Question

【题目】牛顿说：“我们必须普遍地承认，一切物体，不论是什么，都被赋予了相互引力的原理”。任何两个物体间存在的相互作用的引力，都可以用万有引力定律计算，而且任何两个物体之间都存在引力势能，若规定物体处于无穷远处时的势能为零，则二者之间引力势能的大小为，其中m1、m2为两个物体的质量， r为两个质点间的距离（对于质量分布均匀的球体，指的是两个球心之间的距离），G为引力常量。设有一个质量分布均匀的星球，质量为M，半径为R。

（1）该星球的第一宇宙速度是多少？

（2）为了描述电场的强弱，引入了电场强度的概念，请写出电场强度的定义式。类比电场强度的定义，请在引力场中建立“引力场强度”的概念，并计算该星球表面处的引力场强度是多大？

（3）该星球的第二宇宙速度是多少？

（4）如图所示是一个均匀带电实心球的剖面图，其总电荷量为+Q（该带电实心球可看作电荷集中在球心处的点电荷），半径为R，P为球外一点，与球心间的距离为r，静电力常量为k。现将一个点电荷-q（该点电荷对实心球周围电场的影响可以忽略）从球面附近移动到p点，请参考引力势能的概念，求电场力所做的功。

Answer 1

【答案】（1）；（2）；（3）；（4）

【解析】

(1)设靠近该星球表面做匀速圆周运动的卫星的速度大小为，万有引力提供卫星做圆周运动的向心力

解得： ；

(2)电场强度的定义式

设质量为m的质点距离星球中心的距离为r，质点受到该星球的万有引力

质点所在处的引力场强度

得

该星球表面处的引力场强度

(3)设该星球表面一物体以初速度向外抛出，恰好能飞到无穷远，根据能量守恒定律

解得： ；

(4)点电荷-q在带电实心球表面处的电势能

点电荷-q在P点的电势能

点电荷-q从球面附近移动到P点，电场力所做的功

解得： 。