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“重力探矿”是常用的探测石油矿藏的方法之一。其原理可简述如下:如图,P、Q为某地...

“重力探矿”是常用的探测石油矿藏的方法之一。其原理可简述如下:如图,P、Q为某地区水平地面上的两点,在P点正下方一球形区域内储藏有石油,假定区域周围岩石均匀分布,密度为满分5 manfen5.com;石油密度远小于满分5 manfen5.com,可将上述球形区域视为空腔。如果没有这一空腔,则该地区重力加速度(正常值)沿竖直方向;当存在空腔时,该地区重力加速度的大小和方向会与正常情况有微小偏差。重力加速度在原坚直方向(即PO方向)上的投影相对于正常值的偏离叫做“重力加速度反常”。为了探寻石油区域的位置和石油储量,常利用P点附近重力加速度反常现象。已知引力常数为G。

(1)“重力探矿”利用了“割补法”原理:如图所示,在一个半径为R、质量为M的均匀球体中,紧贴球的边缘挖去一个半径为R/2的球形空穴后,剩余的阴影部分对位于球心和空穴中心连线上、与球心相距d的质点m的引力是多大?

(2)设球形空腔体积为V,球心深度为d(远小于地球半径),满分5 manfen5.com=x,利用“割补法”原理:如果将近地表的球形空腔填满密度为满分5 manfen5.com的岩石,则该地区重力加速度便回到正常值.因此,重力加速度反常值可通过填充后的球形区域对Q处物体m产生的附加引力满分5 manfen5.com来计算,式中M是填充岩石后球形区域的质量,求空腔所引起的Q点处的重力加速度反常值满分5 manfen5.com满分5 manfen5.com在OP方向上的分量)

(3)若在水平地面上半径L的范围内发现:重力加速度反常值在满分5 manfen5.com满分5 manfen5.com(k>1)(满分5 manfen5.com为常数)之间变化,且重力加速度反常的最大值出现在半为L的范围的中心,如果这种反常是由于地下存在某一球形空腔造成的,试求此球形空腔球心的深度和空腔的体积。

 

(1);(2);(3); 【解析】 试题分析:(1)把整个球体对质点的引力F看成是挖去的小球体对质点的引力F1和剩余部分对质点的引力F2之和,即F=F1+F2 填补上的空穴的完整球体对质点m的引力,挖去的半径为R/2的小球的质量,对质点m的引力 挖去剩余部分对质点m的引力 (2)(1)如果将近地表的球形空腔填满密度为ρ的岩石,则该地区重力加速度便回到正常值.因此,重力加速度反常可通过填充后的球形区域产生的附加引力①来计算,式中的m是Q点处某质点的质量,M是填充后球形区域的质量,M=ρV②. 而r是球形空腔中心O至Q点的距离,△g在数值上等于由于存在球形空腔所引起的Q点处重力加速度改变的大小.Q点处重力加速度改变的方向沿OQ方向,重力加速度反常△g′是这一改变在竖直方向上的投影,联立以上式子得 (3)由(2)结论可知:重力加速度反常△g′的最大值和最小值分别为 ,,由题意重力加速度反常值在 与 (k>1)( 为常数)之间变化可知:由题设有, 联立以上式子得,地下球形空腔球心的深度和空腔的体积分别为 ; 考点:万有引力定律及其应用  
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