Lesson 01

Newton's Law of Universal Gravitation

牛顿万有引力定律、引力场与引力势能

地面附近的重力是一个更普遍相互作用的局部表现。从两物体间的引力出发,我们将得到重力场和势能,再用它们解释月球为什么不断下落却不落到地面。

1. Newton's law of universal gravitation

Newton's law of universal gravitation 万有引力定律给出两质点之间的吸引力大小:

\[\begin{gathered} F_g=G\frac{m_1m_2}{r^2}, \\ G=6.67\times10^{-11}\,\mathrm{N\,m^2/kg^2}. \end{gathered}\]

\(r\) 是质点间距离。力沿连线,分别指向对方,两物体受到等大反向的力。球对称物体在外部产生的引力可以等效为质量集中在球心;对一般非球形物体不能随意采用这个替代。

多物体产生的引力遵循叠加原理:\(\vec F_{\mathrm{net}}=\sum\vec F_i\),必须先确定方向再作矢量和。若质量连续分布,就把每个质量元的贡献积分。下一步把受力除以测试物体的质量,把源物体的影响单独描述。

2. Gravitational fields and field lines

Gravitational field 重力场定义为单位测试质量受到的引力,\(\vec g=\vec F_g/m\),单位既可写 \(\mathrm{N/kg}\),也可写 \(\mathrm{m/s^2}\)。球对称质量 \(M\) 的外部有

\[\vec g=-\frac{GM}{r^2}\hat r.\]

场的方向向球心,大小随距离平方反比减小。场线表示方向与相对强弱,不是物体一定遵循的轨迹。地面附近 \(r\approx R\),因此 \(g\approx GM/R^2\) 可以近似不变。

Newton's shell theorem 牛顿球壳定理说明,均匀球壳内部的净重力场为零;球对称实心物体内部只需计入观察半径内的质量。对密度均匀的球,\(M(r)=Mr^3/R^3\),于是内部 \(g(r)=GMr/R^3\),而非继续使用外部的 \(GM/r^2\)。这条线性关系会在简谐运动中回来。现在把变力对应的势能写出。

球对称物体的外部重力场向中心

3. Gravitational potential energy

取两质量无限分离时势能为零,沿半径积分引力,得到球对称物体外部的 gravitational potential energy 引力势能:

\[\begin{gathered} U_g=-\frac{GMm}{r}, \\ W_g=-\Delta U_g. \end{gathered}\]

有限距离时势能为负,表示需要输入能量才能把两个物体分离到无限远。距离增大时 \(U_g\) 增大、引力做负功;距离减小时相反。负势能不是负动能,也不表示能量“无法存在”。多个质量的势能按不同质量对相加,\(U=-\sum_{i<j}Gm_im_j/r_{ij}\),每对只计一次。

若从半径 \(R\) 增加很小高度 \(h\ll R\),\(\Delta U_g\approx GMmh/R^2=mgh\)。地面公式是一般公式的局部近似。要解释轨道,还需要理解改变速度方向所需的加速度。

回到顶部 ↑