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现在,谈谈符号的问题:动能肯定为正,由于我们测量的距离是对地面而言的,所以势能也为正,现在我所用的符号都完全正确。因而在任何时刻的能量为
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现在,为了用这种诀窍求力,我们需要对能量求微商,然后除以2,这样就一切都准备好了。“我用这种方法解这个问题表面上显得很容易,其实这是假象:我发誓,在我得到正确答案之前我做了不止一次。”
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现在我们把能量对时间求微商。我不必为此事花太多的时间,我认为你们现在都已知道如何求微商,所以我们就直接给出dE /dt 的答案(顺便提及,它是所需力的2倍。)
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这样,我就全部完成了:我只要把0.3代入t ,就完成了。不过,还没完——为得到正确的符号获得正确,我必须使用t =-0.3:
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* 原文为 。——译者注
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现在我们来看看这结果是否有意义。如果没有运动,那我不必为动能操心,于是重物的总能量仅仅是它的势能,而它的微商应为重量产生的力[9] 。确实如此,这里所得结果与我们在第一章中计算的结果相同,都是 。
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(2.29)式右边第一项为负,这是因为重物正在减速,所以它正在失去动能;第二项为正是由于重物正在上升,所以势能正在增加。无论如何,它们的符号彼此相反,这是我要知道的全部东西,而你们可以代入数值,果然,所得到的力与前面得到的相同:
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实际上,这就是我为什么一定要做这许多次的原因:在我第一次做这题后,对我的错误答案心满意足,我决定用另一种完全不同的办法试试。我用另一种办法做了以后,又满足于完全不同的答案!当你们辛苦地工作时,你们有时会想:“至少,我已经发现数学是前后矛盾的!”但是很快你们就发现了错误,正如我最后做的那样。
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无论如何,这正是解这问题的两种方法。解任何具体问题不是只有唯一的一种方法。随着智力越来越强大,你们能够找到工作量少而又少的方法,但是这需要实践经验[10] 。
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2-8 地球的逃逸速度
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我剩下的时间不多了,但我要讲的下一个问题是涉及行星运动的一些事情。由于这次我肯定不能告诉你们关于这个问题的所有事情,我还要重新回到这个问题上来。第一个问题是,一个物体脱离地球表面需要多大的速度?某个物体必须运动得多快才能刚好摆脱地球引力?
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现在,求解这个问题的一种方法是计算物体在引力作用下的运动,另一种方法是利用能量守恒。当物体到离开地球无穷远处时,其动能为零,而势能是它在无穷大距离处定义的值。引力势的公式列在表2-3中,它告诉我们,在无穷远处质点的势能为零。
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所以当某个物体以逃逸速度离开地球时,其总能量必须与其到达无穷远处、并且地球的引力将它的速度减慢至零的能量相同。(假定不存在其他的力。)如果M 是地球的质量,R 是地球的半径,以及G 是万有引力常数,则我们求得逃逸速度的平方必定为2GM /R 。
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重力常数g (地球表面附近的重力加速度)正好就是GM /R2 ,由力的定律可知,对质量为m 的物体,mg =GMm /R2 。用较容易记忆的重力常数来表示,我可以写出 。此地,g =9.8m/s2 ,地球半径为6 400km,所以地球的逃逸速度为
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