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重力和引力,,到底什么關(guān)系

 當(dāng)以讀書(shū)通世事 2023-07-11 發(fā)布于甘肅
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?牛頓和蘋(píng)果

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    說(shuō)到萬(wàn)有引力,,牛頓和蘋(píng)果的故事流傳甚廣:

    牛頓有一天在一棵蘋(píng)果樹(shù)下,一棵熟透了的蘋(píng)果掉下來(lái)砸在牛頓頭上。牛頓就在思考:為什么蘋(píng)果熟了就要掉下來(lái)?而不是掉上去? 進(jìn)而繼續(xù)假設(shè):如果蘋(píng)果樹(shù)像月亮一樣高,那為什么月亮不會(huì)掉下來(lái)?一定有一種力把月亮拉著,讓月亮不會(huì)掉到地球上來(lái),。

     經(jīng)過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn),、觀測(cè)和演算,牛頓發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)的引力與它巨大的質(zhì)量密切相關(guān),。牛頓進(jìn)而揭示了宇宙的普遍規(guī)律:凡物體都有吸引力,;質(zhì)量越大,吸引力也越大,;間距越大,,吸引力就越小。這就是經(jīng)典力學(xué)中著名的“萬(wàn)有引力定律”,。

    但是,,好遺憾:這個(gè)從小勵(lì)志小學(xué)生要善于觀察,勤于思考的故事,,是假的。

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02

什么是重力

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     不論初中物理還是高中物理(必修一,,)關(guān)于重力是這樣定義的:地面附近一切物體都受到地球的吸引,,由于地球的吸引而使物體受到的力叫做重力。

     書(shū)上沒(méi)有說(shuō)重力就是引力,,也沒(méi)有說(shuō)重力等于引力,。

      初中物理常遇到的一個(gè)迷惑錯(cuò)誤選項(xiàng):重力就是吸引力,會(huì)被學(xué)生誤解,;而高中由于會(huì)學(xué)習(xí)不在同一直線力的合成與分解,,雖然更容易理解重力和萬(wàn)有引力的關(guān)系,但其實(shí)高中物理在很多問(wèn)題上研究地表運(yùn)動(dòng),,會(huì)有兩個(gè)力相等的近似處理,,也會(huì)讓學(xué)生迷惑。

     在早期,,人們認(rèn)為地球是一個(gè)慣性系,,所以地表附近相對(duì)地球靜止的物體需要處于平衡狀態(tài),。在研究問(wèn)題的時(shí)候,會(huì)發(fā)現(xiàn)重力的存在,。例如懸掛著的物體,,由于平衡態(tài)必受平衡力,他受到繩子對(duì)它向上的拉力以及重力,,二力平衡,。那么可以通過(guò)用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)量拉力的大小來(lái)知道重力的大小,重力的方向?yàn)樨Q直向下,,而它的性質(zhì)人們初步意識(shí)到是與地球的吸引有關(guān),。

        后來(lái)人們發(fā)現(xiàn)地球在不停自轉(zhuǎn),也就是說(shuō)地面附近的物體都在做圓周運(yùn)動(dòng),,地球成為了一個(gè)非慣性系,。那同樣懸掛著的物體,也要進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng),,那兩個(gè)力拉力與重力將不再平衡,。其中拉力作為繩上的彈力,它的大小和性質(zhì)沒(méi)有改變,,只能更改另一個(gè)力,,也就是對(duì)重力的認(rèn)識(shí)。

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03

什么是萬(wàn)有引力

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     萬(wàn)有引力定律是艾薩克·牛頓在1687年于《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》上發(fā)表的,。牛頓的普適的萬(wàn)有引力定律表示如下:

      任意兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)有通過(guò)連心線方向上的力相互吸引,。該引力大小與它們質(zhì)量的乘積成正比與它們距離的平方成反比,與兩物體的化學(xué)組成和其間介質(zhì)種類無(wú)關(guān),。

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公式說(shuō)明:

F: 兩個(gè)物體之間的引力

G:萬(wàn)有引力常量,,G=6.67×10^11 N·m2 /kg2

M: 物體1的質(zhì)量

m: 物體2的質(zhì)量

      用簡(jiǎn)單的話說(shuō),任何兩個(gè)物體之間都會(huì)產(chǎn)生引力,。之所以我們感受不到桌子對(duì)我們的“ 引力” ,,是因?yàn)槲覀兒妥雷拥馁|(zhì)量太小,產(chǎn)生的引力太小,。而地球的質(zhì)量是60萬(wàn)億億,,其產(chǎn)生的引力能夠被人感受到。

         重力和引力是什么關(guān)系呢,?

      地球上的一切物體都隨著地球的自轉(zhuǎn)而繞地軸做勻速圓周運(yùn)動(dòng),,這就需要向心力,這個(gè)向心力的方向是垂直指向地軸的,,它的大小為f=mrω^2,,式中r是物體距地軸的距離,ω是地球自轉(zhuǎn)的角速度,。這個(gè)向心力只能來(lái)自地球?qū)ξ矬w的引力F,,它是引力F的一個(gè)分力,,引力F的另一個(gè)分力是物體所受的重力mg。因此,,重力mg是物體m所受的萬(wàn)有引力F的一個(gè)分力,,如下圖所示。

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     根據(jù)牛頓萬(wàn)有引力定理,,我們知道地球?qū)ζ渖系奈矬w有引力的作用,。由于地球上的物體要隨地球進(jìn)行自轉(zhuǎn),所以需要向心力,向心力由萬(wàn)有引力提供,。地球?qū)ξ矬w的萬(wàn)有引力在指向地軸的方向上的分力提供向心力,,其余分力就是我們所說(shuō)的重力??梢哉f(shuō)重力是引力的一個(gè)分力,。但在兩極點(diǎn)物體沒(méi)有自轉(zhuǎn),因此不需要向心力,,引力全部用來(lái)產(chǎn)生重力,。

    牛頓整整經(jīng)過(guò)了7個(gè)春秋寒暑,到他30歲時(shí),,終于把舉世聞名的“萬(wàn)有引力定律”全面證明出來(lái),,奠定了理論天文學(xué)、天體力學(xué)的基礎(chǔ),。其實(shí)從物理學(xué)史上有名的牛頓胡克之爭(zhēng)公案,,牛頓花了二十多年的時(shí)間去反復(fù)確認(rèn)。

     可見(jiàn)一個(gè)科學(xué)規(guī)律定理的得出,,離不開(kāi)科學(xué)家的大量的投入科學(xué)探究,,理論探究和實(shí)驗(yàn)探究相結(jié)合,反復(fù)確認(rèn)規(guī)律具有普適性,。

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物理學(xué)史公案補(bǔ)充:

      其實(shí)胡克對(duì)萬(wàn)有引力定律的發(fā)現(xiàn)起了重要作用,。1679年他寫(xiě)信給牛頓,信中認(rèn)為天體的運(yùn)動(dòng)是由于有中心引力拉住的結(jié)果,,而且認(rèn)為引力與距離平方應(yīng)成反比。

       按照這個(gè)想法,,地球表面拋體的軌道應(yīng)該是橢圓,,如果地球能穿透,物體將回到原處,,而不象牛頓所說(shuō)的,,物體的軌跡是一條螺旋線,最終將繞到地心,。

     牛頓對(duì)此沒(méi)有復(fù)信,,但接受了胡克的觀點(diǎn),,以后在開(kāi)普勒關(guān)于行星運(yùn)動(dòng)的第三定律基礎(chǔ)上用數(shù)學(xué)方法導(dǎo)出了萬(wàn)有引力定律。

   1686年牛頓將載有萬(wàn)有引力定律的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》卷一的稿件送給英國(guó)皇家學(xué)會(huì)時(shí),,胡克希望牛頓在序言中能對(duì)他的勞動(dòng)成果“提一下”,,但遭到牛頓的斷然拒絕。這是后來(lái)胡克控告牛頓剽竊他的成果的來(lái)由,。

      據(jù)說(shuō)牛頓曾給胡克回信道:“笛卡爾踏出了很好的一步(指光學(xué)研究),,而你則推進(jìn)了許多方面的發(fā)展......如果我看得更遠(yuǎn)一點(diǎn)的話,是因?yàn)槲艺驹诰奕说募绨蛏??!笨词亲灾t,恭維胡克,。而實(shí)際上胡克身材矮小,,而且有駝背的毛病,明褒暗諷(看來(lái)我們誤會(huì)了這句名言的實(shí)際意思),。

        其實(shí)牛頓早在大約20年前(1666年)就發(fā)現(xiàn)了這一定律,,并寫(xiě)信告訴了他人,并不需要從胡克那里獲悉,。從其他資料看,,牛頓所說(shuō)的是事實(shí)。他在1665年就已發(fā)現(xiàn)了萬(wàn)有引力定律,,并試圖用它計(jì)算月球的軌道,。可惜當(dāng)時(shí)測(cè)定的地球半徑是錯(cuò)的,,牛頓未能獲得滿意的計(jì)算結(jié)果,,就暫時(shí)放棄了這一研究。1670年之后有了更準(zhǔn)確的地球半徑數(shù)據(jù)之后,,牛頓才重新研究引力問(wèn)題,。在哈雷的斡旋下,牛頓的態(tài)度軟化,,進(jìn)一步承認(rèn)胡克的來(lái)信刺激了他重新研究引力問(wèn)題,,并且承認(rèn)胡克告訴了他一些他不知道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。做為妥協(xié),,牛頓提出在《數(shù)學(xué)原理》的有關(guān)部分加一條注解,,說(shuō)明引力反比定律也被雷恩、胡克和哈雷獨(dú)立地發(fā)現(xiàn),。

    《數(shù)學(xué)原理》的發(fā)表給牛頓帶來(lái)極大的聲譽(yù),,也領(lǐng)胡克越發(fā)覺(jué)得自己的貢獻(xiàn)沒(méi)有被承認(rèn)。 1690年,胡克在一次演講中諷刺道:“牛頓幫了我大忙,,我本人多年前首先發(fā)現(xiàn)并向?qū)W會(huì)展示的引力性質(zhì)被他當(dāng)成自己的發(fā)明印刷出版,。”胡可后來(lái)又寫(xiě)下了一篇未出版的備忘錄敘述他與牛頓的爭(zhēng)執(zhí)“真相”,。但胡克的抱怨無(wú)人理睬,,這個(gè)事件讓他變得越來(lái)越抑郁、多疑和妒忌,。1703年3月3日,,胡克在落寞中去世了。

     后來(lái),,胡克和牛頓之爭(zhēng)成為了科學(xué)史上的著名公案,。

      在胡克、牛頓的年代,,科學(xué)剛剛草創(chuàng),,學(xué)術(shù)規(guī)范還未完善,難免經(jīng)常出現(xiàn)優(yōu)先權(quán)的爭(zhēng)執(zhí),。而現(xiàn)在學(xué)術(shù)界奉行的是誰(shuí)先發(fā)表誰(shuí)就有優(yōu)先權(quán),,這在很大程度上避免了爭(zhēng)執(zhí)。由此可見(jiàn),,學(xué)術(shù)規(guī)范化和學(xué)術(shù)研究本身同等重要,。

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