萬有引力是圓周運(yùn)動(dòng)的延續(xù),相比圓周運(yùn)動(dòng),向心力來源相對比較單一,一但不單一,就是易錯(cuò)點(diǎn)。
難點(diǎn)有變軌、雙星(多星)、在地球赤道上隨地球轉(zhuǎn)動(dòng)的向心力問題、給定條件的問題(一給條件一般就是難題)。
開普勒第三定律的應(yīng)用?!伴_二”和“開三”的研究對象有點(diǎn)不一樣,“開二”是同一顆行星相同時(shí)間掃過的面積相等,是同一顆行星,不是不同的行星。而“開三”是同一中心天體的不同行星,這些行星的半長軸立方與各自周期平方的比值相同。同一中心天體時(shí),行星有的是橢圓軌道,有的是圓軌道,對于圓軌道,半長軸就是半徑。這樣,只要是同一中心天體這種系統(tǒng),行星不論是橢圓軌道還是圓軌道,都可以比較周期大小。
從數(shù)學(xué)角度來說,可以將圓軌道看作特殊的橢圓軌道,看作兩焦點(diǎn)重合了,這樣長軸、短軸的長度就相同了,都是直徑。
再一點(diǎn),本題需要注意的是,對于圓軌道,行星做勻速圓周運(yùn)動(dòng),所以求某段軌跡的運(yùn)動(dòng)時(shí)間可以用弧長除以線速率,而對于橢圓軌道,由于關(guān)于長軸和短軸都是軸對稱的圖形,但速率是關(guān)于長軸對對稱的,軌跡上關(guān)于長軸對稱的點(diǎn),速率相等。關(guān)于長軸對稱的兩端橢圓弧,行星運(yùn)動(dòng)時(shí)間相同。關(guān)于短軸對稱的兩段橢圓弧,行星運(yùn)動(dòng)時(shí)間不同。
割補(bǔ)法的應(yīng)用。萬有引力定律的應(yīng)用條件比較苛刻(相比庫侖定律稍好一點(diǎn)),不規(guī)則的物體間計(jì)算引力,需要技巧。一種是數(shù)學(xué)技巧,將不規(guī)則的切割成定律能直接算的質(zhì)點(diǎn),然后再累加,也就是微積分的思維;另一種是割補(bǔ)法,也可叫為去皮法。把空白區(qū)域先用等密度的材料補(bǔ)起來,然后用大球與小球體的作用力減去補(bǔ)起來部分與小球體的作用力。
本題還有一難點(diǎn)是計(jì)算補(bǔ)全后大球與小球體之間的作用力。括號里的條件需要好好利用,剝洋蔥法計(jì)算引力,小球體所處位置與大球體表面之間的球殼對小球體的引力貢獻(xiàn)為零。
考查重力的來源,高中階段這個(gè)問題解釋不清楚。可以認(rèn)為重力是可以表現(xiàn)出來的引力。在赤道上隨地球自轉(zhuǎn)而做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體,以地心為參考系,做勻速圓周運(yùn)動(dòng),但我們隨地球自轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),是無法感覺到向心力的,應(yīng)該是大腦已經(jīng)適應(yīng)了這種轉(zhuǎn)動(dòng),假若轉(zhuǎn)速不恒定,忽快忽慢,人就應(yīng)該能有眩暈的感覺。
對于本題,能理解到重力是表現(xiàn)出來的萬有引力就行。在赤道上時(shí),萬有引力大小減去物體隨地球自轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)動(dòng)所需向心力的大小就是赤道上的重力大小。兩極沒有地球自轉(zhuǎn)的影響,重力大小和萬有引力大小相同。
上邊的第二題就用了本題的一個(gè)條件。
我倒覺得這個(gè)題是借萬有引力定律這個(gè)幌子考文字理解能力了。質(zhì)量分布均勻的球殼對殼內(nèi)物體的引力為零。這個(gè)條件用不對,就沒法正確求解了。結(jié)合本題,礦井底部到地球表面的這個(gè)球殼對礦井底部的重力加速度沒有貢獻(xiàn),對礦井底部重力加速度有貢獻(xiàn)的是礦井底部到地心這個(gè)被剝過球殼這個(gè)皮的球體,球體質(zhì)量根據(jù)與地球的體積比求解。
角度追及問題。一般的角度追及問題從運(yùn)動(dòng)學(xué)的觀點(diǎn)看就行。對于“中環(huán)系統(tǒng)”,行星的角速度與半徑有關(guān)聯(lián),已知軌道半徑或周期都行,兩行星最近或最遠(yuǎn)時(shí),都是三星共線時(shí),只不過最近時(shí)兩行星在中心天體同側(cè),最遠(yuǎn)時(shí)在中心天體異側(cè)。同向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),相距最近或最遠(yuǎn)的時(shí)間間隔是角速度大的比角速度小的多轉(zhuǎn)一圈。反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),相距最近或最遠(yuǎn)的時(shí)間間隔是兩行星合起來走完一圈。
雙星問題,圓周運(yùn)動(dòng)的考查,從受力角度講,必須要清楚向心力的來源,清楚了向心力,才可以運(yùn)用牛頓第二定律求解。雙星問題中,向心力要分析清楚,是雙星互相提供彼此做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力,而這個(gè)向心力就是相互之間的萬有引力,運(yùn)用萬有引力定律時(shí),兩質(zhì)點(diǎn)之間的距離就是兩天體之間的距離,不是任一天體做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑。雙星問題的癥結(jié)就在這兒,習(xí)慣“中環(huán)”系統(tǒng)后,老想著在圓心中有一天體才心安。能否做圓周運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵是有向心力,怎提供,提供者是誰就無所謂了,不是非得圓心處有一物體提供向心力才行。
找對向心力后,需要弄清兩星做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑,列牛頓第二定律方程時(shí),運(yùn)動(dòng)學(xué)角度定義的加速度用角速度平方乘以半徑的表達(dá)式,原因是雙星的兩天體角速度相同。帶入后恰好能消去角速度,便于求解其他參量。
變軌問題,高難級別問題。同一衛(wèi)星,圓軌道軌道半徑越大,發(fā)射需要的能量越高,但環(huán)繞速度反而越小;橢圓軌道,半長軸越長,所需能量越大。對于同一衛(wèi)星,若圓軌道半徑和橢圓軌道半長軸相等,在軌時(shí)的機(jī)械能形同。
變軌問題建議引入曲率半徑應(yīng)用牛頓第二定律求解。比如在Q點(diǎn),橢圓軌道和大圓軌道相比,橢圓軌道曲率半徑小,所以橢圓軌道在Q點(diǎn)速率比圓軌道在Q點(diǎn)速率小。從橢圓軌道變到大圓軌道,就需要加速。
曲率半徑稍微解釋一下,就是將一般的曲線運(yùn)動(dòng)微元化,看作是一系列圓周運(yùn)動(dòng)的疊加,對應(yīng)的圓周運(yùn)動(dòng)的半徑就是該處的曲率半徑。學(xué)習(xí)了圓周運(yùn)動(dòng)之后,實(shí)際上所有運(yùn)動(dòng)都可以微元化為圓周運(yùn)動(dòng),圓周運(yùn)動(dòng)是最本質(zhì)的。
借題中所給條件,考查能量,萬有引力定律用來計(jì)算環(huán)繞速度。引力勢能表達(dá)式是運(yùn)用微元法根據(jù)變力做功來求解出來的,此時(shí)需要將無窮遠(yuǎn)處的引力勢能選為零勢能點(diǎn)。
在軌機(jī)械能是動(dòng)能和勢能的總和,是題目中所給勢能的二倍,機(jī)械能是負(fù)值。受空氣阻力作用,衛(wèi)星的軌道半徑降低,機(jī)械能減少,減少的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。
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