重力加速度的变化规律分析
重力加速度是物体受到的重力产生的,重力是地球对物体的万有引力的一个分力,而另一个分力是向心力。
地球可近似看做一个圆球。
重力随纬度的升高而增大,随高度的升高而减小。
重力加速度也是这个变化规律,下面就分析重力加速度的变化规律。
已知地球的对表面物体的万有引力F万,物体随地球一起转动所需的向心力F向,以及重力G
F万=G Mm
=ma,F向=mrω2=m a n,G=mg
R
所以有万有引力加速度a大小不变,始终指向地心,向心加速度a n,始终垂直与地轴,重力加速度g,如下图。
F向与F万夹角为θ
根据矢量加法的原则可知,G
⃗ =F 万⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ −F 向⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ,可以得到
g ⃗ =a ⃗ −a n ⃗⃗⃗⃗
等式两边同时平方取标积得:
g=√a 2n 2n 由几何关系得a n =rω2=Rω2cosθ
g=√a 2+R 2ω4cos 2θ−2aRω2cos 2θ
=√a 2+Rω2cos 2θ(Rω2−2a )
上面式子中Rω2这项等于赤道处的向心加速度,而向心加速度是很小的,甚至可以忽略,因此Rω2是远小于2a 的,因此Rω2cos 2θ(Rω2−2a )<0
随着纬度的升高,θ角逐渐增大,cos θ逐渐减小,这样以来Rω2cos 2θ(Rω2−2a )就逐渐增大,g 逐渐增大。
而随着高度的升高,万有引力逐渐减小,因此分力也在减小,重力加速度随着高度升高而减小。
综上所述:重力加速度随着纬度升高而增大,随着高度升高而减小。