-->
Ðàáîòà ñèëû òÿãîòåíèÿ. Ïîòåíöèàëüíàÿ ýíåðãèÿ â ïîëå òÿãîòåíèÿ. Ôèçèêà 10 êëàññ. Ìÿêèøåâ
ìîé ÞÒÓÁ êàíàë ïðèêîëüíûõ ÌÓËÜÒÈÊÎÂ!
ìîé ÒÅËÅÃÐÀÌ êàíàë ïðèêîëüíûõ ÌÓËÜÒÈÊÎÂ!

 


Ñîäåðæàíèå

 

Ãëàâíàÿ >> Ôèçèêà 10 êëàññ. Ìÿêèøåâ

Ãëàâà 5. Çàêîí ñîõðàíåíèÿ ýíåðãèè

 


§ 46. Ðàáîòà ñèëû òÿãîòåíèÿ. Ïîòåíöèàëüíàÿ ýíåðãèÿ â ïîëå òÿãîòåíèÿ

     ÷¸ì âûðàæàåòñÿ ãðàâèòàöèîííîå âçàèìîäåéñòâèå òåë?

    Êàê äîêàçàòü íàëè÷èå âçàèìîäåéñòâèÿ Çåìëè è, íàïðèìåð, ó÷åáíèêà ôèçèêè?

 § 43 ìû ðàññìîòðåëè ðàáîòó ñèëû òÿæåñòè è âûÿñíèëè, ÷òî ñèëà òÿæåñòè — êîíñåðâàòèâíàÿ ñèëà. Òåïåðü íàéä¸ì âûðàæåíèå äëÿ ðàáîòû ñèëû òÿãîòåíèÿ è äîêàæåì, ÷òî ðàáîòà ýòîé ñèëû íå çàâèñèò îò ôîðìû òðàåêòîðèè, ò. å. ÷òî ñèëà òÿãîòåíèÿ òàêæå êîíñåðâàòèâíàÿ ñèëà.

Íàïîìíèì, ÷òî ðàáîòà êîíñåðâàòèâíîé ñèëû ïî çàìêíóòîìó êîíòóðó ðàâíà íóëþ.

Ïóñòü òåëî ìàññîé m íàõîäèòñÿ â ïîëå òÿãîòåíèÿ Çåìëè. Î÷åâèäíî, ÷òî ðàçìåðû ýòîãî òåëà ìàëû ïî ñðàâíåíèþ ñ ðàçìåðàìè Çåìëè, ïîýòîìó åãî ìîæíî ñ÷èòàòü ìàòåðèàëüíîé òî÷êîé. Íà òåëî äåéñòâóåò ñèëà òÿãîòåíèÿ

Íà òåëî äåéñòâóåò ñèëà òÿãîòåíèÿ

òåëî ïåðåìåùàåòñÿ èç ïîëîæåíèÿ À â ïîëîæåíèå Â ïî ðàçíûì òðàåêòîðèÿì

ãäå G — ãðàâèòàöèîííàÿ ïîñòîÿííàÿ, Ì — ìàññà Çåìëè, r — ðàññòîÿíèå, íà êîòîðîì íàõîäèòñÿ òåëî îò öåíòðà Çåìëè.

Ïóñòü òåëî ïåðåìåùàåòñÿ èç ïîëîæåíèÿ À â ïîëîæåíèå Â ïî ðàçíûì òðàåêòîðèÿì: 1) ïî ïðÿìîé ÀÂ; 2) ïî êðèâîé ÀÀ'Â'Â; 3) ïî êðèâîé ÀÑÂ (ðèñ. 5.15)

1. Ðàññìîòðèì ïåðâûé ñëó÷àé. Ñèëà òÿãîòåíèÿ, äåéñòâóþùàÿ íà òåëî, íåïðåðûâíî óìåíüøàåòñÿ, ïîýòîìó ðàññìîòðèì ðàáîòó ýòîé ñèëû íà ìàëîì ïåðåìåùåíèè Δri = ri + 1 — ri. Ñðåäíåå çíà÷åíèå ñèëû òÿãîòåíèÿ ðàâíî:

Ñðåäíåå çíà÷åíèå ñèëû òÿãîòåíèÿ ãäå r2ñpi = riri + 1.

×åì ìåíüøå Δri, òåì áîëåå ñïðàâåäëèâî íàïèñàííîå âûðàæåíèå r2ñpi = riri + 1.

Ïðîâåðüòå ýòî óòâåðæäåíèå, ïîäñòàâëÿÿ ðàçíûå ÷èñëà.

Òîãäà ðàáîòó ñèëû Fñpi, íà ìàëîì ïåðåìåùåíèè Δri, ìîæíî çàïèñàòü â âèäå

 ðàáîòó ñèëû F<sub>ñpi</sub>, íà ìàëîì ïåðåìåùåíèè Δr<sub>i</sub>, ìîæíî çàïèñàòü â âèäå

Ñóììàðíàÿ ðàáîòà ñèëû òÿãîòåíèÿ ïðè ïåðåìåùåíèè òåëà èç òî÷êè À â òî÷êó  ðàâíà:

Ñóììàðíàÿ ðàáîòà ñèëû òÿãîòåíèÿ

2. Ïðè äâèæåíèè òåëà ïî òðàåêòîðèè ÀÀ'Â' (ñì. ðèñ. 5.15) î÷åâèäíî, ÷òî ðàáîòà ñèëû òÿãîòåíèÿ íà ó÷àñòêàõ ÀÀ' è Â' ðàâíà íóëþ, òàê êàê ñèëà òÿãîòåíèÿ íàïðàâëåíà ê òî÷êå Î è ïåðïåíäèêóëÿðíà ëþáîìó ìàëîìó ïåðåìåùåíèþ ïî äóãå îêðóæíîñòè. Ñëåäîâàòåëüíî, ðàáîòà áóäåò òàêæå îïðåäåëÿòüñÿ âûðàæåíèåì (5.31).

3. Îïðåäåëèì ðàáîòó ñèëû òÿãîòåíèÿ ïðè äâèæåíèè òåëà îò òî÷êè À ê òî÷êå  ïî òðàåêòîðèè ÀÑ (ñì. ðèñ. 5.15). Ðàáîòà ñèëû òÿãîòåíèÿ íà ìàëîì ïåðåìåùåíèè Δsi ðàâíà ΔÀi = FñðiΔsicosαi,..

Èç ðèñóíêà âèäíî, ÷òî Δsicosαi = - Δri, è ñóììàðíàÿ ðàáîòà îïÿòü æå áóäåò îïðåäåëÿòüñÿ ïî ôîðìóëå (5.31).

Èòàê, ìîæíî ñäåëàòü âûâîä, ÷òî À1 = À2 = À3, ò. å. ÷òî ðàáîòà ñèëû òÿãîòåíèÿ íå çàâèñèò îò ôîðìû òðàåêòîðèè. Î÷åâèäíî, ÷òî ðàáîòà ñèëû òÿãîòåíèÿ ïðè ïåðåìåùåíèè òåëà ïî çàìêíóòîé òðàåêòîðèè ÀÀ'Â'ÂÀ ðàâíà íóëþ.

Âàæíî
Ñèëà òÿãîòåíèÿ — êîíñåðâàòèâíàÿ ñèëà.

Èçìåíåíèå ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãèè ðàâíî ðàáîòå ñèëû òÿãîòåíèÿ, âçÿòîé ñ îáðàòíûì çíàêîì:

Åñëè âûáðàòü íóëåâîé óðîâåíü ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãèè íà áåñêîíå÷íîñòè, ò. å. Åï = 0 ïðè r → ∞, òî ñëåäîâàòåëüíî,

Ïîòåíöèàëüíàÿ ýíåðãèÿ òåëà ìàññîé m, íàõîäÿùåãîñÿ íà ðàññòîÿíèè r îò öåíòðà Çåìëè, ðàâíà:

Ïîòåíöèàëüíàÿ ýíåðãèÿ òåëà

Çàêîí ñîõðàíåíèÿ ýíåðãèè äëÿ òåëà ìàññîé m, äâèæóùåãîñÿ â ïîëå òÿãîòåíèÿ, èìååò âèä

Çàêîí ñîõðàíåíèÿ ýíåðãèè äëÿ òåëà ìàññîé m, äâèæóùåãîñÿ â ïîëå òÿãîòåíèÿ

ãäå υ1 — ñêîðîñòü òåëà íà ðàññòîÿíèè r1 îò öåíòðà Çåìëè, υ2 — ñêîðîñòü òåëà íà ðàññòîÿíèè r2 îò öåíòðà Çåìëè.

Îïðåäåëèì, êàêóþ ìèíèìàëüíóþ ñêîðîñòü íàäî ñîîáùèòü òåëó âáëèçè ïîâåðõíîñòè Çåìëè, ÷òîáû îíî â îòñóòñòâèå ñîïðîòèâëåíèÿ âîçäóõà ìîãëî óäàëèòüñÿ îò íå¸ çà ïðåäåëû ñèë çåìíîãî ïðèòÿæåíèÿ.

Çàïîìíè
Ìèíèìàëüíóþ ñêîðîñòü, ïðè êîòîðîé òåëî â îòñóòñòâèå ñîïðîòèâëåíèÿ âîçäóõà ìîæåò óäàëèòüñÿ çà ïðåäåëû ñèë çåìíîãî ïðèòÿæåíèÿ, íàçûâàþò âòîðîé êîñìè÷åñêîé ñêîðîñòüþ äëÿ Çåìëè.

Íà òåëî ñî ñòîðîíû Çåìëè äåéñòâóåò ñèëà òÿãîòåíèÿ, êîòîðàÿ çàâèñèò îò ðàññòîÿíèÿ öåíòðà ìàññ ýòîãî òåëà äî öåíòðà ìàññ Çåìëè. Ïîñêîëüêó íåêîíñåðâàòèâíûõ ñèë íåò, ïîëíàÿ ìåõàíè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ òåëà ñîõðàíÿåòñÿ. Âíóòðåííÿÿ ïîòåíöèàëüíàÿ ýíåðãèÿ òåëà îñòà¸òñÿ ïîñòîÿííîé, òàê êàê îíî íå äåôîðìèðóåòñÿ. Ñîãëàñíî çàêîíó ñîõðàíåíèÿ ìåõàíè÷åñêîé ýíåðãèè

Ñîãëàñíî çàêîíó ñîõðàíåíèÿ ìåõàíè÷åñêîé ýíåðãèè

Íà ïîâåðõíîñòè Çåìëè òåëî îáëàäàåò è êèíåòè÷åñêîé, è ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãèåé:

Íà ïîâåðõíîñòè Çåìëè òåëî îáëàäàåò è êèíåòè÷åñêîé, è ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãèåé

ãäå υII — âòîðàÿ êîñìè÷åñêàÿ ñêîðîñòü, Ì3 è ß3 — ñîîòâåòñòâåííî ìàññà è ðàäèóñ Çåìëè.

 áåñêîíå÷íî óäàëåííîé òî÷êå, ò. å. ïðè r → ∞, ïîòåíöèàëüíàÿ ýíåðãèÿ òåëà ðàâíà íóëþ (Wï = 0), à òàê êàê íàñ èíòåðåñóåò ìèíèìàëüíàÿ ñêîðîñòü, òî è êèíåòè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ òàêæå äîëæíà áûòü ðàâíà íóëþ: Wê = 0.

Èç çàêîíà ñîõðàíåíèÿ ýíåðãèè ñëåäóåò:

çàêîí ñîõðàíåíèÿ ýíåðãèè

îòñþäà

Ýòó ñêîðîñòü ìîæíî âûðàçèòü ÷åðåç óñêîðåíèå ñâîáîäíîãî ïàäåíèÿ âáëèçè ïîâåðõíîñòè Çåìëè (ïðè ðàñ÷¸òàõ, êàê ïðàâèëî, ýòèì âûðàæåíèåì ïîëüçîâàòüñÿ óäîáíåå). Ïîñêîëüêó òî GM3 = gR23.

Ñëåäîâàòåëüíî, èñêîìàÿ ñêîðîñòü

èñêîìàÿ ñêîðîñòü

Òî÷íî òàêóþ æå ñêîðîñòü ïðèîáðåëî áû òåëî, óïàâøåå íà Çåìëþ ñ áåñêîíå÷íî áîëüøîé âûñîòû, åñëè áû íå áûëî ñîïðîòèâëåíèÿ âîçäóõà. Çàìåòèì, ÷òî âòîðàÿ êîñìè÷åñêàÿ ñêîðîñòü â ðàçà áîëüøå, ÷åì ïåðâàÿ.

Ðàáîòà ñèëû òÿãîòåíèÿ. Âòîðàÿ êîñìè÷åñêàÿ ñêîðîñòü

Âîïðîñû ê ïàðàãðàôó

    1. ßâëÿåòñÿ ëè ñèëà òÿãîòåíèÿ êîíñåðâàòèâíîé? Ïî÷åìó?

    2. Êàêèå ôèçè÷åñêèå âåëè÷èíû îñòàþòñÿ ïîñòîÿííûìè, à êàêèå èçìåíÿþòñÿ ïðè ðàñ÷¸òå âòîðîé êîñìè÷åñêîé ñêîðîñòè?

    3. Èçìåíèòñÿ ëè çíà÷åíèå âòîðîé êîñìè÷åñêîé ñêîðîñòè, åñëè ðàêåòó çàïóñòèòü èç ãëóáîêîé øàõòû?

    4. Êàê èçìåíèòñÿ âûðàæåíèå äëÿ ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãèè òåëà â ïîëå òÿãîòåíèÿ, åñëè çà íóëåâîé óðîâåíü å¸ îòñ÷¸òà âçÿòü ïîâåðõíîñòü Çåìëè?

 

 

Ðåéòèíã@Mail.ru
<">


Ñîäåðæàíèå

interfaceType: 0, withoutIframe: true,