万有引力

高中物理中的学习过 万有引力 ,指的就是在质量为的两物体之间会有一个大小相等、方向相反的吸引力,如下图所示。

质量为的物体之间会有一个大小相等、方向相反的吸引力

若将上述两物体看作质点,则两者之间引力大小为,其中是引力系数。下面来看一道与引力相关的例题。

1 万有引力的例题
如下图所示,某线密度为的均匀细直棒沿轴放置在区间上(为了展示效果,图中的均匀细直棒绘制成了小的长条状矩形,实际上应该只是一条线段),质量为的质点放置在点处,请求出该细直棒对质点的引力。

某均匀细直棒沿轴放置在区间上,质点点处

点为中心作长度为的红色小矩形,其中,如下图所示。结合上细直棒的线密度为,可以算出该红色小矩形的质量

点为中心、长度为的红色小矩形

足够小时可将红色小矩形看作位于的质点,此时红色小矩形对质点的引力就可近似为质点对质点的引力。容易知道,质点与质点的距离为,质点对质点的引力在质点对质点连线上,如下图所示。

将红色小矩形看作位于的质点,质点与质点之间的万有引力为

引力可分解为方向上的分力方向上的分力,如下图所示,其中还标注出之后计算会用到的轴的夹角

方向上的分力,及与轴的夹角

接下来分别计算方向上的引力,先计算方向上的引力。根据上面介绍的万有引力公式,可算出引力的大小为:

所以引力轴方向的分力的大小(其中的负号表示该分力指向轴的负方向)

按照上面的方法,细直棒可以划分为个红色小矩形,从而构造出。在时,也就是时,可得如下,该定积分就是细直棒对质点的引力在轴方向的分力

这里通过计算上述等式中的,令,有:

由于,所以,据此作出辅助三角形,如下图所示。

的三角形

所以,所以:

因此根据,有:

再来计算方向上的引力,由于细直棒关于对称,所以点和点对质点方向上的分力会互相抵消,如下图所示。

点、点对质点方向上的分力会互相抵消

所以细直棒对质点的引力在方向上的分力

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