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求助:关于万有引力的信息
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求助:关于万有引力的信息

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  三百多年前牛顿提出了万有引力定律,它描述了宇宙乃至万物所遵循的一种规律,为我们解决了许多实际问题。然而它面临许多问题,具体如下:

  1. 起源问题:万有引力为什么与质量的乘积成正比,质量这个属性为什么会产生引力,而不会产生斥力呢?中国古代的哲学家有“一阴一阳谓之道”的说法,遍观宇宙人间无不透着这朴素的哲学思想,男女、阴阳、正反、虚实、有无、正负、大小等等,这种对立统一的规律到处存在。自然规律作为“道”的一种也不会例外,而万有引力却难于自圆其说。另外,库仑力与距离平方成反比,是因为电磁波或电磁场辐射出去以球面的形式向外扩散,球面与半径的平方成正比,自然单位面积上的辐射程度与半径的平方成反比;而万有引力并非是一种向外辐射的引力场,何以也与距离的平方成反比?牛顿当初把这个定律压了十五年才发表,说明他对这个定律存在相当的疑虑,那就是“为什么”的问题。

  2. 作用因子的问题:按照牛顿当初的思想,万有引力为超距作用,而爱因斯坦的相对论否定了这种作用,认为任何物体间相互作用的传递都不会超过光速。传递电磁力的光子遵循这样的规律可以理解,而传递万有引力的“引力子”也要这样吗?真的存在“引力子”吗?为什么一直检测不到呢?

  3. 万有引力常量G的不确定问题:科学家在精确测定万有引力常量时发现,G在一定精度上会随测量物体的物质结构的不同而发生变化。在用万有引力考察宇宙时发现,随着宇宙的膨胀G值会减小。而G值在不断的变化中,万有引力定律还能成为一个真正的定律吗?另外,与万有引力有极大关系的重力所产生的重力加速度g即使在地球同一地点也会因使用不同的物体而有所变化,这是为什么呢?在科技飞速发展的今天,美国发射的宇宙探测器也会常常丢失,这是什么原因造成的呢?

  以上都是值得我们深思的问题,又考虑到,万有引力定律和库仑定律之间具有极大的相似性,它们各自的公式为 ,,让人们联想到其中有本质的联系。但他们常量之间或力之间的差异却是巨大的,例如电子和质子之间库仑力与万有引力之倍数差为,似乎难于寻求它们的融合点。

  [i]我们知道,万有引力是作用于宏观物体之间的长程力,而电磁力也属于长程力,并且两者都遵循迭加原理。如果考虑不带电的宏观物体之间的电磁力会是多少呢?也许人们认为他们会互相完全抵消为零,可事实并非如此,也正因为这之间的差异才造就了我们这多彩的世界。任何物体都是由原子或分子构成的,让我们就从构成物质的最基本微粒原子入手,了解一下宏观物体之间的电磁力。例如,拿两个氢原子来比较,它们中间既存在斥力又存在引力,斥力有两个原子的质子和质子之间的库仑力以及电子和电子之间的库仑力,引力有第一个原子的电子和第二个原子的质子之间及第一个原子的质子和第二个原子的电子之间的库仑力;又由于电子在运动着,它们之间彼此还存在磁力(包括电子自旋产生的)作用,可能是引力,也可能是斥力。这里的引力之和和斥力之和绝对相等吗?不是的,与它们之间的距离有关系,在一定距离它们会吸引并结合成氢气分子;所有由原子结合成分子的形式都与原子和原子之间的电磁力有关,这在分子化学中很清楚,正因为电磁力的存在,物质微粒结合形式不同,才造成了物质分子的多样性。那么分子和分子(包括有些原子和原子)之间的力是怎样的?由于既存在电磁斥力又存在电磁引力,分子力有时表现为引力有时表现为斥力。参照下图,距离小于r0时,随距离的减小斥力和引力同时增大,但斥力增大快,对外表现为斥力;距离大于r0时,随距离的增大斥力和引力同时减小,斥力减小快,对外表现为引力。一般认为,大于10r0可忽略其为零。但我认为虽然随距离的增大其表现出来的引力非常微小,可仍不可忽略,因为万有引力是比电磁力小1039的力。我们有理由认为虽然一个物体中的分子和另一个物体中的分子之间的电磁引力在宏观距离是非常微小,但考虑到宏观物体由大量数目的分子组成,电磁力又是可迭加力,其作用效果可能并不小。例如地球和地面上的人,构成一个普通的人的质子电子对就约为个,而地球的质量大约是人的1023倍,能认为这个人和地球之间的电磁力在经过1051倍的叠加后仍为零吗?我认为,由于人们的粗心,误将宏观物体之间的微弱电磁力认为是万有引力。或者说,所谓的万有引力实际是宏观不带电物体间电磁力的外在表现。根据以上的理解我提出以下观点:
  第一,宇宙中只有三大相互作用,弱力、强力、电磁力。正如《老子》所言,“道生一,一生二,二生三,三生万物”,这三种相互作用不仅彼此有联系,而且造就了这繁华而多彩的物质世界。所谓“万有引力”无非是电磁力在宏观不带电物体间的表现。电磁力在宏观不带电物体间既存在引力又存在斥力,在分子尺度表现为分子力,在宏观距离及星体间表现为引力,在更大宇观距离如星系间可能表现为斥力。电磁力在宏观不带电物体间力的大小除与它们之间的距离有关系外还与物体的结构有极大关系,如质子、电子、中子、亚核粒子的个数,排列方式,运动状态,是否自旋等。
  第二,不存在“万有引力”,万有引力定律不过是一种近似的巧合规律,更精确的规律与物质结构有关。重力实质是电磁力在地球和地球表面物体间的宏观表现,重力加速度并不完全决定于所在地球的位置,还与所研究的物体的组成物质微粒(分子、原子、电子、质子、中子等)的个数、排列情况、运动状态等有关。不存在所谓的“引力质量”,不因为物体有质量而存在引力,不能用天平或电子秤准确测物体的质量,也不能用所谓的“万有引力定律”准确测天体甚至宇宙的质量,只能用牛顿第二定律测物体惯性质量的方法来测物体的质量。不存在“引力子”,宏观物体间的相互作用完全是通过光子进行的。也不存在“引力场”、“重力场”,都是电磁场的作用。一切与万有引力有关的规律都是电磁力作用的结果,万有引力来源于电磁力,包括光在引力场中的弯曲都是电磁场对电磁波作用的结果。
  可能有人要说,万有引力是理论总结和实践相结合的产物,并被证明是正确的。但要认识到它有文章开头所说那许多缺陷,而电磁力就没有;相反,电磁力更符合中国古代的太极图思想,老子说:“万物负阴而抱阳,冲气以为和。”电和磁不就是阴阳统一体吗?有时为斥力有时为引力,不正符合阴阳中又有阴阳的思想。而且,宏观物体间的电磁力理论不仅能解释何以此力与质量的乘积成正比,并能解释更多万有引力理论所不能解释的问题。具体如下:
  1.从库仑定律中可看到,向外辐射的场本来就与距离的平方成反比,与距离的关系不必解释。与质量的关系:由于每个宏观物体的质量粗略的和它中间所含的质子个数成正比,故人们将本应是由于质子电子对个数增多而迭加的与质子电子对个数成正比的电磁力误认为是万有引力。由电磁力的迭加原理可推出宏观物体间电磁力的粗略计算公式为,其中k’是一待测的常量,其中N1、N2表示两个物体中各自所含的质子或电子个数,r表示它们质心间的距离,F表示宏观物体间电磁引力和电磁斥力之差或外在表现力。这个公式适用于不带电的宏观物体在宏观距离下的作用。可以看出,这个公式能适用的地方“万有引力定律”恰好适用。由于在分子尺度电磁力表现为分子力,故由此理论可预测分子或量子尺度的粒子之间不会有所谓的“万有引力”,也不会有因“万有引力”在小尺度上无限迭加而形成的黑洞,除非电磁力在宏观物体间的迭加能有这样的效果。要解释的一点是,宏观物体间的电磁力与物质结构有很大关系,要知原子中的中子也有自旋,和另一物体中质子电子中子也可能有一定的作用,因此上式是忽略了它的作用而得出的式子,要精确可能还须改进。另外,由于在宏观尺度上物体自身有不同的物质结构,物质微粒的排列方式、运动状态等发生变化都可能引起电磁力的变化,故说明上式是一“粗略”计算式,因此也没有给出其常量数值;而宇宙空间也有不同的星体结构,上式在宇宙大尺度上如遥远的星系间可能已不适用。
  2.“2003年2月11日,美国太空总署公告当时探测到的宇宙学参数,认为宇宙中存在“反引力”,因为观测结果表明许许多多的星系正在“加速远离”,而不是在引力作用下减速。”这是引用某网站的原话。当人们观察到不符合万有引力定律的现象时,总喜欢另外寻找其它力的影响,以为是“反引力”或是“第五种力”甚至是“第六种力”的作用,却不重新认识已有的定律是否还能经住实践的考验。按照新理论(万有引力来源于电磁力)理解宇宙学规则认为,由于在分子尺度以上宏观物体间的电磁力表现为引力,而其中电磁引力和电磁斥力同时存在,在宇宙更大尺度上构成星系的天体结构同我们宏观物体或星球的物质结构有巨大的不同,不能认为其间还会表现为引力。中国先贤哲学《易经》思想中有“物极必反”、“此消彼长,此长彼消”的道理,由于组成星系的分子数目极多,已远超过了带电粒子间的电磁力对“万有引力”的强度倍数,在分子数目多到极致的情况下预测,星系间正如分子尺度的r0以内,表现为“万有斥力”。如此,则可以解释何以遥远的星系加速远离我们而去,并且越远越快。当年爱因斯坦在宇宙方程中引入斥力项也就找到可以存在的依据了,不过这个斥力项只能在大尺度的星系间才能表现出来。
  3.1986年初美国物理学家费希巴克(E. Fischbach)和四位同仁在著名的「物理评论通讯」刊物上发表文章表示自然界可能有第五种力存在,他们所根据的就是「重力加速度值」(g)的异常现象——在同一地方不同物体之重力加速度值不同。据新的理论可看出,这正是万有引力来源于电磁力的一个推论,不同的物体的物质微粒个数不同、排列方式不同、运动状态不同,虽然相对于地球的物质微粒各方面影响要少得多,但总可以产生出可观察的效应,那就是引力不同。即使是相同质量的物体因物质结构的不同在同一地点测量引力也会有差异,而造成我们认为「重力加速度值」(g)的异常。刘武青做了许多这方面的实验[ii],其中一个实验是用电子天平测两个圆柱形磁体的质量的对比实验,把它们竖直磁极对磁极叠放在一个金属筒中,发现处于排斥叠放位置时其质量要小于吸引叠放时的质量;另外一个实验是测定电容器在充电和放电时质量的变化,发现有些质量增加而有些质量减少。刘武青认为这是被屏蔽的电磁力影响万有引力的效应,并将此申请成发现专利。殊不知,自然界的长程力只有电磁力一种,这不过是同一物体的物质微粒(如电子、质子、中子)的排列结构、运动状态(如绕核旋转或自旋)发生改变而引起地球和物体间电磁力发生改变的一个例证而已。而且宏观物体间的电磁力不能屏蔽,因为任何宏观物体都是由原子分子构成的,其中必定含有电磁力能够作用的物质微粒电子质子等,其中包括屏蔽物体。由以上实验可知,不能够通过测物体间引力(宏观物体间的电磁引力)的方式准确测定物体的质量,也不能够准确测定某地的重力加速度;否则,如要认为质量不变则重力加速度有异,要认为重力加速度不变则质量有异。
  4.狄拉克于1937年提出了著名的大数假说,其内容是:“自然界出现的任何两个很大的无量纲数是彼此相关的,他们都由一个简单的数学关系相联系”,[iii]他描述了从粒子世界导出的极小和从宇宙太空导出的极大数之间的必然关系。由于宇宙太空和粒子世界都是同一个相互作用电磁力的作用结果,故它们之间的联系是必然的,大数假说必能在新理论的基础上成为大数定理。其中提到万有引力常数G值随时间将变化,由新理论可知,本不存在这么一个相互作用,必然这个假想的常数会因时间、地点、物质结构而变化。
  5.人们根据质量和光度的比值测量出的质量,总比根据星系周围的物质转动曲线、双星系的万有引力和动力学平衡条件等力学的方法得出的质量要小得多。这是什么原因呢?有人由此断定宇宙中存在着大量有力学效果而不发光的暗物质,这是无稽之谈。因为新理论预言,不能用“万有引力”的方法准确测定物体的质量(包括天体的质量),而且在更大尺度宇观范围内“万有引力”要表现为斥力。同时也告诉我们,宇宙学需要新的理论,也许将是一种大尺度的膨胀结合小尺度的环绕理论。不过我相信,天上人间将遵循同一种“道”,上帝不会将宇宙造的连他自己也理解不了。
  在以上问题中,一方面,万有引力理论难于解释其成因;另一方面,又为万有引力来源于电磁力理论提供了理论依据。其中,涉及引力质量的变化及有无,我们知道,引力质量等于惯性质量是广义相对论的基础之一,是否它会动摇相对论的根基,爱因斯坦的质能方程是否需要重新考证。大爆炸宇宙学说在宇宙的质量问题、将来的发展预测等方面也需要进一步的发展。由于本人知识有限,新的理论还要更多的有识之士来完善,要做出预测并能被实践所检验的理论才是好理论。

万有引力
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万有引力

第五节 人造卫星 宇宙速度
本节教材分析 本节教材重点讲述了人造地球卫星的发射原理,推导了第一宇宙速度,应使学生确切地理解,第一宇宙速度是卫星轨道半径等于地球半径时,即卫星在地面附近,环绕地球做匀速圆周运动的速度,当轨道半径r大地球半径时,卫星绕地球做匀速圆周运动的速度变小.在实际教学时,学生常据课本图6—4所描述的情况得出离地球表面越高的地方,其运行速度越大的错误结论,对此可向学生说明:卫星在椭圆轨道上运行时,它在各点的速度大小是不同的,在近地点速度最大,以后逐渐就小,在远地点速度最小.虽然公式只适用于描述做匀速圆周运动的卫星,但是由椭圆轨道上卫星的运行情况,也可以大致印证当r变大时,v变小.
教学目标
一、知识目标 1.了解人造卫星的有关知识.�
2.知道三个宇宙速度的含义,会推导第一宇宙速度.� 二、能力目标
通过用万有引力定律推导第一宇宙速度,培养学生运用知识解决问题的能力.�
三、德育目标 1.通过介绍我国在卫星发射方面的情况,激发学生的爱国热情.
2.通过简述宇宙的产生过程,使学生明确宇宙将如何演化下去的问 题需要我们不断地去探索增强学生学习物理的兴趣.�
教学重点 1.第一宇宙速度的推导.�
2.运行速率与轨道半径之间的关系.�
教学难点 运行速率与轨道半径之间的关系.
教学方法 关于第一宇宙速度和地球同步卫星轨道的教学,采用电教法、推导法、归纳法、讲授法等综合教法进行.�
教学用具 投影片、CAI课件(牛顿描绘的人造卫星原理图)、有关天体的录像资料.教学过程
教学步骤
用投影片出示本节课的学习目标.�
1.了解人造卫星的有关知识.�
2.知道三个宇宙速度的含义,会推导第一宇宙速度.��
一、导入新课�
1.问:在高山上用不同的水平初速度抛出一个物体,不计空气阻力,它们的落地点相同吗?(它们的落地点不同,速度越大,落地点离山脚越远.因为在同一座高山上抛出,它们在空中运动的时间相同,速度大的水平位移大,所以落地点也较远.�) 教师:假设被抛出物体的速度足够大,物体的运动情形又如何呢? 学生进行猜想. 教师总结,并用多媒体模拟. 如果地面上空有一个相对于地面静止的物体,它只受重力的作用,那么它就做自由落体运动,如果物体在空中具有一定的初速度,且初速度的方向与重力的方向垂直,那么它将做平抛运动,牛顿曾设想过:从高山上用不同的水平速度抛出物体,速度一次比一次大,落地点也一次比一次离山脚远,如果没有空气阻力,当速度足够大时,物体就永远不会落到地面上来,它将围绕地球旋转,成为一颗绕地球运动的人造地球卫星,简称人造卫星. (牛顿的设想:物体的速度足够大时,物体不再回到地面,成为地球卫星.)
人造卫星简介:①前苏联1957年10月4日发射第一颗人造地球卫星,卫星重83.6kg中国1970年4月24日发射第一颗人造地球卫星,卫星重173kg
②人造卫星的分类 a.轨道分类:同步卫星、极地卫星、任一轨道卫星。
b.用途分类:通讯卫星、军事卫星、气象卫星等等。
③.同步卫星 a.轨道;一定在赤道上空。
b.必须有一定的高度、周期、线速度、角速度。(为什么?)
2.引入:那么人造卫星的轨道半径和它的运动速率之间有什么关系呢?本节课我们就来学习这个问题。�
二、新课教学�
(一)宇宙速度�1.设一颗人造卫星沿圆形轨道绕地球运转.�
①卫星绕地球运转的向心力由什么力提供?(由卫星所受地球的万有引力来提供.) ②据上述关系你能得到什么表达式?,
③所以我们得到
在公式中,m’为地球质量,G为引力恒量,r为卫星轨道半径. 此式为卫星绕地球正常运转的线速度的表达式.�
2.讨论v与r之间的关系:(由于GM一定,r越小,线速度v越大,反之,r越大,v越小.) 由此我们得到:距地面越高的卫星运转速率越小.那么,是向高轨道发射困难,还是向低轨道发射卫星困难呢?(向高轨道发射卫星比向低轨道发射卫星要困难,因为向高轨道发射卫星,火箭要克服地球对它的引力做更多的功.)
3.对于靠近地面运行的人造卫星,求解它绕地球的速率.�①学生解答.� ②在多媒体实物投影仪上抽查展示解题过程.
对于靠近地面运行的人造卫星,可以认为此时的r近似等于地球的半径R,则
又由 得
③这就是人造卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动所必须具有的速度,叫第一宇宙速度.
4.讨论: ①第一宇宙速度是卫星绕地球的最大速度,为什么?
②为什么说第一宇宙速度是发射人造卫星的最小速度?�
学生讨论后,教师总结: 第一宇宙速度v=7.9km/s可理解成: 一是发射卫星进入最低轨道所必须具有的最小速度. 二是卫星进入轨道正常运转的最大环绕速度,即所有卫星的环绕速度均小于7.9km/s.� 过渡:如果卫星进入地面附近的轨道速度大于7.9km/s,此时卫星的运行轨道又如何呢?�
5.教师讲解,并用多媒体模拟: ①当人造卫星进入地面附近的轨道速度大于7.9km/s,而小于11.2 km/s,它绕地球运动的轨迹就不是圆形,而是椭圆.�②当物体的速度等于或大于11.2km/s时,卫星就会脱离地球的引力,不再绕地球运行,这个速度叫做第二宇宙速度,也叫脱离速度.� ③达到第二宇宙速度的物体还受到太阳的引力,如果使卫星的速度等于或者大于16.7km/s,这个速度叫做第三宇宙速度.�
(二)用多媒体放映“航天技术的发展和宇宙航行”的录像资料,使学生了解我国在航天技术上所取得的巨大成就.
三、巩固练习 1.发射一个用来转播电视节目的同步卫星,应使它与地面相对静止,已知地球半径为6400km,问此卫星应发射到什么高度?�
2.宇航员坐在人造卫星里,试说明卫星在发射过程中人为什么会产生超重现象?当卫星绕地球做匀速圆周运动时又为什么会产生完全失重现象?
四、小结� 通过本节课的学习,我们知道了:1.第一宇宙速度(环绕速度)v1=7.9km/s� 2.第二宇宙速度(脱离速度)v2=11.2km/s 3.第三宇宙速度(逃逸速度)v3=16.7km/s�
五、作业�(一)课本P110练习二的(3),(4),(5),(6),(7).�
(二)思考题:�
1.要使人造卫星绕地球运行,它进入地面附近的轨道速度是 km/s.要使卫星脱离地球引力不再绕地球运行,必须使它的轨道速度等于或大于 km/s,要使它飞行到太阳系以外的地方,它的速度必须等于或大于 km/s.�
2.关于第一宇宙速度,下面说法正确的是�
A它是人造地球卫星绕地球飞行的最小速度
B它是近地圆形轨道上人造地球卫星的运行速度
C它是使卫星进入近地圆形轨道的最小发射速度
D它是卫星在椭圆轨道上运行时在近地点的速度��
3.在环绕地球运行的宇宙飞船的实验舱内,下面几项实验中可以正常进行的是�
A.用天平称物体的质量 B.同弹簧秤称物体的重力�
C.上紧闹钟上的发条 D.用体温表测宇航员的体温��
4.某行星的卫星,在靠近行星的轨道上飞行,若要计算行星的密度,需要测出的物理量是�A.行星的半径 B.卫星的半径 C.卫星运行的线速度 D.卫星运行的周期 5.关于人造地球卫星与宇宙飞船的下列说法中,正确的是
A.如果知道人造地球卫星的轨道半径和它的周期,再利用万有引力恒量,就可算出地球质量 B.两颗人造地球卫星,只要它们的绕行速率相等,不管它们的质量、形状差别有多大,它们的绕行半径和绕行周期就一定是相同的�
C.原来在同一轨道上沿同一方向绕行的人造卫星一前一后,若要后一卫星追上前一卫星并发生碰撞,只要将后者速率增大一些即可�
D.一只绕火星飞行的宇宙飞船,宇航员从舱内慢慢走出,并离开飞船,飞船因质量减小,所受万有引力减小,故飞行速度减小�
6.某人造卫星距地面的高度为h,地球半径为R,质量为M,地面重力加速度为g,万有引力恒量为G.�(1)试分别用h、R、M、G表示卫星的周期T、线速度v和角速度ω.�
(2)试分别用h、R、g表示卫星的周期T、线速度v和角速度ω.�
7.从地球发出的光讯号垂直于地面发射,讯号到达月球表面时正好能垂直射向水平月面,经反射返回地球被吸收,光速为c,光讯号往复经历的时间为t,地球的半径为R,月球的半径为r,月球绕地球转动的周期为T,试求地球的质量.�
变轨道发射
首先,利用第一级火箭将卫星送到180~200km的高空,然后依靠惯性进行圆停泊轨道(A).
当到达赤道上空时,第二、三级火箭点火,卫星进入位于赤道平面内的椭圆转移轨道(B),且轨道的远地点(D)为35800km.
当到达远地点时,卫星启动发动机,然后改变方向进入同步轨道(C).
这种发射有两个优点:一是对火箭推力要求较低;二是发射场的位置不局限在赤道上.