萬有引力的簡化證明與驗證

我們現在用到很多知識都是需要很多前人的努力,時代的進步,讓我們處在當下的普通人有和前人比肩的知識儲量,我們都是處在前人的肩膀上才可以看到更高更遠。

萬有引力的簡化證明與驗證

“地心說”與“日心說”、開普勒三定律

“地心說”講的是地球是宇宙的中心,並且靜止不動,一切行星圍繞地球做圓周運動.

公元2世紀的希臘天文學家托勒密使地心說發展和完善起來,由於地心說能解釋一些天文現象,又符合人們的日常經驗(例如我們看到太陽從東邊升起,從西邊落下,就認為太陽在繞地球運動),同時地心說也符合宗教神學關於地球是宇宙中心的說法,所以得到教會的支持,統治和禁錮人們的思想達一千多年之久.

萬有引力的簡化證明與驗證

隨著人們對天體運動的不斷研究,發現地心說所描述的天體的運動不僅複雜而且問題很多.

到了16世紀,波蘭天文學家哥白尼(1473~1543年)根據天文觀測的大量資料,經過長達40多年的天文觀測和潛心研究,提“日心說”,說的就是太陽是宇宙的中心,所有的天體都是圍繞太陽旋轉的。

萬有引力的簡化證明與驗證

如果把地球從天體運動的中心位置移到一個普通的、繞太陽運動的行星的位置,換一個角度來考慮天體的運動,許多問題都可以解決,行星運動的描述也變得簡單了.因此日心說逐漸被越來越多的人所接受,真理最終戰勝了謬誤.

但是日心說在現在來看依然有問題,就是太陽也並不是宇宙的中心,但是在當時可以利用日心說解釋很多天文現象。

丹麥天文學家第谷連續20年對行星的位置進行了精確的測量,積累了大量的數據.到1601年他逝世時,這些耗盡了他畢生心血獲得的天文資料傳給了他的助手德國人開普勒.

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開普勒通過長時間的觀察、記錄、思考與計算,逐漸發現哥白尼把所有行星運動都看成是以太陽為圓心的勻速圓周運動似乎簡單了一些,因為它與實際觀察到的數據有著不小的出入.

開普勒承擔了準確地確定行星軌道的任務,他仔細研究了第谷對行星位置的觀測記錄,經過四年多的刻苦計算,所得結果與第谷的觀測數據至少有8′的角度誤差,那麼這不容忽視的8′可能就是人們認為行星繞太陽做勻速圓周運動所造成的.最後開普勒發現行星運行的真實軌道不是圓,而是橢圓,並於1609年發表了兩條關於行星運動的定律.

開普勒在發表了第一定律和第二定律後,進一步研究了不同行星的運動之間的相互關係,在1619年又發表了行星運動的第三條定律.

開普勒提出描述行星運動的規律,使人類的天文學知識提高了一大步,他被稱為“創制天空法律者”.

開普勒三定律被寫入今天的教科書:

(1)開普勒第一定律(軌道定律)

所有行星繞太陽運動的軌道都是橢圓,太陽處在橢圓的一個焦點上.不同行星橢圓軌道則是不同的.

開普勒第一定律說明了行星的運動軌道是橢圓,太陽在此橢圓的一個焦點上,而不是位於橢圓的中心.不同的行星位於不同的橢圓軌道上,而不是位於同一橢圓軌道,再有,不同行星的橢圓軌道一般不在同一平面內.

(2)開普勒第二定律(面積定律)

對任意一個行星來說,它與太陽的連線在相等的時間內掃過相等的面積.遠日點速率最小,在近日點的速率最大.

(3)開普勒第三定律(週期定律)

所有行星的軌道的半長軸的三次方跟它的公轉週期的二次方的比值都相等.若用a代表橢圓軌道的半長軸,T代表公轉週期,即a^3/T^2=K(其中,比值k是一個與行星無關的常量)

萬有引力的簡化證明與驗證

萬有引力簡化證明

假設地球以太陽為圓心做勻速圓周運動,那麼太陽對地球的引力就為做勻速圓周運動的地球提供向心力.設地球的質量為m,運動線速度為v,地球到太陽的距離為r,太陽的質量為M.則由勻速圓周運動的規律可知

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由①②得

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由開普勒第三定律我們知道

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由③④式得

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即我們得到如下結論

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太陽對不同行星間的引力,跟行星的質量成正比,跟行星與太陽距離的平方成反比

根據牛頓第三定律,力的作用足是相互的,且等大反向,因此地球對太陽的引力F′也應與太陽的質量成正比,且F′=-F.

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比較⑥⑦式我們得出如下結論

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寫成等式

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式中G是比例係數,與太陽、行星無關

後來這個G被卡文迪許測量,萬有引力公式正式出爐。

需要注意的是,我們這篇文章只是給的簡化證明,牛頓當時是在橢圓軌道下完成的證明

萬有引力的簡化證明與驗證

利用月-地系統檢驗萬有引力的正確性

牛頓就想地球繞太陽運動是因為受到太陽的引力,人跳起後又能落回地球是因為人受到地球的引力.這些力是否是同一種力?是否遵循相同的規律?實踐是檢驗真理的唯一標準,但在當時的條件下很難通過實驗來驗證,這就自然想到了月球.

月一地檢驗的基本思路是這樣的:如果重力和星體間的引力是同一性質的力,都與距離的二次方成反比關係,那麼月球繞地球做近似圓周運動的向心加速度就應該是地面重力加速度的1/3600,因為月心到地心的距離約為地球半徑的60倍.

牛頓根據月球的週期和軌道半徑,計算出月球圍繞地球做圓周運動的向心加速度

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—個物體在地面的重力加速度為g=9.8m/s2,若把這個物體移到月球軌道的高度,根據開普勒第三定律可以導出

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因為月心到地心的距離是地球半徑的60倍

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即其加速度近似等於月球的向心加速度的值

月球圍繞地球做近似圓周運動的向心加速度十分接近地面重力加速度的1/3600,這個重要的發現為牛頓發現萬有引力定律提供了有力的證據,即地球對地面物體的引力與天體間的引力,本質上是同一性質的力,遵循同一規律

最終萬有引力的基本推導以及證明完成,今天我們在書本看到的公式就是牛頓經過前人的觀測與理論推導出的結果。

我是方哥

一個不太出名但是又有點理想的物理老師


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