高校物理 要点・解法ノート
必須

万有引力と重力加速度

着眼点万有引力は距離の2乗に反比例。地表では mg=\dfrac{GMm}{R^2} なので、GM=gR^2 と置きかえられる(G や M が与えられないとき)。

F=G\frac{Mm}{r^2},\qquad GM=gR^2

r は地球の中心からの距離(地表からの高さではない)。

例題
1
地表から地球の半径 R と同じ高さの位置では、物体が受ける万有引力は地表の何倍か。
解答
中心からの距離は 2R。\left(\dfrac{R}{2R}\right)^2=\dfrac14
\dfrac14 倍
2
地表すれすれを等速円運動する人工衛星の速さ(第1宇宙速度)を求めよ。地球の半径 6.4\times10^6\ \mathrm{m}、g=9.8\ \mathrm{m/s^2} とする。
解答
m\dfrac{v^2}R=mg より v=\sqrt{gR}=\sqrt{9.8\times6.4\times10^6}=\sqrt{6.27\times10^7}=7.9\times10^3
7.9\times10^3\ \mathrm{m/s}
注意高さ h の位置では距離を R+h にする。h だけを入れるミスが多い。

「円運動・慣性力・万有引力」の項目

  1. 角速度・周期・回転数必須
  2. 向心加速度と向心力必須
  3. 円錐振り子差がつく
  4. 鉛直面内の円運動必須
  5. 慣性力(加速する観測者から見る)必須
  6. 遠心力(一緒に回る観測者から見る)差がつく
  7. 万有引力と重力加速度必須
  8. 人工衛星の円運動必須
  9. ケプラーの法則必須
  10. 万有引力の位置エネルギーと脱出速度差がつく
  11. 楕円軌道の速さ(面積速度+エネルギーの連立)差がつく
  12. 地球の自転と見かけの重力不要

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