2.2 无处不在的引力
大地在我们脚下,我们为什么没有飞向天空?向空中扔出的石子,不管抛多高,为什么没有飞向太空,而是又回到了地面?好像有一种力量一直牢牢地把这些要飞走的东西又拽回了地面。这种力看不见,摸不着,却又无处不在。正是因为有了这种力,人们才会生活在地球上,而不至于飘浮在空中,这就是“万有引力”。这种神奇的力,在200多年前,被伟大的物理学家牛顿发现。
牛顿
1666年,一场瘟疫席卷了伦敦,夺走了很多人的生命,那是段让人压抑的日子。大学被迫关闭,像艾萨克•牛顿这样热衷于学术的人只好返回安全的乡村,期待着席卷城市的病魔早日离去。
一个偶然的事件往往能引发一位科学家思想的闪光。牛顿常坐在姐姐的苹果园里沉思冥想。一天傍晚,牛顿听到熟悉的声音,“咚”的一声,一只苹果落到草地上。他急忙转头观察第二只苹果落地。第二只苹果从外伸的树枝上落下,在地上反弹了一下,静静地躺在草地上。这只苹果肯定不是牛顿见到的第一只落地的苹果,当然第二只和第一只也没有什么差别。苹果落地虽没有给牛顿提供答案,但却激发这位年轻的科学家思考一个新问题:苹果会落地,而月球却不会掉落到地球上,苹果和月亮之间存在什么不同呢?
第二天早晨,天气晴朗,牛顿看见小外甥正在玩小球。他手上拴着一条皮筋,皮筋的另一端系着小球。他先慢慢地摇摆小球,然后越来越快,最后小球就径直抛出。牛顿意识到月球和小球的运动极为相像。牛顿认为,重力不仅仅是行星和恒星之间的作用力,有可能是普遍存在的吸引力。
牛顿并不是发现了重力,他是发现了重力是“万有”的。每个物体都会吸引其他物体,而这股引力的大小只跟物体的质量与物体间的距离有关。牛顿的万有引力定律说明,每一个物体都吸引着其他每一个物体,而两个物体间的引力大小,正比于它们的质量,会随着两物体中心连线距离的平方而递减。不管距离地球多远,地球的引力永远不会变成零,即使你被带到宇宙的边缘,地球的引力还是会作用到你身上,虽然地球引力的作用可能会被你附近质量巨大的物体的引力作用所掩盖,但它还是存在的。不管多小,还是多远,每一个物体都会受到引力的作用,而且遍布整个太空,所以称它为万有引力。
万有引力的发现,是17世纪自然科学界最伟大的成果之一。它把地面上的物体运动的规律和天体运动的规律统一了起来,对以后物理学和天文学的发展具有深远的影响。它第一次揭示了自然界中一种基本相互作用的规律,在人类认识自然的历史上竖立了一座里程碑。
牛顿推动了引力定律的发展,指出万有引力不仅仅是星体的特征,也是所有物体的特征。作为所有最重要的科学定律之一,万有引力定律及其数学公式已成为整个物理学的基石。
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万有引力定律
(1)内容:自然界中的任意两个物体都是相互吸引的,两个物体间引力的大小,跟这两个物体的质量乘积成正比,跟它们的距离的平方成反比。
(2)公式:,其中G=6.67×10-11牛• 米2/千克2,称为万有引力恒量。
(3)适用条件:严格地说此公式只适用于质点间的相互作用,当两个物体间的距离远大于物体本身的大小时,公式也可近似使用,但此时r应为两物体重心间的距离。对于均匀的球体,r是两球心间的距离。