планеты) горизонтальная скорость, которую необходимо придать объекту, чтобы он совершал движение по круговой орбите вокруг планеты.
Вывод формулы первой космической скорости
Когда тело массой m вращается на некоторой высоте h, расстояние между ним и центром Земли равно сумме этой высоты и радиуса Земли. Поэтому сила тяготения между этим телом и Землей будет равна:
Движение тела вокруг планеты — частный случай движения тела по окружности с постоянной по модулю скоростью. Мы уже знаем, что такое тело движется с центростремительным ускорением, направленным к центру окружности. В данном случае центростремительное ускорение будет направлено к центру Земли. Это ускорение сообщает телу сила тяготения.
Так как тело движется на некоторой высоте h от поверхности Земли, центростремительное ускорение будет определяться формулой:
Подставив это ускорение в формулу второго закона Ньютона, получим силу, с которой Земля притягивает к себе тело массой m:
Приравняем правые части формул, следующих из закона всемирного тяготения и второго закона Ньютона, и получим:
Отсюда скорость, с которой должно тело массой m бесконечно вращаться вокруг Земли на высоте h, равна:
Скорость бесконечно вращающегося вокруг Земли тела не зависит от его массы. Она зависит только от высоты, на которой оно находится. Чем выше высота, тем меньше скорость его вращения.
Тело, вращающееся вокруг планеты, называется ее спутником. Чтобы любое тело стало спутником Земли, нужно сообщить ему некоторую скорость на поверхности планеты в горизонтальном направлении. Высота h в этом случае равна 0. Тогда эта скорость будет равна:
8 км/с — первая космическая скорость Земли.
Пример №3. Рассчитать первую космическую скорость для Венеры. Считать, что масса Венеры равна 4,87∙1024 кг, а ее радиус равен 6052 км.
Задание EF18521 Сила гравитационного притяжения между двумя шарами, находящимися на расстоянии 2 м друг от друга, равна 9 нН. Какова будет сила притяжения между ними, если расстояние увеличить до 6 м? Ответ выразите в наноньютонах (нН).
Алгоритм решения
Записать исходные данные.
Записать закон всемирного тяготения.
Установить зависимость между силой гравитационного притяжения и расстоянием между телами.
На основании вывода о зависимости двух величин вычислить гравитационное притяжение между двумя шарами при изменении расстояния между ними.
Решение
Запишем исходные данные:
Расстояние между двумя шарами в первом случае: R1 = 2 м.
Расстояние между двумя шарами во втором случае: R2 = 6 м.
Сила гравитационного притяжения между двумя шарами в первом случае: F1 = 9 нН.
Запишем закон всемирного тяготения:
Из формулы видно, что сила гравитационного притяжения обратно пропорционально квадрату расстояния между телами массами m1 и m2.
R2 больше R1 втрое (6 больше 2 в 3 раза). Следовательно, расстояние между шарами тоже увеличилось втрое. В таком случае сила гравитационного притяжения между ними уменьшится в 32 раз, или в 9 раз. Так как в первом случае эта сила была равна 1 нН, то во втором она составит в 9 раз меньше, или 1 нН.
Две звезды одинаковой массы m притягиваются друг к другу с силами, равными по модулю F. Чему равен модуль сил притяжения между другими двумя звёздами, если расстояние между их центрами такое же, как и в первом случае, а массы звёзд равны 3m и 4m?
а) 7F
б) 9F
в) 12F
г) 16F
Алгоритм решения
1.Записать закон всемирного тяготения.
2.Применить закон всемирного тяготения для первой и второй пары звезд.
3.Из каждого выражения выразить расстояние между звездами.
4.Приравнять правые части уравнений и вычислить силу притяжения между второй парой звезд.
Решение
Закон всемирного тяготения выглядит так:
Примерим этот закон для первой и второй пары звезд:
Выразим квадраты радиусов, так как они в обоих случаях одинаковые:
Приравняем правые части выражений и выразим силу притяжения во втором случае:
Высота полёта искусственного спутника над Землёй увеличилась с 400 до 500 км. Как изменились в результате этого скорость спутника и его потенциальная энергия?
Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:
1)
увеличилась
2)
уменьшилась
3)
не изменилась
Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.
Скорость спутника
Потенциальная энергия спутника
Алгоритм решения
1.Записать закон всемирного тяготения и формулу центростремительного ускорения для движения тела по окружности с постоянной по модулю скоростью.
2.Установить зависимость скорости от высоты спутника над поверхностью Земли.
3.Записать формулу потенциальной энергии и установить, как она зависит от высоты.
Решение
На спутник действует сила притяжения Земли, которая сообщает ему центростремительное ускорение:
F=maц=GmM(R+h)2..
Отсюда центростремительное ускорение равно:
aц=GM(R+h)2..
Но центростремительное ускорение также равно:
aц=v2(R+h)..
Приравняем правые части выражений и получим:
GM(R+h)2..=v2(R+h)..
v2=MG(R+h)(R+h)2..=MG(R+h)..
Квадрат скорости спутника обратно пропорционален радиусу вращения. Следовательно, при увеличении высоты увеличивается радиус вращения, а скорость уменьшается.
Потенциальная энергия спутника определяется формулой:
Ep = mgh
Видно, что потенциальная энергия зависит от высоты прямо пропорционально. Следовательно, при увеличении высоты потенциальная энергия спутника тоже увеличивается.
Задание EF17578 Искусственный спутник обращается вокруг планеты по круговой орбите радиусом 4000 км со скоростью 3,4 км/с. Ускорение свободного падения на поверхности планеты равно 4 м/с2. Чему равен радиус планеты? Ответ запишите в километрах.
Алгоритм решения
1.Записать исходные данные. Перевести единицы измерения в СИ.
2.Записать формулу ускорения свободного падения и выразить через нее радиус планеты.
3.Записать формулу, раскрывающая взаимосвязь между линейной скоростью и радиусом окружности, по которой движется тело.
4.Записать закон всемирного тяготения применительно к спутнику.
5.Вывести формулу для расчета радиуса планеты.
6.Подставить известные данные и произвести вычисление.
Решение
Запишем исходные данные:
• Линейная скорость спутника: v = 3,4 км/с, или 3,4∙103 м/с.
• Радиус орбиты спутника: Rо = 4000 км, или 4∙106 м.
• Ускорение свободного падения у поверхности планеты: g = 4 м/с2.
Ускорение свободного падения определяется формулой:
Отсюда радиус равен:
Линейная скорость и радиус орбиты связываются формулой:
Используя закон всемирного тяготения, запишем силы, с которой притягивается спутник к планете:
Согласно второму закону Ньютона, сила — это произведение массы на ускорение тела. Следовательно:
Отсюда:
Поделим обе части выражения на массу спутника и радиус его орбиты. Получим:
Из этой формулы выразим массу планеты:
Подставим массу планеты в формулу для нахождения ее радиуса:
Сила — всемирное тяготение — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1
Сила — всемирное тяготение
Cтраница 1
Сила всемирного тяготения — центральная сила: она направлена по линии, соединяющей две материальные точки.
[2]
Сила всемирного тяготения сообщает всем телам независимо от их массы одно и то же ускорение. Это происходит вследствие того, что инертная масса тела, входящая в уравнение движения, и гравитационная масса в законе тяготения равны друг другу.
[3]
Модуль силы всемирного тяготения, действующий на материальную точку массы т, определяется равенством F / пц.
[4]
Векторы сил всемирного тяготения направлены вдоль прямой, соединяющей тела.
[5]
Модуль силы всемирного тяготения, действующий па материальную точку массы т, определяется равенством F — mji / r2, где ( д fM — гравитационный параметр притягивающего центра ( М — его масса, f — гравитационная постоянная) и г — расстояние от центра притяжения до притягиваемой точки.
[6]
Модуль силы всемирного тяготения, действующий на материальную точку массы т, определяется равенством F / пи / г2, где ц — / М — гравитационный параметр притягивающего центра ( М — его масса, / — гравитационная постоянная) и г — расстояние от центра притяжения до притягиваемой точки.
[7]
Модуль силы всемирного тяготения, действующий на материальную точку массы т, определяется равенством F — т и / г2, где i fM — гравитационный параметр притягивающего центра ( М — его масса, f — гравитационная постоянная) и г — расстояние от центра притяжения до притягиваемой точки.
[8]
Благодаря действию сил всемирного тяготения, газ может занимать объем без стенок.
[9]
Расчет работы сил всемирного тяготения является более трудной задачей, чем расчет работы силы упругости. Это связано со значительно более сложной формой зависимости сил тяготения от расстояний между телами.
[10]
В случае сил всемирного тяготения и при выборе нуля энергии на бесконечности все происходит наоборот.
[11]
Очевидно, что сила всемирного тяготения, действующая со стороны Луны на Землю, пропорциональна массе Земли. Эти силы по третьему закону Ньютона равны между собой.
[12]
Утверждение о существовании сил всемирного тяготения еще мало что означало. Ньютон нашел закон тяготения, показал, от чего зависят эти силы.
[13]
Утверждение о существовании сил всемирного тяготения еще мало что означало.
[14]
Но при наличии сил всемирного тяготения между звездами и их большими системами — галактиками Вселенная не может быть стационарной — она должна сжиматься или расширяться. Из астрономических наблюдений известно, что галактики разбегаются от центра с высокими скоростями. Это значит, что Вселенная не всегда была такой, какой мы ее наблюдаем. Далее происходит расширение сначала взрывного характера, а затем замедляющегося. К ядрам присоединяются электроны, и образуются атомы вещества, а из них — звезды, планеты. Вселенная приобретает современный вид. Будет ли продолжаться расширение Вселенной далее или оно сменится сжатием, это зависит сейчас от средней плотности материи в пространстве.
[15]
Страницы:
1
2
3
4
Закон всемирного тяготения: простое пояснение
Кто открыл закон всемирного тяготения
Определение закона всемирного тяготения
Формула закона всемирного тяготения
Закон всемирного тяготения и невесомость тел
Закон всемирного тяготения, видео
Кто открыл закон всемирного тяготения
Ни для кого не секрет, что закон всемирного тяготения был открыт великим английским ученым Исааком Ньютоном, по легенде гуляющим в вечернем саду и раздумывающем над проблемами физики. В этот момент с дерева упало яблоко (по одной версии прямо на голову физику, по другой просто упало), ставшее впоследствии знаменитым яблоком Ньютона, так как привело ученого к озарению, эврике. Яблоко, упавшее на голову Ньютону и вдохновило того к открытию закона всемирного тяготения, ведь Луна в ночном небе оставалась не подвижной, яблоко же упало, возможно, подумал ученый, что какая-то сила воздействует как на Луну (заставляя ее вращаться по орбите), так и на яблоко, заставляя его падать на землю.
Сейчас по заверениям некоторых историков науки вся эта история про яблоко лишь красивая выдумка. На самом деле падало яблоко или нет, не столь уж важно, важно, что ученый таки действительно открыл и сформулировал закон всемирного тяготения, который ныне является одним из краеугольных камней, как физики, так и астрономии.
Разумеется, и задолго до Ньютона люди наблюдали, как падающие на землю вещи, так и звезды в небе, но до него они полагали, что существует два типа гравитации: земная (действующая исключительно в пределах Земли, заставляющая тела падать) и небесная (действующая на звезды и Луну). Ньютон же был первым, кто объединил эти два типа гравитации в своей голове, первым кто понял, что гравитация есть только одна и ее действие можно описать универсальным физическим законом.
Определение закона всемирного тяготения
Согласно этому закону, все материальные тела притягивают друг друга, при этом сила притяжения не зависит от физических или химических свойств тел. Зависит она, если все максимально упростить, лишь от веса тел и расстояния между ними. Также дополнительно нужно принять во внимание тот факт, что на все тела находящиеся на Земле действует сила притяжения самой нашей планеты, получившая название – гравитация (с латыни слово «gravitas» переводиться как тяжесть).
Попробуем же теперь сформулировать и записать закон всемирного тяготения максимально кратко: сила притяжения между двумя телами с массами m1 и m2 и разделенными расстоянием R прямо пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
Формула закона всемирного тяготения
Ниже представляем вашему вниманию формулу закона всемирного тяготения.
G в этой формуле это гравитационная постоянная, равная 6,67408(31)•10−11 эта величина воздействия на любой материальный объект силы гравитации нашей планеты.
Закон всемирного тяготения и невесомость тел
Открытый Ньютоном закон всемирного тяготения, а также сопутствующий математический аппарат позже легли в основу небесной механики и астрономии, ведь с помощью него можно объяснить природу движения небесных тел, равно как и явление невесомости. Находясь в космическом пространстве на значительном удалении от силы притяжения-гравитации такого большого тела как планета, любой материальный объект (например, космический корабль с астронавтами на борту) окажется в состоянии невесомости, так как сила гравитационного воздействия Земли (G в формуле закона тяготения) или какой-нибудь другой планеты, больше не будет на него влиять.
Закон всемирного тяготения, видео
И в завершение поучительное видео об открытии закона всемирного тяготения.
Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка
При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту pavelchaika1983@gmail.com или в Фейсбук, с уважением автор.