Закон всемирного тяготения и земное притяжение

ЦЕНТРОСОЮЗ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

СИБИРСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ПОТРЕБИТЕЛЬСКОЙ  КООПЕРАЦИИ

Факультет заочного образования

 

 

 

 

 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по дисциплине: «Концепции современного естествознания»

Вариант 12

«Закон всемирного тяготения и земное притяжение»  

 

                                                                                   Выполнила  студентка 

 

                                                                                           Шифр 

Специальность 080200.62 «Менеджмент»

 

 

 

 

НОВОСИБИРСК

2012

Содержание

1.Открытие закона всемирного  тяготения………………………………………3

2. Зависимость силы тяготения  от массы тел…………………………………...4

3. Зависимость силы тяготения  от расстояния между телами. Земное  притяжение………………………………………………………………………...5

Список использованной литературы…………………………………………….9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Открытие закона всемирного тяготения

Почему выпущенный из рук  камень падает на Землю? Потому что  его притягивает Земля, скажет каждый из вас. В самом деле, камень падает на Землю с ускорением свободного падения. Следовательно, на камень со стороны  Земли действует сила, направленная к Земле. Согласно третьему закону Ньютона  и камень действует на Землю с  такой же по модулю силой, направленной к камню. Иными словами, между  Землей и камнем действуют силы взаимного  притяжения.

Ньютон был первым, кто  сначала догадался, а потом и  строго доказал, что причина, вызывающая падение камня на Землю, движение Луны вокруг Земли и планет вокруг Солнца, одна и та же. Это сила тяготения, действующая между любыми телами Вселенной. Вот ход его рассуждений, приведенных в главном труде Ньютона «Математические начала натуральной философии»:

«Брошенный горизонтально  камень отклонится под действием  тяжести от прямолинейного пути и, описав кривую траекторию, упадет наконец на Землю. Если его бросить с большей скоростью, то он упадет дальше»

(рис. 1).  

 

Рис. 1. 

 

Продолжая эти рассуждения, Ньютон приходит к выводу, что если бы не сопротивление воздуха, то траектория камня, брошенного с высокой горы с определенной скоростью, могла  бы стать такой, что он вообще никогда  не достиг бы поверхности Земли, а двигался вокруг нее «подобно тому, как планеты описывают в небесном пространстве свои орбиты».

Сейчас нам стало настолько  привычным движение спутников вокруг Земли, что разъяснять мысль Ньютона  подробнее нет необходимости.

Итак, по мнению Ньютона, движение Луны вокруг Земли или планет вокруг Солнца – это тоже свободное падение, но только падение, которое длится, не прекращаясь, миллиарды лет. Причиной такого «падения» (идет ли речь действительно  о падении обычного камня на Землю  или о движении планет по их орбитам) является сила всемирного тяготения. От чего же эта сила зависит?

 
2. Зависимость силы тяготения от массы тел 

Галилей доказал, что при  свободном падении Земля сообщает всем телам в данном месте одно и то же ускорение независимо от их массы. Но ускорение по второму  закону Ньютона обратно пропорционально  массе:

 Как же объяснить,  что ускорение, сообщаемое телу  силой притяжения Земли, одинаково  для всех тел? Это возможно  лишь в том случае, если сила  притяжения к Земле прямо пропорциональна  массе тела. В этом случае увеличение  массы т, например, вдвое приведет  к увеличению модуля силы F тоже  вдвое, а ускорение, которое  равно  , останется неизменным.

Обобщая этот вывод для  сил тяготения между любыми телами, заключаем, что сила всемирного тяготения  прямо пропорциональна массе  тела, на которое эта сила действует.

Но во взаимном притяжении участвуют, по меньшей мере, два тела. На каждое из них, согласно третьему закону Ньютона, действуют одинаковые по модулю силы тяготения. Поэтому каждая из этих сил должна быть пропорциональна как массе одного тела, так и массе другого тела. Поэтому сила всемирного тяготения между двумя телами прямо пропорциональна произведению их масс:  

 
3. Зависимость силы тяготения от расстояния между телами. Земное притяжение 

Из опыта хорошо известно, что ускорение свободного падения  равно 9,8 м/с² и оно одинаково для тел, падающих с высоты 1, 10 и 100 м, т. е. не зависит от расстояния между телом и Землей. Это как будто бы означает, что и сила от расстояния не зависит. Но Ньютон считал, что отсчитывать расстояния надо не от поверхности, а от центра Земли. Но радиус Земли 6400 км. Понятно, что несколько десятков, сотен или даже тысяч метров над поверхностью Земли не могут заметно изменить значение ускорения свободного падения.

Чтобы выяснить, как влияет расстояние между телами на силу их взаимного притяжения, нужно было бы узнать, каково ускорение тел, удаленных  от Земли на достаточно большие расстояния. Однако наблюдать и изучать свободное  падение тела с высоты в тысячи километров над Землей трудно. Но сама природа пришла здесь на помощь и  дала возможность определить ускорение  тела, движущегося по окружности вокруг Земли и обладающего, поэтому центростремительным ускорением, вызванным, разумеется, той же силой притяжения к Земле. Таким телом является естественный спутник Земли – Луна. Если бы сила притяжения между Землей и Луной не зависела от расстояния между ними, то центростремительное ускорение Луны было бы таким же, как ускорение тела, свободно падающего близ поверхности Земли. В действительности же центростремительное ускорение Луны равно 0,0027 м/с².

Это можно доказать. Обращение Луны вокруг Земли происходит под действием силы тяготения между ними. Приближенно орбиту Луны можно считать окружностью. Следовательно, Земля сообщает Луне центростремительное ускорение. Оно вычисляется по формуле   где R – радиус лунной орбиты, равный примерно 60 радиусам Земли, Т = 27 суток 7 часов 43 минуты = 2,4∙106 с – период обращения Луны вокруг Земли. Учитывая, что радиус Земли R_з = 6,4∙106 м, получим, что центростремительное ускорение Луны равно:

 

 

Найденное значение ускорения  меньше ускорения свободного падения  тел у поверхности Земли (9,8 м/с²) приблизительно в 3600 = 602 раз.

Таким образом, увеличение расстояния между телом и Землей в 60 раз  привело к уменьшению ускорения, сообщаемого земным притяжением, а, следовательно, и самой силы притяжения в 602 раз.

Отсюда вытекает важный вывод: ускорение, которое сообщает телам  сила притяжения к Земле, убывает  обратно пропорционально квадрату расстояния до центра Земли:

 

 

В 1667 г. Ньютон окончательно сформулировал закон всемирного тяготения: 

 

                                     (1) 

 

Сила взаимного притяжения двух тел прямо пропорциональна  произведению масс этих тел и обратно  пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Коэффициент пропорциональности G называется гравитационной постоянной.

Закон всемирного тяготения  справедлив только для таких тел, размеры которых пренебрежимо малы по сравнению с расстоянием между  ними. Иначе говоря, он справедлив только для материальных точек. При этом силы гравитационного взаимодействия направлены вдоль линии, соединяющей  эти точки (рис. 2). Подобного рода силы называются центральными. 

 

Рис. 2. 

 

Для нахождения силы тяготения, действующей на данное тело со стороны  другого, в случае, когда размерами  тел пренебречь нельзя, поступают  следующим образом. Оба тела мысленно разделяют на столь малые элементы, чтобы каждый из них можно было считать точечным. Складывая силы тяготения, действующие на каждый элемент  данного тела со стороны всех элементов  другого тела, получают силу, действующую  на этот элемент (рис. 3). Проделав такую  операцию для каждого элемента данного  тела и сложив полученные силы, находят  полную силу тяготения, действующую  на это тело. Задача эта сложная.

Рис. 3. 

 

Есть, однако, один практически  важный случай, когда формула (1) применима  к протяженным телам. Можно доказать, что сферические тела, плотность  которых зависит только от расстояний до их центров, при расстояниях между  ними, больших суммы их радиусов, притягиваются с силами, модули которых  определяются формулой (1). В этом случае R – это расстояние между центрами шаров.

И наконец, так как размеры  падающих на Землю тел много меньше размеров Земли, то эти тела можно  рассматривать как точечные. Тогда  под R в формуле (1) следует понимать расстояние от данного тела до центра Земли.

Между всеми телами действуют  силы взаимного притяжения, зависящие  от самих тел (их масс) и от расстояния между ними.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованной литературы

1. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания: Учебник/ под ред. акд. М..Ф. Жукова. – Новосибирск: ООО «Издательство ЮКЭА», 1997 – 832 с.
2. Кобзерев И.Ю. Ньютон и его время.- М.: Наука, 1993
3. Шубин А.С. Курс общей физики.- М.: ВШ., 1976