萬有引力是怎么產(chǎn)生的

　　萬有引力，相信很多人在中學的物理課本上就學習過，那么你對萬有引力了解多少呢?下面由學習啦小編為你詳細介紹萬有引力的相關知識。

　　萬有引力是怎么產(chǎn)生的：

　　萬有引力定律是艾薩克·牛頓在1687年于《自然哲學的數(shù)學原理》上發(fā)表的。牛頓的普適的萬有引力定律表示如下：任意兩個質(zhì)點有通過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，與兩物體的化學組成和其間介質(zhì)種類無關。

　　正在宇宙中,我們幾乎找不到任何兩個有距離的物體能夠不通過任何物質(zhì),而發(fā)生任何互相作用,那種不通過任何物質(zhì)的"隔空意念移物"式的作用是不存在的。任何物質(zhì)都不能與沒有任何物質(zhì)的空間發(fā)生任何相互作用,任何兩個有距離的物體如果發(fā)生了任何作用,中間一定有某種相關物質(zhì)和它們都能接觸,將它們聯(lián)系起來,萬有引力也不例外。因為宇宙中的一切物體相互作用都是由能量來傳遞,而只有物質(zhì)才具有能量,能量必須以物質(zhì)為載體。

　　萬有引力推理依據(jù)：

　　伽利略在1632年實際上已經(jīng)提出離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關系的思想.牛頓在1665～1666年的手稿中，用自己的方式證明了離心力定律，但向心力這個詞可能首先出現(xiàn)在《論運動》的第一個手稿中。一般人認為離心力定律是惠更斯在1673年發(fā)表的《擺鐘》一書中提出來的。根據(jù)1684年8月～10月的《論回轉(zhuǎn)物體的運動》一文手稿中，牛頓很可能在這個手稿中第一次提出向心力及其定義。

　　萬有引力與相作用的物體的質(zhì)量乘積成正比，是發(fā)現(xiàn)引力平方反比定律過渡到發(fā)現(xiàn)萬有引力定律的必要階段.·牛頓從1665年至1685年，花了整整20年的時間，才沿著離心力—向心力—重力—萬有引力概念的演化順序，終于提出“萬有引力”這個概念和詞匯。·牛頓在《自然哲學的數(shù)學原理》第三卷中寫道：“最后，如果由實驗和天文學觀測，普遍顯示出地球周圍的一切天體被地球重力所吸引，并且其重力與它們各自含有的物質(zhì)之量成比例，則月球同樣按照物質(zhì)之量被地球重力所吸引。另一方面，它顯示出，我們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，彗星同樣被太陽的重力所吸引。由于這個規(guī)則，我們必須普遍承認，一切物體，不論是什么，都被賦與了相互的引力(gravitation)的原理。因為根據(jù)這個表象所得出的一切物體的萬有引力(universal gravitation)的論證……”

　　牛頓在1665～1666年間只用離心力定律和開普勒第三定律，因而只能證明圓軌道上的而不是橢圓軌道上的引力平方反比關系。在1679年，他知道運用開普勒第二定律，但是在證明方法上沒有突破，仍停留在1665～1666年的水平。只是到了1684年1月，哈雷、雷恩、胡克和牛頓都能夠證明圓軌道上的引力平方反比關系，都已經(jīng)知道橢圓軌道上遵守引力平方反比關系，但是最后可能只有牛頓才根據(jù)開普勒第三定律、從離心力定律演化出的向心力定律和數(shù)學上的極限概念或微積分概念，才用幾何法證明了這個難題。

　　萬有引力假設檢驗：

　　牛頓的猜想

　　地球與太陽之間的吸引力與地球?qū)χ車矬w的引力可能是同一種力，遵循相同的規(guī)律。

　　猜想的依據(jù)

　　(1)行星與太陽之間的引力使行星不能飛離太陽，物體與地球之間的引力使物體不能離開地球;(2)在離地面很高的距離里，都不會發(fā)現(xiàn)重力有明顯的減弱，那么這個力必然延伸到很遠的地方。

　　檢驗的思想

　　如果猜想正確，月球在軌道上運動的向心加速度與地面重力加速度的比值，應該等于地球半徑平方與月球軌道半徑平方之比，即 1/3600。

　　檢驗的結果

　　地面物體所受地球的引力，與月球所受地球的引力是同一種力。

　　萬有引力公式：

　　公式表示

　　F: 兩個物體之間的引力

　　G:萬有引力常量

　　m1: 物體1的質(zhì)量

　　m2: 物體2的質(zhì)量

　　r: 兩個物體之間的距離(大小)(r表示徑向矢量)

　　依照國際單位制，F(xiàn)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(shù)G近似地等于

　　G=6.67×10⁻¹¹ N·m²/kg²(牛頓平方米每二次方千克)。

　　由此可知排斥力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(guī)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作用力。)

　　適用范圍

　　經(jīng)典萬有引力定律反映了一定歷史階段人類對引力的認識，在十九世紀末發(fā)現(xiàn)，水星在近日點的移動速度比理論值大，即發(fā)現(xiàn)水星軌道有旋緊，軌道旋緊的快慢的實際值為每世紀42.9″。這種現(xiàn)象用萬有引力定律無法解釋，而根據(jù)廣義相對論計算的結果旋緊是每世紀43.0″，在觀測誤差允許的范圍內(nèi)。此外，廣義相對論還能較好地解釋譜線的紅移和光線在太陽引力作用下的偏轉(zhuǎn)等現(xiàn)象。這表明廣義相對論的引力理論比經(jīng)典的引力理論進了一步。

　　在法拉第和麥克斯韋之后，人們看到物理的實在除了粒子還有電磁場。電磁場具有動量和能量且能傳播電磁波。這使人們聯(lián)想萬有引力定律也是物理的實在，能傳播引力波，也有許多人努力探測它，但尚無很好的結果。電磁波的傳播可用光子解釋，類似地，光子也導致引力子概念的引出。萬有引力也不再是超距作用，而以引力子為媒介。但這些都是物理學家正在探索的領域。

　　經(jīng)典力學的適用范圍并引入普朗克常量和真空中光速來界定經(jīng)典力學的領地。粗糙的說，經(jīng)典的萬有引力定律適用范圍也可用一數(shù)量表示?，F(xiàn)在引入引力半徑 ，G、m分別表示引力常量和產(chǎn)生引力場的球體的球體的質(zhì)量，c為光速。用R表示產(chǎn)生力場球體之半徑，若 ，則可用牛頓引力定律。對于太陽， ,應用牛頓引力定律無問題;即使是對致密的白矮星， ，也仍然可用牛頓萬有引力定律;至于黑洞和宇宙大爆炸，應當是應用廣義相對論的。

　　引力常量

　　牛頓在推出萬有引力定律時，沒能得出引力常量G的具體值。G的數(shù)值于1789年由卡文迪許利用他所發(fā)明的扭秤得出?？ㄎ牡显S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。

　　扭秤的基本原理是在一根剛性桿的兩端連結相距一定高度的兩個相同質(zhì)量的重物，通過秤桿的中心用一扭絲懸掛起來。秤桿可以繞扭絲自由轉(zhuǎn)動，當重力場不均勻時，兩個質(zhì)量所受的重力不平行。這個方向上的微小差別在兩個質(zhì)量上引起小的水平分力，并產(chǎn)生一個力矩使懸掛系統(tǒng)繞扭絲轉(zhuǎn)動，直到與扭絲的扭矩平衡為止。扭絲上的小鏡將光線反射到記錄相板上。當扭絲轉(zhuǎn)動時，光線在相板上移動的距離標志著扭轉(zhuǎn)角的大小。平衡位置與扭秤常數(shù)和重力位二次導數(shù)有關。在一個測點上至少觀測3個方位，確定4個二次導數(shù)值，測量精度一般達幾厄缶。

　　根據(jù)扭力系統(tǒng)的構造形狀，分為z型、L型和斜臂式扭秤。z型扭秤由一個輕金屬制成的z型秤臂、兩個質(zhì)量相等的重荷和一根細金屬絲組成的。兩個重荷分別固定在z型秤臂的兩端。細金屬絲將整個系統(tǒng)懸掛起來，組成一套扭力系統(tǒng)。由于兩個重荷處于不同的位置，所以，當通過兩個重荷的重力等位面Q₁和Q₂?；ゲ黄叫谢驈澢鷷r，兩個重荷將受到重力場水平分量的作用。當重力場水平分量gH₁和gH₂的大小和方向不同時，稈臂就要繞著扭絲轉(zhuǎn)動，直到水平旋轉(zhuǎn)的重力矩和扭絲的扭力矩相平衡為止。秤臂偏轉(zhuǎn)的角度除和扭力系統(tǒng)的構造和扭絲的扭力系數(shù)有關外，還和兩個重荷間的重力變化有關。因此，準確記錄扭力系統(tǒng)的偏角，就可以求出重力位的二次導數(shù)。由于扭力系統(tǒng)的靈敏度很高，秤臂穩(wěn)定下來的時間較長。同時還需要在3～5個方向上照相記錄，所以，儀器附有自動控制系統(tǒng)，并安放在特制的小房里工作。儀器的操作和測量結果的計算都比較煩瑣，每測—個點需要2～3小時，工件效率較低。

　　扭秤的測量結果用矢量圖表示，用一短線表示曲率，矢量方向相應于最小曲率平面的方位，矢量長度表示等位面曲率差大小 。在短線中心以箭頭畫出總梯度，指向重力增加的方向。

　　扭秤的靈敏度很高并可測多個參數(shù)，但是也有其不足之處。由于具有極高的靈敏度，對于測試環(huán)境的要求也很高，易受外界干擾，包括溫度、地面震動、大氣壓強波動、扭絲的滯彈性效應等。因此對于精度要求不高的重力測量工作，一般都是重力儀去完成。但是對于高精度的測量，如引力物理方面的測量，以及高精度儀器的驗證以及標定，都需要利用扭秤來完成。因此即便是如今，扭秤在實驗物理領域也有著相當重要的地位。

　　卡文迪許測出的G=6.67×10⁻¹¹N·m²/kg² ，與現(xiàn)在的公認值6.67×10⁻¹¹N·m²/kg²極為接近;直到1969年G的測量精度還保持在卡文迪許的水平上。

　　科學意義

　　萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)，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(guī)律和天體運動的規(guī)律統(tǒng)一了起來，對以后物理學和天文學的發(fā)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(guī)律，在人類認識自然的歷史上樹立了一座里程碑。

　　萬有引力定律揭示了天體運動的規(guī)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(shù)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(fā)現(xiàn)，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(zhì)量。牛頓還解釋了月亮和太陽的萬有引力引起的潮汐現(xiàn)象。他依據(jù)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復雜的運動，也成功的做了說明。推翻了古代人類認為的神之引力。

　　對文化發(fā)展有重大意義：使人們建立了有能力理解天地間的各種事物的信心，解放了人們的思想，在科學文化的發(fā)展史上起了積極的推動作用。