万有引力定律的推导

bdqnwqk3个月前问题12

万有引力的推导:若将行星的轨道近似的看成圆形,从开普勒第二定律可得行星运动的角速度是一定的,即:
ω=2π/T(周期)
如果行星的质量是m,离太阳的距离是r,周期是T,那么由运动方程式可得,行星受到的力的作用大小为
mrω^2=mr(4π^2)/T^2
另外,由开普勒第三定律可得
r^3/T^2=常数k'
那么沿太阳方向的力为
mr(4π^2)/T^2=mk'(4π^2)/r^2
由作用力和反作用力的关系可知,太阳也受到以上相同大小的力。从太阳的角度看,
(太阳的质量M)(k'')(4π^2)/r^2
是太阳受到沿行星方向的力。因为是相同大小的力,由这两个式子比较可知,k'包含了太阳的质量M,k''包含了行星的质量m。由此可知,这两个力与两个天体质量的乘积成正比,它称为万有引力。
如果引入一个新的常数(称万有引力常数),再考虑太阳和行星的质量,以及先前得出的4·π2,那么可以表示为
万有引力=GmM/r^2

当两物体间的距离r趋于零时

严格来说,万有引力定律只适用于质点,但在实际的问题中,不存在严格是质点的物体,但是当它们的距离远远大于它们的几何尺寸时,把它们近似看成质点,那么近似程度也是很好的。对于距离和它们几何尺寸相差不大的物体,计算它们的万有引力时不能直接采用高中课本上的公式F=Gm1m2/r*r,必须采用微分形式,然后再积分。(如果你是高中生的话,这已经超出要求了)。但可以明确告诉你的时,距离趋向零时万有引力不会趋向无穷大,而是趋向于零。举个形象的例子吧,假如把一个均匀的球体放到地球的球心去,此时用弹簧称测量它的重力,你会惊讶地发现,弹簧称的示数竟然是零,而不是无穷大!呵呵

行星的椭圆轨道是否能用万有引力定律(F=MmG/r^2)解释? 行星的椭圆轨道在力学范围内如何解释?

公式F=MmG/r^2适用于任何两个物体(引力不能特别强,否则要用广义相对论处理),椭圆轨道的r在不断变化,计算轨道时要用微积分。在引力和距离的平方成反比(且不受其他行星干扰)的情况下,行星的运行轨迹只有圆,椭圆,抛物线三种情况