| 单词 | 万有引力是怎么样产生的 |
| 释义 | 万有引力是怎么样产生的 万有引力,相信很多人在中学的物理课本上就学习过,那么你对万有引力了解多少呢?下面由小编为你详细介绍万有引力的相关知识。 万有引力是怎么产生的: 万有引力定律是艾萨克·牛顿在1687年于《自然哲学的数学原理》上发表的。牛顿的普适的万有引力定律表示如下:任意两个质点有通过连心线方向上的力相互吸引。该引力大小与它们质量的乘积成正比与它们距离的平方成反比,与两物体的化学组成和其间介质种类无关。 正在宇宙中,我们几乎找不到任何两个有距离的物体能够不通过任何物质,而发生任何互相作用,那种不通过任何物质的"隔空意念移物"式的作用是不存在的。任何物质都不能与没有任何物质的空间发生任何相互作用,任何两个有距离的物体如果发生了任何作用,中间一定有某种相关物质和它们都能接触,将它们联系起来,万有引力也不例外。因为宇宙中的一切物体相互作用都是由能量来传递,而只有物质才具有能量,能量必须以物质为载体。 万有引力推理依据: 伽利略在1632年实际上已经提出离心力和向心力的初步想法。布里阿德在1645年提出了引力平方比关系的思想.牛顿在1665~1666年的手稿中,用自己的方式证明了离心力定律,但向心力这个词可能首先出现在《论运动》的第一个手稿中。一般人认为离心力定律是惠更斯在1673年发表的《摆钟》一书中提出来的。根据1684年8月~10月的《论回转物体的运动》一文手稿中,牛顿很可能在这个手稿中第一次提出向心力及其定义。 万有引力与相作用的物体的质量乘积成正比,是发现引力平方反比定律过渡到发现万有引力定律的必要阶段.·牛顿从1665年至1685年,花了整整20年的时间,才沿着离心力—向心力—重力—万有引力概念的演化顺序,终于提出“万有引力"这个概念和词汇。·牛顿在《自然哲学的数学原理》第三卷中写道:“最后,如果由实验和天文学观测,普遍显示出地球周围的一切天体被地球重力所吸引,并且其重力与它们各自含有的物质之量成比例,则月球同样按照物质之量被地球重力所吸引。另一方面,它显示出,我们的海洋被月球重力所吸引;并且一切行星相互被重力所吸引,彗星同样被太阳的重力所吸引。由于这个规则,我们必须普遍承认,一切物体,不论是什么,都被赋与了相互的引力(gravitation)的原理。因为根据这个表象所得出的一切物体的万有引力(universalgravitation)的论证……" 牛顿在1665~1666年间只用离心力定律和开普勒第三定律,因而只能证明圆轨道上的而不是椭圆轨道上的引力平方反比关系。在1679年,他知道运用开普勒第二定律,但是在证明方法上没有突破,仍停留在1665~1666年的水平。只是到了1684年1月,哈雷、雷恩、胡克和牛顿都能够证明圆轨道上的引力平方反比关系,都已经知道椭圆轨道上遵守引力平方反比关系,但是最后可能只有牛顿才根据开普勒第三定律、从离心力定律演化出的向心力定律和数学上的极限概念或微积分概念,才用几何法证明了这个难题。 万有引力假设检验: 牛顿的猜想 地球与太阳之间的吸引力与地球对周围物体的引力可能是同一种力,遵循相同的规律。 猜想的依据 (1)行星与太阳之间的引力使行星不能飞离太阳,物体与地球之间的引力使物体不能离开地球;(2)在离地面很高的距离里,都不会发现重力有明显的减弱,那么这个力必然延伸到很远的地方。 检验的思想 如果猜想正确,月球在轨道上运动的向心加速度与地面重力加速度的比值,应该等于地球半径平方与月球轨道半径平方之比,即1/3600。 检验的结果 地面物体所受地球的引力,与月球所受地球的引力是同一种力。 万有引力公式: 公式表示 F:两个物体之间的引力 G:万有引力常量 m1:物体1的质量 m2:物体2的质量 r:两个物体之间的距离(大小)(r表示径向矢量) 依照国际单位制,F的单位为牛顿(N),m1和m2的单位为千克(kg),r的单位为米(m),常数G近似地等于 G=6.67×10⁻¹¹N·m²/kg²(牛顿平方米每二次方千克)。 由此可知排斥力F一直都将不存在,这意味着净加速度的力是绝对的。(这个符号规约是为了与库仑定律相容而订立的,在库仑定律中绝对的力表示两个电子之间的作用力。) 适用范围 经典万有引力定律反映了一定历史阶段人类对引力的认识,在十九世纪末发现,水星在近日点的移动速度比理论值大,即发现水星轨道有旋紧,轨道旋紧的快慢的实际值为每世纪42.9″。这种现象用万有引力定律无法解释,而根据广义相对论计算的结果旋紧是每世纪43.0″,在观测误差允许的范围内。此外,广义相对论还能较好地解释谱线的红移和光线在太阳引力作用下的偏转等现象。这表明广义相对论的引力理论比经典的引力理论进了一步。 在法拉第和麦克斯韦之后,人们看到物理的实在除了粒子还有电磁场。电磁场具有动量和能量且能传播电磁波。这使人们联想万有引力定律也是物理的实在,能传播引力波,也有许多人努力探测它,但尚无很好的结果。电磁波的传播可用光子解释,类似地,光子也导致引力子概念的引出。万有引力也不再是超距作用,而以引力子为媒介。但这些都是物理学家正在探索的领域。 经典力学的适用范围并引入普朗克常量和真空中光速来界定经典力学的领地。粗糙的说,经典的万有引力定律适用范围也可用一数量表示。现在引入引力半径,G、m分别表示引力常量和产生引力场的球体的球体的质量,c为光速。用R表示产生力场球体之半径,若,则可用牛顿引力定律。对于太阳,,应用牛顿引力定律无问题;即使是对致密的白矮星,,也仍然可用牛顿万有引力定律;至于黑洞和宇宙大爆炸,应当是应用广义相对论的。 引力常量 牛顿在推出万有引力定律时,没能得出引力常量G的具体值。G的数值于1789年由卡文迪许利用他所发明的扭秤得出。卡文迪许的扭秤试验,不仅以实践证明了万有引力定律,同时也让此定律有了更广泛的使用价值。 扭秤的基本原理是在一根刚性杆的两端连结相距一定高度的两个相同质量的重物,通过秤杆的中心用一扭丝悬挂起来。秤杆可以绕扭丝自由转动,当重力场不均匀时,两个质量所受的重力不平行。这个方向上的微小差别在两个质量上引起小的水平分力,并产生一个力矩使悬挂系统绕扭丝转动,直到与扭丝的扭矩平衡为止。扭丝上的小镜将光线反射到记录相板上。当扭丝转动时,光线在相板上移动的距离标志着扭转角的大小。平衡位置与扭秤常数和重力位二次导数有关。在一个测点上至少观测3个方位,确定4个二次导数值,测量精度一般达几厄缶。 根据扭力系统的构造形状,分为z型、L型和斜臂式扭秤。z型扭秤由一个轻金属制成的z型秤臂、两个质量相等的重荷和一根细金属丝组成的。两个重荷分别固定在z型秤臂的两端。细金属丝将整个系统悬挂起来,组成一套扭力系统。由于两个重荷处于不同的位置,所以,当通过两个重荷的重力等位面Q₁和Q₂。互不平行或弯曲时,两个重荷将受到重力场水平分量的作用。当重力场水平分量gH₁和gH₂的大小和方向不同时,秆臂就要绕着扭丝转动,直到水平旋转的重力矩和扭丝的扭力矩相平衡为止。秤臂偏转的角度除和扭力系统的构造和扭丝的扭力系数有关外,还和两个重荷间的重力变化有关。因此,准确记录扭力系统的偏角,就可以求出重力位的二次导数。由于扭力系统的灵敏度很高,秤臂稳定下来的时间较长。同时还需要在3~5个方向上照相记录,所以,仪器附有自动控制系统,并安放在特制的小房里工作。仪器的操作和测量结果的计算都比较烦琐,每测—个点需要2~3小时,工件效率较低。 扭秤的测量结果用矢量图表示,用一短线表示曲率,矢量方向相应于最小曲率平面的方位,矢量长度表示等位面曲率差大小。在短线中心以箭头画出总梯度,指向重力增加的方向。 扭秤的灵敏度很高并可测多个参数,但是也有其不足之处。由于具有极高的灵敏度,对于测试环境的要求也很高,易受外界干扰,包括温度、地面震动、大气压强波动、扭丝的滞弹性效应等。因此对于精度要求不高的重力测量工作,一般都是重力仪去完成。但是对于高精度的测量,如引力物理方面的测量,以及高精度仪器的验证以及标定,都需要利用扭秤来完成。因此即便是如今,扭秤在实验物理领域也有着相当重要的地位。 卡文迪许测出的G=6.67×10⁻¹¹N·m²/kg²,与现在的公认值6.67×10⁻¹¹N·m²/kg²极为接近;直到1969年G的测量精度还保持在卡文迪许的水平上。 科学意义 万有引力定律的发现,是17世纪自然科学最伟大的成果之一。它把地面上物体运动的规律和天体运动的规律统一了起来,对以后物理学和天文学的发展具有深远的影响。它第一次解释了(自然界中四种相互作用之一)一种基本相互作用的规律,在人类认识自然的历史上树立了一座里程碑。 万有引力定律揭示了天体运动的规律,在天文学上和宇宙航行计算方面有着广泛的应用。它为实际的天文观测提供了一套计算方法,可以只凭少数观测资料,就能算出长周期运行的天体运动轨道,科学史上哈雷彗星、海王星、冥王星的发现,都是应用万有引力定律取得重大成就的例子。利用万有引力公式,开普勒第三定律等还可以计算太阳、地球等无法直接测量的天体的质量。牛顿还解释了月亮和太阳的万有引力引起的潮汐现象。他依据万有引力定律和其他力学定律,对地球两极呈扁平形状的原因和地轴复杂的运动,也成功的做了说明。推翻了古代人类认为的神之引力。 对文化发展有重大意义:使人们建立了有能力理解天地间的各种事物的信心,解放了人们的思想,在科学文化的发展史上起了积极的推动作用。 |
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