质点对细棒的吸引力公式

bdqnwqk4个月前问题8

质点间的引力公式是F=GMm/(r∧2)。
质点就是有质量但不存在体积或形状的点,是物理学的一个理想化模型。在物体的大小和形状不起作用,或者所起的作用并不显著而可以忽略不计时,我们近似地把该物体看作是一个只具有质量而其体积、形状可以忽略不计的理想物体,用来代替物体的有质量的点称为质点

两个物体靠很近,根据万有引力公式,引力会非常大吗?为什么?

答:这正是万有引力的局限性之一,需要用量子力学或者广义相对论来解决!

万有引力的深层原理,涉及到复杂的广义相对论知识,这里我们不用广义相对论来解释,我们来看量子力学的解释。

万有引力定律描述:可看成两个质点的物体,质量分别是M和m,相对距离r,那么它们之间的万有引力大小为F=GMm/r^2。

该公式利用的前提是,两个物体可以看成质点,对于不可看成质点的物体,该公式将不再适用;比如两物体间的相对距离非常小时,利用该公式将得到发散的引力,这显然是错误的。

我们从微观来看,两个物体相互接近时,距离并不会无限靠近,原因有两点:

(1)不同原子的核外电子间,存在排斥力;

(2)不同原子的原子核间,存在排斥力;

电磁相互作用非常强,比万有引力高39个数量级,加上量子力学的限制,使得两个相互接近的原子,并不会无限靠近,所以万有引力自然不会无限大。

我们可以用经典力学的模型,来简单估计一下,氢原子的原子核,与核外电子间的万有引力大小:

氢原子核质量M=1.67×10^(-27)kg;

核外电子质量m=19.31×10^(-31)kg;

氢原子半径为r=0.53×10^(-10)m;

于是,两者间的万有引力F:

F=GMm/r^2≈4×10^(-47)N;

我们看到,虽然氢原子核与核外电子间的距离非常近,但是它们之间的万有引力小到忽略不记,完全没法和它们之间的电磁力相比。

所以正常情况下,万有引力并不会出现发散的情况。

物质有很多原子组成,就算把这些大量的原子算上,正常情况下也不会把万有引力叠加到无穷大。

除非特殊情况,比如中子星、夸克星和黑洞,它们内部已不再是普通物质,原子已经被“压碎”,广义相对论描述该类天体时,就会出现引力发散的情况。

而且,很有可能这正是当前理论的局限性所在。

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从万有引力公式来看,引力与距离成反比,距离越近引力越强,似乎没毛病。

但这样就产生一个矛盾:如果我们将两块任意物体靠在一起,按理说它们应该就分不开了,因为二者的距离趋向于零,引力无穷大。

很显然这很荒唐,至少绝大部分物体并不会出现这样的状况。难道是万有引力公式错了吗?

其实原因在于:电磁力。

宇宙中存在四种基本作用力,引力是我们最直观也是最常见的一种力,但同时它也是最弱的一种力。见下图

比如两个电子,受引力影响它们会相互吸引,但同时受电磁力影响,它们也在相互排斥对方,很明显电磁力远强于引力,所以两者靠不到一起。

但对于宇宙尺度来讲

引力却是占主导位置,比如地球绕着太阳转等等。

极端一些,比如中子星,质量大、密度大,引力强大到直接将电子挤到原子核上,同质子中和为中子;最极端的就是黑洞了,我们已经无法知晓其内部是什么构造了。

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