4 (Экзаменационные билеты и ответы за 11 класс по Физике)

Билет№4

Закон всемирного тяготения. Сила тяжести. Вес тела. Невесомость

План ответа

1. Силы гравитации. 2. Закон всемирного тя­готения. 3. Физический смысл гравитационной по­стоянной. 4. Сила тяжести. 5. Вес тела, перегрузки. 6. Невесомость.

Исаак Ньютон выдвинул предположение, что между любыми телами в природе существуют силы взаимного притяжения. Эти силы называют силами гравитации, или силами всемирного тяготения. Си­ла всемирного тяготения проявляется в Космосе, Солнечной системе и на Земле. Ньютон обобщил за­коны движения небесных тел и выяснил, что F = G(m₁*m₂)/R², где G — коэффициент пропорциональности, называется гравитационной постоянной. Чис­ленное значение гравитационной постоянной опытным путем определил Кавендиш, измеряя силу вза­имодействия между свинцовыми шарами. В резуль­тате закон всемирного тяготения звучит так: между любыми материальными точками существует сила взаимного притяжения, прямо пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними, действующая по линии, соединяющей эти точки.

Физический смысл гравитационной постоян­ной вытекает из закона всемирного тяготения. Если m₁ = m₂ = 1 кг, R = 1 м, то G = F, т. е. гравитацион­ная постоянная равна силе, с которой притягиваются два тела по 1 кг на расстоянии 1 м. Численное зна­чение: G = 6,67 • 10^-11 Н • м²/кг². Силы всемирного тя­готения действуют между любыми телами в природе, но ощутимыми они становятся при больших массах (или хотя бы масса одного из тел велика). Закон же всемирного тяготения выполняется только для мате­риальных точек и шаров (в этом случае за расстоя­ние принимается расстояние между центрами ша­ров).

Ч астным видом силы всемирного тяготения является сила притяжения тел к Земле (или к другой планете). Эту силу называют силой тяжести. Под действием этой силы все тела приобретают ускорение свободного падения. В соответствии со вторым зако­ном Ньютона g = f_т/m, следовательно, f_т = mg. Сила тяжести всегда направлена к центру Земли. В зави­симости от высоты h над поверхностью Земли и гео­графической широты положения тела ускорение сво­бодного падения приобретает различные значения. На поверхности Земли и в средних широтах ускоре­ние свободного падения равно 9,831 м/с².

В технике и быту широко используется поня­тие веса тела. Весом тела называют силу, с которой тело давит на опору или подвес в результате грави­тационного притяжения к планете (рис. 5). Вес тела обозначается Р. Единица измерения веса — 1 Н. Так как вес равен силе, с которой тело действует на опо­ру, то в соответствии с третьим законом Ньютона по величине вес тела равен силе реакции опоры. Поэтому, чтобы найти вес тела, необходимо найти, чему равна сила реакции опоры.

Рассмотрим случай, когда тело вместе с опорой не движется. В этом случае сила реакции опоры, а следова­тельно, и вес тела равен силе тяжести (рис. 6):р = N = mg.

В случае движения тела вертикально вверх вместе с опорой с ускорением, по второму закону Ньютона, можно записать mg + N = та (рис. 7, а).

В проекции на ось OX: -mg + N = та, отсюда N = m(g + а).

Следовательно, при движении вертикально вверх с ускорением вес тела увеличивается и нахо­дится по формуле Р = m(g + а).

Увеличение веса тела, вызванное ускоренным движением опоры или подвеса, называют перегруз­кой. Действие перегрузки испытывают на себе кос­монавты как при взлете космической ракеты, так и при торможении корабля при входе в плотные слои атмосферы. Испытывают перегрузки и летчики при выполнении фигур высшего пилотажа, и водители автомобилей при резком торможении.

Если тело движется Вниз по вертикали, то с помощью аналогичных рассуждений получаем mg +

+N = та; mg -N = та; N = m(g -а); Р = m(g - а), т. е. вес при движении по вертикали с ускорением будет меньше силы тяжести.

Если тело свободно падает, в этом случае Р = (g - g)m = 0.

Состояние тела, в котором его вес равен нулю, называют невесомостью. Состояние невесомости на­блюдается в самолете или космическом корабле при движении с ускорением свободного падения незави­симо от направления и значения скорости их движе­ния. За пределами земной атмосферы при выключе­нии реактивных двигателей на космический корабль действует только сила всемирного тяготения. Под действием этой силы космический корабль и все те­ла, находящиеся в нем, движутся с одинаковым ускорением, поэтому в корабле наблюдается состоя­ние невесомости.