2017年物理學術論文

2017年物理學術論文

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　　2017年物理學術論文篇一

　　萬有引力與重力

　　【摘 要】地球對物體的引力是物體具有重力的根本原因。但重力又不完全等于引力，這是因為地球在不停地自轉，地球上的一切物體都隨著地球自轉而繞地軸做勻速圓周運動，這就需要向心力，向心力來自哪里?只能來自地球對物體的萬有引力，它是萬有引力的一個分力，另一個分力是物體的重力。本文通過討論萬有引力和重力的特點，說明了萬有引力與重力的區別和聯系。

　　【關鍵詞】萬有引力 重力 向心力

　　【中圖分類號】O314 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-4810(2011)23-0144-02

　　牛頓看到蘋果落地發現了萬有引力，這只是一種傳說。但是，牛頓經過長期觀察研究，產生如下假想：太陽、行星以及離我們很遠的恒星，不管彼此相距多遠，都是互相吸引著，其引力隨距離的增大而減小，地球和其他行星繞太陽轉，就是靠這樣的引力維持。同樣，地球不僅吸引地面上和表面附近的物體，而且也可以吸引很遠的物體(如月亮)，其引力也是隨距離的增大而減弱。牛頓進一步猜想，宇宙間任何物體間都存在吸引力，這些力具有相同的本質，遵循同樣的力學規律，其大小都與兩者間距離的平方成反比，這就是萬有引力定律。

　　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起來，對以后物理學和天文學的發展具有深遠的影響。它第一次解釋了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。

　　地球對物體的引力是物體具有重力的根本原因，但重力又不完全等于引力，這是因為地球在不停地自轉，地球上的一切物體都隨著地球自轉而繞地軸做勻速圓周運動，這就需要向心力。那么，萬有引力、重力、物體繞地球轉動的向心力三者之間有什么關系呢?

　　一 萬有引力

　　牛頓經過進一步的研究，證實了關于地球和物體間、各天體之間的引力都屬于同一種性質力，都遵循同樣的力學規律的假想是正確的。牛頓把這種引力規律做了合理的推廣，于1687年在《自然哲學的數學原理》上發表了萬有引力定律。其核心內容是：任意兩個質點有通過連心線方向上的力相互吸引，該引力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。其數學表達式為：

　　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，就能算出按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，成功地解釋了地球兩極呈扁平形狀的原因和地軸復雜的運動，推翻了古代人類認為的神之引力。

　　牛頓在推出萬有引力定律的同時，并沒能得出引力常量G的具體值。G的數值于1789年由卡文迪許利用他所發明的扭秤得出。卡文迪許的扭秤試驗，不僅以實踐證明了萬有引力定律，同時也讓此定律有了更廣泛的使用價值。

　　1798年，即在牛頓發現萬有引力定律一百多年以后，英國物理學家卡文迪許，巧妙地利用扭秤裝置，第一次在實驗室里比較準確地測出了引力常量。

　　卡文迪許扭秤的主要部分是一個輕而堅固的T形架，倒掛在一根金屬絲的下端，T形架水平部分的兩端各裝一個質量是m的小球，T形架的豎直部分裝一面小平面鏡M，它能把射來的光線反射到刻度尺上，這樣就能比較精確地測量金屬絲的扭轉。

　　實驗時，把兩個質量都是m'的大球放在圖1所示的位置，它們與小球的距離相等。由于m受到m'的吸引，T形架受到力矩作用而轉動，使金屬絲發生扭轉，產生相反的扭轉力矩，阻礙T形架轉動。當這兩個力矩平衡時，T形架停下來不動。這時金屬絲扭轉的角度可以從小鏡M反射的光點在刻度尺上移動的距離求出，再根據金屬絲的扭轉力矩跟扭轉角度的關系，就可以算出這時的扭轉力矩，進而求得m與m'的引力F。卡文迪許經過多次實驗，證明牛頓的萬有引力定律是正確的，并測出了引力常量。卡文迪許測出的G=6.7×10-11 Nm2/kg2，與現在的公認值6.67×10-11Nm2/kg2極為接近。

　　二 重力

　　由于地球的吸引而使物體受到的力，叫做重力。重力的方向總是豎直向下，但不一定是指向地心的(只有在赤道和兩極指向地心)。地面上同一點處物體受到重力的大小與物體的質量m成正比，同樣，當m一定時，物體所受重力的大小與重力加速度g成正比，用關系式G=mg表示。通常在地球表面附近，g值約為9.8牛每千克。物體的各個部分都受重力的作用。但是，從效果上看，我們可以認為各部分受到的重力作用都集中于一點，這個點就是重力的等效作用點，叫做物體的重心。

　　三 萬有引力和重力的關系

　　重力并不等于地球對物體的萬有引力，由于地球本身的自轉，除了兩極以外，地面上其他地點的物體，都隨著地球一起圍繞地軸做近似勻速圓周運動，這就需要有垂直指向地軸的向心力，這個向心力只能由地球對物體的萬有引力來提供，我們可以把地球對物體的萬有引力分解為兩個分力，一個分力F1，方向指向地軸，大小等于物體繞地軸做近似勻速圓周運動所需的向心力;另一個分力G就是物體所受的重力。其中萬有引力的重力分量提供重力加速度，萬有引力的向心力分量提供保持隨地球自轉的向心加速度。

　　根據以上論述，當物體處于地球表面的某一點時，物體受到地球的萬有引力F引，該引力可分解為繞地球自轉的向心力F1和物體受到的重力F2，萬有引力分解圖見圖2。

　　四 萬有引力與重力的大小關系

　　當物體在赤道上，萬有引力F引、向心力F1、重力G(F2)三力方向相同，均指向地心，此時向心力F1達到最大值，重力G達到最小值，三者的大小關系如下：

　　G=F引-F1=

　　當物體在兩極時，F1=0，G=mg，此時重力等于萬有引

　　力，重力達到最大值，此時重力G=F引= =mg。

　　當物體由赤道向兩極移動的過程中，向心力減小，重力增大，萬有引力F引、向心力F1、重力G(F2)三力間符合平行四邊形定則。

　　五 結論

　　通過上述討論，使我們認識到地面附近的物體由于地球的萬有引力而受到重力作用。但物體所受的重力一般并不等同與地球對物體的萬有引力，地球對物體的萬有引力會產生兩個效果：一個效果是使物體隨地球一起參與地球的自轉，另一個效果是使物體落向地面(或壓在地面上)。也就是說，萬有引力可以分解為兩個力，即維持物體隨地球自轉也就是繞地軸做勻速圓周運動所需的向心力和物體的重力。

　　參考文獻

　　[1]趙景員.力學[M].北京：人民教育出版社，1979

　　[2]漆安慎、杜嬋英.力學[M].北京：高等教育出版社，2002.09

　　[3]劉克哲.物理學[M].北京：高等教育出版社，2002.03

　　[4]張大昌.普通高中課程標準實驗教科書(物理)[M].北京：人民教育出版社，2007

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