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静止点电荷系{Qi}对外加点电荷q的合作用力F,如果都可以等效成一个静止点电荷QC对q的单独作用力,那么QC相当于{Qi}的等效“力心电荷”.可以证明,仅当{Qi}呈球对称分布时(如均匀带电球面,均匀带电球体等),才存在QC,位于球心处,其他的分布均不存在“力心电荷”.用熟悉的电场线图,即可说明.{Qi}对正的点电荷q合作用力F的方向与{Qi}周围静电场的电场线切线方向一致,若存在QC,则电场线的所有切线均应汇聚于一点,此点即为QC所在位置.两个静止等量正点电荷{Q,Q}的电场线分布如图2-6所示,显然电场线各处切线不能会聚于一点.
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图 2-6
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●万有引力作用
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自然界中任何两个物体之间都有的相互吸引力,称为万有引力.按照与电荷平行的理解,每一个物体都应有“引力荷”.将“引力荷”量化为引力质量mg或Mg,实验发现每一个物体在任何运动状态下它的引力质量mg都与它的惯性质量m成正比,且比例系数是一个普适常量.将此常量取为1,便有
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引力质量和惯性质量一致地称为质量,有共同度量和单位.历史上,牛顿认为mg与m都是物体所含物质量的多少,“引力质量”系为后人之说.爱因斯坦从mg与m的同一性出发,提出物质的存在引起周围时空弯曲的假设,建立起新的万有引力理论.
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经典力学中仍采用牛顿万有引力定律.图2-7中,质量分别为m1,m2的两个质点,各自受万有引力分别为
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图 2-7
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G称为引力常量.
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(2.8)式与(2.5)式的数学构成极为相似,但(2.8)式无论质点1,2处于静止或运动状态都成立,因此即使仿照电作用场的概念引入引力场,F1,F2在任何情况下均可处理为满足牛顿第三定律的一对作用力与反作用力.后人引入的牛顿引力场远比电作用场简单,没有类似电场、磁场的分解.
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牛顿万有引力与库仑力类似,仅当质点系{Mi}呈球对称分布时,它们对其他质点m的合引力可等效为一个“力心质点”MC单独对质点m的引力.
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质量M、半径R的匀质球面,对距球心r、质量m质点的引力大小为
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第一式中,“力心质点”位于球心,MC=M;第二式中MC=0.据(2.9)式可导得,质量M、半径R的匀质球体,对距球心r、质量m质点的引力大小为
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地球近似处理成一个质量虽非均匀但仍是对称分布的球体时,(2.10)式中的第一式可用;将地球进一步近似处理成匀质球体时,(2.10)式全部可用.
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2.2.2 常见力
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历史地回顾,人类在生活环境中通过感受而认知的,首先是宏观物体在相互接触中出现的某些力,例如,手对小车施加的推力和拉力、两个运动物体间的碰撞力、提升重物时绳对重物的向上拉力等,这些力都属于接触力.物体对地面的正压力、地面对物体的支持力、物体间有相对运动时接触面中出现的摩擦力、弹性物体因形变而生的张力、水中物体所受浮力等也都是接触力.宏观世界另一类力是物体没有与其他物体接触而会受到的力,称为非接触力,例如重力、电磁力.对非接触力的认知是人类科学思维进步一个重要标志,尤其是牛顿将地面上的重力和天上月球受地球的向心拉力,统一为普适的万有引力,从此人类认知了自然界基本相互作用的存在.其后,法拉第、麦克斯韦和赫兹等物理学家,又在电作用研究工作中揭示了场物质的存在,非接触力中直观方面表现出的超距性即被消除,非接触力实质上又还原为近距作用意义下的接触力.
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经典力学中仍将常见力分为接触力与非接触力两类.宏观物体之间的接触力其实是接触部位分子间电作用力的表现,接触是指宏观上的接触,宏观接触各部位分子间仍有间隙,只是这些间隙与宏观线度相比小到可以略去.非接触力中的万有引力和电作用力已在前文述及,重力是地球万有引力的表现,时时感受,故列于常见力之先.
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