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萬有引力定律

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萬有引力定律是解釋物體之間的相互作用的引力的定律。定律內容為任意兩個質點通過連心線方向上的力相互吸引。該引力的的大小與它們的質量乘積成正比,與它們距離的平方成反比,與兩物體的化學本質或物理狀態以及中介物質無關。

1 萬有引力定律 -簡介

萬有引力定律萬有引力定律

萬有引力定律是艾薩克·牛頓在前人(開普勒、胡克、雷恩、哈雷)研究的基礎上,憑藉他的數學能力證明,在1687年於《自然哲學的數學原理》上發表的。萬有引力定律是解釋物體(質點)間由於它們的引力質量而引起的相互吸引力所遵循的規律。

牛頓的普適萬有引力定律表示如下:任意兩個質點通過連心線方向上的力相互吸引。該引力的的大小與它們的質量乘積成正比,與它們距離的平方成反比,與兩物體的化學本質或物理狀態以及中介物質無關。

2 萬有引力定律 -定律內容

表述
萬有引力定律萬有引力定律

自然界中任何兩個物體都是相互吸引的,引力的大小與兩物體的質量的乘積成正比,與兩物體間距離的平方成反比。

公式

F=G*Mm/R2(G=6.67259×10^-11N?m^2/kg^2) 可以讀成F等於G乘以M1M2除以R的平方商 

F: 兩個物體之間的引力  

G: 萬有引力常數  

m1: 物體1的質量  

m2: 物體2的質量  

r: 兩個物體之間的距離  

依照國際單位制,F的單位為牛頓(N),m1和m2的單位為千克(kg),r 的單位為米(m),常數G近似地等於6.67 × 10^-11 N*m^2*kg^?2(牛頓米的平方每千克的平方)。 

式中表明,排斥力F一直都將不存在,這意味著凈加速度的力是絕對的。(這個符號規約是為了與庫侖定律相容而訂立的,在庫侖定律中絕對的力表示兩個電子之間的排斥力。)

3 萬有引力定律 -應用

萬有引力定律萬有引力定律

萬有引力定律揭示了天體運動的規律,在天文學上和宇宙航行計算方面有著廣泛的應用。它為實際的天文觀測提供了一套計算方法,可以只憑少數觀測資料,就能算出長周期運行的天體運動軌道,科學史上哈雷彗星、海王星、冥王星的發現,都是應用萬有引力定律取得重大成就的例子。利用萬有引力公式、開普勒第三定律等還可以計算太陽、地球等無法直接測量的天體的質量。牛頓還解釋了月亮和太陽的萬有引力引起的潮汐現象。他依據萬有引力定律和其他力學定律,對地球兩極呈扁平形狀的原因和地軸複雜的運動,也成功的做了說明。

1856年修建的愛荷華州迪比克散彈塔極大數量的機械發明的正常運行在某種程度上依賴於重力而實現。例如,高度差可以提供有用的液壓,這是靜脈滴注和水塔的運作原理。利用水的重力勢能發電的水力發電裝置亦可以這種能量將電車推上斜坡。同樣,纜繩上懸挂的重物可通過滑輪使纜繩及纜繩位於滑輪另一邊的那一部分持續地繃緊。 

還有更多的例子:比如說熔鉛,當鉛水從散彈塔的頂端灌入后,會變成一顆顆如雨點一般散落的鉛彈——首先被分離成為多個小液滴,形成熔融狀態的球體,之後逐漸凝固為固體,並在被眾多相同的熔融石的共同作用下,最終在自由落體中冷卻形成球形或近球形。重力驅動時鐘由重力勢能提供運行的能量,擺鐘則依賴於重力來校準時間。人造衛星的正常運行則是運用牛頓《原理》計算的結果。

4 萬有引力定律 -意義

萬有引力定律的發現,是17世紀自然科學最偉大的成果之一。它把地面上物體運動的規律和天體運動的規律統一了起來,對以後物理學和天文學的發展具有深遠的影響。它第一次解釋了(自然界中四種相互作用之一)一種基本相互作用的規律,在人類認識自然的歷史上樹立了一座里程碑。

5 萬有引力定律 -存在問題

萬有引力定律牛頓

儘管牛頓對重力的描述對於眾多實踐運用來說十分地精確,但它也具有幾大理論問題且被證明是不完全正確的。   

理論問題

沒有任何徵兆表明重力的傳送媒介可以被識別出,牛頓自己也對這種無法說明的超距作用感到不滿意。他從來沒有在他的文字中「賦予產生這種能力的原因」。在其它情況下,他使用運動的現象來解釋物體受到不同力的作用的原因,但是對於重力這種情況,他卻無法用實驗方法來確認運動產生了重力。此外,他甚至還拒絕對這個由地面產生的力的起因提出假設,而這一切都違背了科學證據的原則。  

牛頓對重力的發現埋葬了「哲學家至今仍在愚蠢地試圖探索自然」這句所謂的真理,就同他深信著的「有各種因素」使得「各種迄今未知的原因」是所有「自然現象」的基礎。這些基本的現象至21世紀仍在研究中,而且,雖然存在著許多種的假設,最終答案仍然沒有找出。

牛頓的理論需要定義重力可以瞬時傳播。因此給出了古典自然時空觀的假設,這樣亦能使約翰內斯·開普勒所觀測到的角動量守恆成立。但是,這與愛因斯坦的狹義相對論理論有直接的衝突,因為狹義相對論定義了速度的極限——真空中的光速——在此速度下信號可以被傳送。   

觀測結果的不符

牛頓的理論並不能完全地解釋出水星在沿其軌道運動到近日點時出現的進動現象進動。牛頓學說的預言(由其它行星的重力拖曳產生)與實際觀察到的進動相比每世紀會出現43弧秒的誤差。 

牛頓的理論預言的重力作用下光線的偏折只有實際觀測結果的一半。廣義相對論則與觀察結果更為接近。 

所有物體的重力質量與慣性質量相同的這一觀測現象是牛頓的系統所不能解釋的。廣義相對論則將它作為一個基本條件。 

 

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