1、從受力和運(yùn)動兩個方面分析簡諧運(yùn)動的特點(diǎn)及簡諧運(yùn)動中能量轉(zhuǎn)化。

2．　　 人造地球衛(wèi)星

⑴宇宙速度

第一宇宙速度

，是地球衛(wèi)星的最小發(fā)射速度，也是地球衛(wèi)星在近地軌道上運(yùn)行時的速度．

^由得　．

例7、1990年3月，紫金山天文臺將1965年9月20日發(fā)現(xiàn)的第2752號小行星命名為吳健雄星，其直徑為32 km，如該小行星的密度和地球相同，則其第一宇宙速度為

　　　 m／s，已知地球半徑R=6400km，地球的第一宇宙速度為8 km／s．(20m／s)

第二宇宙速度的計算

　　 如果人造衛(wèi)星進(jìn)入地面附近的軌道速度等于或大于1l.2km／s，就會脫離地球的引力，這個速度稱為第二宇宙速度．

　　 為了用初等數(shù)學(xué)方法計算第二宇宙速度，設(shè)想從地球表面至無窮遠(yuǎn)處的距離分成無數(shù)小段ab、bc、…，等分點(diǎn)對應(yīng)的半徑為r₁、r₂…，如下圖所示．

由于每一小段ab、bc、cd…極小，這一小段上的引力可以認(rèn)為不變．因此把衛(wèi)星從地表a送到b時，外力克服引力做功

同理，衛(wèi)星從地表移到無窮遠(yuǎn)過程中，各小段上外力做的功分別為

…

把衛(wèi)星送至無窮遠(yuǎn)處所做的總功　　

為了掙脫地球的引力衛(wèi)星必須具有的動能為

所以

　 　第三宇宙速度的推算

脫離太陽引力的速度稱為第三宇宙速度．因為地球繞太陽運(yùn)行的速度為v_地＝30km/s，根據(jù)推導(dǎo)第二宇宙速度得到的脫離引力束縛的速度等于在引力作用下環(huán)繞速度的倍，即

因為人造天體是在地球上，所以只要沿地球運(yùn)動軌道的方向增加△v＝12.4km／s即可，即需增加動能．所以人造天體需具有的總能量為

得第三宇宙速度

1．　　 萬有引力定律提供天體做圓周運(yùn)動的向心力

⑴人造地球衛(wèi)星的繞行速度、角速度、周期與半徑的關(guān)系

①由得　　　r越大，v越小

②由得　　　r越大，ω越小

③由得　　r越大，T越大

例4、土星外層上有一個環(huán)。為了判斷它是土星的一部分還是土星的衛(wèi)星群，可以測量環(huán)中各層的線速度a與該l層到土星中心的距離R之間的關(guān)系來判斷：　 ( AD )

A．若v∝R，則該層是土星的一部分；　　B．若v²∝R，則該層是土星的衛(wèi)星群

C．若v∝1／R，則該層是土星的一部分 　 D．若v²∝1／R，則該層是土星的衛(wèi)星群

⑵求天體質(zhì)量、密度

由　 　即可求得

注意天體半徑與衛(wèi)星軌跡半徑區(qū)別

⑶人造地球衛(wèi)星的離心向心問題

例5、在地球大氣層外有很多太空垃圾繞地球做勻速圓周運(yùn)動，每到太陽活動期，由于受太陽的影響，地球大氣層的厚度開始增加，從而使得部分垃圾進(jìn)入大氣層，開始做靠近地球的向心運(yùn)動，產(chǎn)生這一結(jié)果的原因是　　 ( C　 )

A．由于太空垃圾受到地球引力減小而導(dǎo)致的向心運(yùn)動

B．由于太空垃圾受到地球引力增大而導(dǎo)致的向心運(yùn)動

C．由于太空垃圾受到空氣阻力而導(dǎo)致的向心運(yùn)動

D．地球引力提供了太空垃圾做圓周運(yùn)動所需的向心力，故產(chǎn)生向心運(yùn)動的結(jié)果與空氣阻力無關(guān)

例6、宇宙飛船要與軌道空間站對接，飛船為了追上軌道空間站　　 ( A )

　 A．只能從較低軌道上加速

　 B．只能從較高軌道上加速

　 C．只能從同空間站同一高度軌道上加速

　 D．無論在什么軌道上，只要加速都行

5．物體在地面上所受的引力與重力的區(qū)別和聯(lián)系

地球?qū)ξ矬w的引力是物體具有重力的根本原因．但重力又不完全等于引力．這是因為地球在不停地自轉(zhuǎn)，地球上的一切物體都隨著地球自轉(zhuǎn)而繞地軸做勻速圓周運(yùn)動，這就需要向心力．這個向心力的方向是垂直指向地軸的，它的大小是，式中的r是物體與地軸的距離，ω是地球自轉(zhuǎn)的角速度．這個向心力來自哪里?只能來自地球?qū)ξ矬w的引力F，它是引力F的一個分力如右圖，引力F的另一個分力才是物體的重力mg．

在不同緯度的地方，物體做勻速圓周運(yùn)動的角速度ω相同，而圓周的半徑r不同，這個半徑在赤道處最大，在兩極最小(等于零)．緯度為α處的物體隨地球自轉(zhuǎn)所需的向心力 (R為地球半徑)，由公式可見，隨著緯度升高，向心力將減小，在兩極處Rcosα＝0，f＝0．作為引力的另一個分量，即重力則隨緯度升高而增大．在赤道上，物體的重力等于引力與向心力之差．即．在兩極，引力就是重力．但由于地球的角速度很小，僅為10^－5rad／s數(shù)量級，所以mg與F的差別并不很大．

在不考慮地球自轉(zhuǎn)的條件下，地球表面物體的重力這是一個很有用的結(jié)論．

從圖中還可以看出重力mg一般并不指向地心，只有在南北兩極和赤道上重力mg才能向地心．

同樣，根據(jù)萬有引力定律知道，在同一緯度，物體的重力和重力加速度g的數(shù)值，還隨著物體離地面高度的增加而減小．

若不考慮地球自轉(zhuǎn)，地球表面處有，可以得出地球表面處的重力加速度．

在距地表高度為h的高空處，萬有引力引起的重力加速度為g＇，由牛頓第二定律可得：

　即

如果在h＝R處，則g＇＝g／4．在月球軌道處，由于r＝60R，所以重力加速度g＇＝ g／3600．

重力加速度隨高度增加而減小這一結(jié)論對其他星球也適用．

例3、某行星自轉(zhuǎn)一周所需時間為地球上的6h，在這行星上用彈簧秤測某物體的重量，在該行量赤道上稱得物重是兩極時測得讀數(shù)的90%，已知萬有引力恒量G＝6.67×10^－11N·m²／kg²，若該行星能看做球體，則它的平均密度為多少?

[解析]在兩極，由萬有引力定律得　　　 ①

在赤道　 ②

依題意mg＇=O.9mg　　 ③

由式①②③和球體積公式聯(lián)立解得

4．注意領(lǐng)會卡文迪許實(shí)驗設(shè)計的巧妙方法．

由萬有引力定律表達(dá)式可知，，要測定引力常量G，只需測出兩物體m₁、m₂間距離r及它們間萬有引力F即可．由于一般物體間的萬有引力F非常小，很難用實(shí)驗的方法顯示并測量出來，所以在萬有引力定律發(fā)現(xiàn)后的百余年間，一直沒有測出引力常量的準(zhǔn)確數(shù)值．

卡文迪許巧妙的扭秤實(shí)驗通過多次“放大”的辦法解決了這一問題．圖是卡文迪許實(shí)驗裝置的俯視圖．

首先，圖中固定兩個小球m的r形架，可使m、m’之間微小的萬有引力產(chǎn)生較大的力矩，使金屬絲產(chǎn)生一定角度的偏轉(zhuǎn)臼，這是一次“放大”效應(yīng)．

其次，為了使金屬絲的微小形變加以“放大”，卡文迪許用從1發(fā)出的光線射到平面鏡M上，在平面鏡偏轉(zhuǎn)θ角時，反射光線偏轉(zhuǎn)2θ角，可以得出光點(diǎn)在刻度尺上移動的弧長s＝2θR，增大小平面鏡M到刻度尺的距離R，光點(diǎn)在刻度尺上移動的弧長S就相應(yīng)增大，這又是一次“放大”效應(yīng)．由于多次巧妙“放大”，才使微小的萬有引力顯示并測量出來．除“放大法”外，物理上觀察實(shí)驗效果的方法，還包括“轉(zhuǎn)換法”、“對比法”等．

深刻認(rèn)識卡文迪許實(shí)驗的意義

(1)卡文迪許通過改變質(zhì)量和距離，證實(shí)了萬有引力的存在及萬有引力定律的正確性．

(2)第一次測出了引力常量，使萬有定律能進(jìn)行定量計算，顯示出真正的實(shí)用價值．

(3)標(biāo)志著力學(xué)實(shí)驗精密程度的提高，開創(chuàng)了測量弱力的新時代．

(4)表明：任何規(guī)律的發(fā)現(xiàn)總是經(jīng)過理論上的推理和實(shí)驗上的反復(fù)驗證才能完成．

3．萬有引力定律的適用條件

例1、如下圖所示，在半徑R＝20cm、質(zhì)量M＝168kg的均勻銅球中，挖去一球形空穴，空穴的半徑為要，并且跟銅球相切，在銅球外有一質(zhì)量m＝1kg、體積可忽略不計的小球，這個小球位于連接銅球球心跟空穴中心的直線上，并且在空穴一邊，兩球心相距是d＝2m，試求它們之間的相互吸引力．

解： 完整的銅球跟小球m之間的相互吸引力為

這個力F是銅球M的所有質(zhì)點(diǎn)和小球m的所有質(zhì)點(diǎn)之間引力的總合力，它應(yīng)該等于被挖掉球穴后的剩余部分與半徑為婁的銅球?qū)π∏騧的吸引力　 　　F=F₁+F₂．

式中F₁是挖掉球穴后的剩余部分對m的吸引力，F(xiàn)₂是半徑為R／2的小銅球?qū)�m的吸引力。因為，

所以挖掉球穴后的剩余部分對小球的引力為F₁＝F－F₂＝2.41×10^－9N

例2、深入地球內(nèi)部時物體所受的引力

假設(shè)地球為正球體，各處密度均勻．計算它對球外物體的引力，可把整個質(zhì)量集中于球心．如果物體深入地球內(nèi)部，如何計算它所受的引力?

如右圖所示，設(shè)一個質(zhì)量為m的物體(可視為質(zhì)點(diǎn))在地層內(nèi)離地心為r的A處．為了計算地球?qū)λ�的引力，把地球分成許多薄層．設(shè)過A點(diǎn)的對頂錐面上兩小塊體積分別為△V₁、△V₂．當(dāng)△V₁和△V₂很小時，可以近似看成圓臺．

已知圓臺的體積公式

式中R₁和R₂分別是上、下兩底面的半徑．

當(dāng)圓臺很小很薄時，且H＜＜　a，H＜＜　b時，R₁≈R₂≈R．那么V＝πHR²

根據(jù)萬有引力定律

所以，即兩小塊體積的物體對A處質(zhì)點(diǎn)的引力大小相等，且方向相反，它們的合力為零．

當(dāng)把地球分成許多薄層后，可以看到，位于A點(diǎn)以外的這一圈地層(右圖中用斜線表示)對物體的引力互相平衡，相當(dāng)于對A處物體不產(chǎn)生引力，對A處物體的引力完全由半徑為r的這部分球體產(chǎn)生．引力大小為

即與離地心的距離成正比．

當(dāng)物體位于球心時，r=0，則F_r＝O．它完全不受地球的引力．

所以，當(dāng)一個質(zhì)量為m的物體從球心(r＝0)逐漸移到球外時，它所受地球的引力F隨r的變化關(guān)系如右圖所示．即先隨r的增大正比例地增大；后隨r的增大，按平方反比規(guī)律減��；當(dāng)r＝R₀(地球半徑)時，引力．

2．萬有引力定律的檢驗

牛頓通過對月球運(yùn)動的驗證，得出萬有引力定律，開始時還只能是一個假設(shè)，在其后的一百多年問，由于不斷被實(shí)踐所證實(shí)，才真正成為一種理論．其中，最有效的實(shí)驗驗證有以下四方面．

⑴．地球形狀的預(yù)測．牛頓根據(jù)引力理論計算后斷定，地球的赤道部分應(yīng)該隆起，形狀像個橘子．而笛卡爾根據(jù)旋渦假設(shè)作出的預(yù)言，地球應(yīng)該是兩極伸長的扁球體，像個檸檬．

1735年，法國科學(xué)院派出兩個測量隊分赴亦道地區(qū)的秘魯(緯度φ＝20°)和高緯度處的拉普蘭德(φ＝66°)，分別測得兩地1°緯度之長為：赤道處是110600m，兩極處是111900m．后來，又測得法國附近緯度1°的長度和地球的扁率．大地測量基本證實(shí)了牛頓的預(yù)言，從此，這場“橘子與檸檬”之爭才得以平息．

⑵．哈雷彗星的預(yù)報．英國天文學(xué)家哈雷通過對彗星軌道的對照后認(rèn)為，1682年出現(xiàn)的大彗星與1607年、1531年出現(xiàn)的大彗星實(shí)際上是同一顆彗星，并根據(jù)萬有引力算出這個彗星的軌道，其周期是76年．哈雷預(yù)言，1758年這顆彗星將再次光臨地球．于是，預(yù)報彗星的回歸又一次作為對牛頓引力理論的嚴(yán)峻考驗．

后來，彗星按時回歸，成為當(dāng)時破天荒的奇觀，牛頓理論又一次被得到證實(shí)．

⑶．海王星的發(fā)現(xiàn)．

⑷．萬有引力常量的測定．

由此可見，一個新的學(xué)說決不是一蹴而就的，也只有通過反復(fù)的驗證，才能被人們所普遍接受．

1．萬有引力定律發(fā)現(xiàn)的思路、方法

　　 開普勒解決了行星繞太陽在橢圓軌道上運(yùn)行的規(guī)律，但沒能揭示出行星按此規(guī)律運(yùn)動的原因．英國物理學(xué)家牛頓(公元1642-1727)對該問題進(jìn)行了艱苦的探索，取得了重大突破．

　　 首先，牛頓論證了行星的運(yùn)行必定受到一種指向太陽的引力．

　　 其次，牛頓進(jìn)一步論證了行星沿橢圓軌道運(yùn)行時受到太陽的引力，與它們的距離的二次方成反比．為了在中學(xué)階段較簡便地說明推理過程，課本中是將橢圓軌道簡化為圓形軌道論證的．

　　 第三，牛頓從物體間作用的相互性出發(fā)，大膽假設(shè)并實(shí)驗驗證了行星受太陽的引力亦跟太陽的質(zhì)量成正比．因此得出：太陽對行星的行力跟兩者質(zhì)量之積成正比．

最后，牛頓做了著名的“月一地”檢驗，將引力合理推廣到宇宙中任何兩物體，使萬有引力規(guī)律賦予普遍性．

例1 　一電子在如圖3-1所示按正弦規(guī)律變化的外力作用下由靜止釋放，則物體將：

A、作往復(fù)性運(yùn)動

B、t₁時刻動能最大

C、一直朝某一方向運(yùn)動

D、t₁時刻加速度為負(fù)的最大。

評析　 電子在如圖所示的外力作用下運(yùn)動，根據(jù)牛頓第二定律知，先向正方向作加速度增大的加速運(yùn)動，歷時t₁；再向正方向作加速度減小的加速運(yùn)動，歷時(t₂~t₁)；(0~t₂)整段時間的速度一直在增大。緊接著在(t₂~t₃)的時間內(nèi)，電子將向正方向作加速度增大的減速運(yùn)動，歷時(t₃~t₂)；(t₃~t₄)的時間內(nèi)，電子向正方向作加速度減小的減速運(yùn)動，根據(jù)對稱性可知，t₄時刻的速度變?yōu)?(也可以按動量定理得，0~t₄時間內(nèi)合外力的沖量為0，沖量即圖線和坐標(biāo)軸圍成的面積)。其中(0~t₂)時間內(nèi)加速度為正；(t₂~t₄)時間內(nèi)加速度為負(fù)。正確答案為：C。

注意　 公式中F、間的關(guān)系是瞬時對應(yīng)關(guān)系，一段時間內(nèi)可以是變力；而公式或只適用于勻變速運(yùn)動，但在變加速運(yùn)動中，也可以用之定性地討論變加速運(yùn)動速度及位移隨時間的變化趨勢。

上題中，如果F-t圖是余弦曲線如圖3-2所示，則情況又如何？

如果F-t圖是余弦曲線，則答案為A、B。

例2　 如圖3-3所示，兩個完全相同的小球和，分別在光滑的水平面和淺凹形光滑曲面上滾過相同的水平距離，且始終不離開接觸面。球是由水平面運(yùn)動到淺凹形光滑曲線面，再運(yùn)動到水平面的，所用的時間分別為t₁和t₂，試比較t₁、t₂的大小關(guān)系：

A、t₁>t₂　　 B、t₁=t₂ C、t₁<t₂　　　 D、無法判定

評析　 小球滾下去的時候受到凹槽對它的支持力在水平向分力使之在水平方向作加速運(yùn)動；而后滾上去的時候凹槽對它的支持力在水平方向分力使之在水平方向作減速運(yùn)動，根據(jù)機(jī)械能守恒定律知，最后滾到水平面上時速度大小與原來相等。故小球在整個過程中水平方向平均速度大，水平距離一樣，則所用時間短。答案：A。

例3　 如圖3-4所示，輕彈簧的一端固定在地面上，另一端與木塊B相連。木塊A放在B上。兩木塊質(zhì)量均為，豎直向下的力F作用在A上，A、B均靜止，問：

(1)將力F瞬間撤去后，A、B共同運(yùn)動到最高點(diǎn)，此時B對A的彈力多大？

(2)要使A、B不會分開、力F應(yīng)滿足什么條件？

評析　 (1)如果撤去外力后，A、B在整個運(yùn)動過程中互不分離，則系統(tǒng)在豎直向上作簡揩運(yùn)動，最低點(diǎn)和最高點(diǎn)關(guān)于平衡位置對稱，如圖3-5所示，設(shè)彈簧自然長度為，A、B放在彈簧上面不外加壓力F且系統(tǒng)平衡時，如果彈簧壓至O點(diǎn)，壓縮量為b，則：。外加壓力F后等系統(tǒng)又處于平衡時，設(shè)彈簧又壓縮了A，則：，即：。

當(dāng)撤去外力F后，系統(tǒng)將以O(shè)點(diǎn)的中心，以A為振幅在豎直平面內(nèi)上下作簡諧運(yùn)動。在最低點(diǎn)：，方向向上，利用牛頓第二定律知，該瞬間加速度：，方向向上；按對稱性知系統(tǒng)在最高點(diǎn)時：，方向向下。

此時以B為研究對象進(jìn)行受力分析，如圖3-6所示，按牛頓第二定律得：

(2)A、B未分離時，加速度是一樣的，且A、B間有彈力，同時最高點(diǎn)最容易分離。分離的臨界條件是：(或者：在最高點(diǎn)兩者恰好分離時對A有：，表明在最高點(diǎn)彈簧處于自然長度時將要開始分離，即只要：時A、B將分離)。所以要使A、B不分離，必須：。

例4　 如圖3-7所示，在空間存在水平方向的勻強(qiáng)磁場(圖中未畫出)和方向豎直向上的勻強(qiáng)電場(圖中已畫出)，電場強(qiáng)度為E，磁感強(qiáng)度為B。在某點(diǎn)由靜止釋放一個帶電液滴，它運(yùn)動到最低點(diǎn)恰與一個原來處于靜止?fàn)顟B(tài)的帶電液滴b相撞，撞后兩液滴合為一體，并沿水平方向做勻速直線運(yùn)動，如圖所示，已知的質(zhì)量為b的2倍，的帶電量是b的4倍(設(shè)、b間靜電力可忽略)。

(1)試判斷、b液滴分別帶何種電荷？

(2)求當(dāng)、b液滴相撞合為一體后，沿水平方向做勻速直線的速度及磁場的方向；

(3)求兩液滴初始位置的高度差。

評析　 (1)設(shè)b質(zhì)量為，則帶電量為4q，因為如果帶正電，要向下偏轉(zhuǎn)，則必須：；而對b原來必須受力平衡，則：。前后相矛盾，表明帶負(fù)電，b帶正電。

(2)設(shè)為與b相撞前的速度，下落的過程中重力、電場力做正功，由動能定理有：。由于b原來處于靜止?fàn)顟B(tài)：。

由以上兩式可得：

、b相撞的瞬間動量守恒：。得

而電荷守恒，故：

、b碰撞后粘在一起做勻速直線運(yùn)動，按平衡條件得：，則：。所以：

例5 　如圖3-8所示，一單匝矩形線圈邊長分別為、b，電阻為R，質(zhì)量為m，從距離有界磁場邊界高處由靜止釋放，試討論并定性作出線圈進(jìn)入磁場過程中感應(yīng)電流隨線圈下落高度的可能變化規(guī)律。

評析　 線圈下落高度時速度為：

下邊剛進(jìn)入磁場時切割磁感線產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢：。產(chǎn)生的感應(yīng)電流：I=，受到的安培力：

討論　 (1)如果，即：，則：線圈將勻速進(jìn)入磁場，此時：(變化規(guī)律如圖3-9所示)

(2)如果，表明較小，則：線圈加速進(jìn)入磁場，但隨著有三種可能：

①線圈全部進(jìn)入磁場時還未達(dá)到穩(wěn)定電流I₀(變化規(guī)律如圖3-10所示)

②線圈剛?cè)�部進(jìn)入磁場時達(dá)到穩(wěn)定電流I₀(變化規(guī)律如圖3-11所示)

③線圈未全部進(jìn)磁場時已達(dá)到穩(wěn)定電流I₀(變化規(guī)律如圖3-12所示)

(3)如果，則：線圈減速進(jìn)入磁場，但隨著，故線圈將作減小的減速運(yùn)動。

有三種可能：

①線圈全部進(jìn)入磁場時還未達(dá)到穩(wěn)定電流I₀(變化規(guī)律如圖3-13所示)

②線圈剛?cè)�部進(jìn)入磁場時達(dá)到穩(wěn)定電流I₀(變化規(guī)律如圖3-14所示)

③線圈未全部進(jìn)入磁場時已達(dá)到穩(wěn)定電流I₀(變化規(guī)律如圖3-15所示)

例6　 光從液面到空氣時的臨界角C為45°，如圖3-16所示，液面上有一點(diǎn)光源S發(fā)出一束光垂直入射到水平放置于液體中且到液面的距離為d的平面鏡M上，當(dāng)平面鏡M繞垂直過中心O的軸以角速度做逆時針勻速轉(zhuǎn)動時，觀察者發(fā)現(xiàn)水面上有一光斑掠過，則觀察者們觀察到的光斑的光斑在水面上掠過的最大速度為多少？

評析　 本題涉及平面鏡的反射及全反射現(xiàn)象，需綜合運(yùn)用反射定律、速度的合成與分解、線速度與角速度的關(guān)系等知識求解，確定光斑掠移速度的極值點(diǎn)及其與平面鏡轉(zhuǎn)動角速度間的關(guān)系，是求解本例的關(guān)鍵。

設(shè)平面鏡轉(zhuǎn)過角時，光線反射到水面上的P點(diǎn)，光斑速度為，如圖3-17可知：，而：

故：，，而光從液體到空氣的臨界角為C，所以當(dāng)時達(dá)到最大值，即：

例7　 如圖3-18所示為一單擺的共振曲線，則該單擺的擺長約為多少？共振時單擺的振幅多大？共振時擺球簡諧運(yùn)動的最大加速度和最大速度大小各為多少？(取10m/s²)

評析　 這是一道根據(jù)共振曲線所給信息和單擺振動規(guī)律進(jìn)行推理和綜合分析的題目，本題涉及到的知識點(diǎn)有受迫振動、共振的概念和規(guī)律、單擺擺球做簡諧運(yùn)動及固有周期、頻率、能量的概念和規(guī)律等。由題意知，當(dāng)單擺共振時頻率，即：，振幅A=8cm=0.08m，由得：

如圖3-19所示，擺能達(dá)到的最大偏角的情況下，共振時：，(其中以弧度為單位，當(dāng)很小時，，弦A近似為弧長。)所以： 。根據(jù)單擺運(yùn)動過程中機(jī)械能守恒可得：。其中：

例8　 已知物體從地球上的逃逸速度(第二宇宙速度)，其中G、M_E、R_E分別是引力常量、地球的質(zhì)量和半徑。已知G=6.7×10^-11N·m²/kg²，c=3.0×10⁸m/s，求下列問題：(1)逃逸速度大于真空中光速的天體叫做黑洞，設(shè)某黑洞的質(zhì)量等于太陽的質(zhì)量M=2.0×10³⁰kg，求它的可能最大半徑(這個半徑叫Schwarhid半徑)；(2)在目前天文觀測范圍內(nèi)，物質(zhì)的平均密度為10^-27kg/m³，如果認(rèn)為我們的宇宙是這樣一個均勻大球體，其密度使得它的逃逸速度大于光在真空中的速度c，因此任何物體都不能脫離宇宙，問宇宙的半徑至少多大？(最后結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)

解析　 (1)由題目所提供的信息可知，任何天體均存在其所對應(yīng)的逃逸速度，其中M、R為天體的質(zhì)量和半徑，對于黑洞模型來說，其逃逸速度大于真空中的光速，即，所以：

即質(zhì)量為kg的黑洞的最大半徑為(m)

(2)把宇宙視為一普通天體，則其質(zhì)量為，其中R為宇宙的半徑，為宇宙的密度，則宇宙所對應(yīng)的逃逸速度為，由于宇宙密度使得其逃逸速度大于光速c。即：。則由以上三式可得：，合4.2×10¹⁰光年。即宇宙的半徑至少為4.2×10¹⁰光年。

所謂變加速運(yùn)動，即加速度(大小或方向或兩者同時)變化的運(yùn)動，其軌跡可以是直線，也可以是曲線；從牛頓第二定律的角度來分析，即物體所受的合外力是變化的。

本章涉及的中學(xué)物理中幾種典型的變加速運(yùn)動如：簡諧運(yùn)動，圓周運(yùn)動，帶電粒子在電場、磁場和重力場等的復(fù)合場中的運(yùn)動，原子核式結(jié)構(gòu)模型中電子繞原子核的圓周運(yùn)動等。故涉及到力學(xué)、電磁學(xué)及原子物理中的圓周運(yùn)動問題。