13.S:引力(摘要)
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关键条款
远距离作用的力 | 在没有身体接触的情况下施加的力类型 |
远日点 | 轨道物体离太阳最远的点;月球离地球最远点的相应术语是远地点 |
表观重量 | 在不考虑加速度的秤上读取物体的重量 |
黑洞 | 质量变得如此密集,以至于它会自行崩溃,在事件视野周围的中心形成奇点 |
逃生速度 | 一个物体逃脱另一个物体的引力所需的初始速度;更准确地说,它被定义为总机械能为零的物体的速度 |
事件视野 | Schwarzschild 半径的位置,是黑洞附近的位置,任何物体,甚至光线都无法逃脱 |
引力场 | 围绕产生场的质量的矢量场;场由场线表示,其中场的方向与线相切,大小(或场强)与线的间距成反比;其他质量对这个场做出反应 |
受引力束缚 | 如果两个物体的轨道封闭,则会受到引力约束;引力绑定系统的总机械能为负 |
开普勒第一定律 | 定律规定每颗行星都沿着椭圆移动,太阳位于椭圆的焦点处 |
开普勒第二定律 | 定律规定行星在相等的时间内扫出相等的区域,这意味着它的面速是恒定的 |
开普勒第三定律 | 定律规定周期的平方与轨道半长轴的立方成正比 |
neap Tide | 月亮和太阳与地球形成直角三角形时产生的退潮 |
中子星 | 已知最紧凑的物体——在黑洞本身之外 |
牛顿引力定律 | 每个质量都会吸引所有其他质量,其力与其质量的乘积成正比,与它们之间距离的平方成反比,沿着连接每个质量质心的线的方向 |
非欧几里得几何 | 曲面空间的几何形状,描述球体、双曲面等表面角度和线条之间的关系 |
轨道周期 | 卫星完成一个轨道所需的时间 |
轨道速度 | 卫星在环形轨道上的速度;它也可以用于速度不恒定的非圆轨道的瞬时速度 |
近日点 | 轨道物体最接近太阳的点;月球最接近地球的相应术语是近地点 |
等价原理 | 作为广义相对论的一部分,它指出,自由落体和失重,或者均匀的引力场和均匀的加速度之间没有区别 |
施瓦茨柴尔德半径 | 临界半径 (R S) 这样,如果质量被压缩到其半径小于 Schwarzschild 半径的程度,则质量将崩溃为奇点,任何经过该半径内的东西都无法逃脱 |
时空 | 时空的概念是,时间本质上是另一个坐标,其处理方式与任何单个空间坐标相同;在同时代表狭义相对论和广义相对论的方程中,时间与空间坐标出现在相同的上下文中 |
春潮 | 月亮、太阳和地球沿着一条线形成的涨潮 |
广义相对论 | 爱因斯坦的引力和加速参考系理论;在这个理论中,引力是质量和能量扭曲周围时空的结果;它通常也被称为爱因斯坦的引力理论 |
潮汐力 | 物体中心的引力与人体任何其他部位的引力之间的@@ 差异;潮汐力会拉伸人体 |
通用引力常数 | 代表引力强度的常数,据信在整个宇宙中都是一样的 |
关键方程式
牛顿引力定律 | $$\ vec {F} _ {12} = G\ frac {m_ {1} m_ {2}} {r^ {2}}\ hat {r} _ {12} $$ |
由于地球表面的重力而加速 | $$g = G\ frac {M_ {E}} {r^ {2}} $$ |
地球以外的引力势能 | $$U =-\ frac {gmm_ {E}} {r} $$ |
节约能源 | $$\ frac {1} {2} mv_ {1} ^ {2}-\ frac {gmm} {r_ {1}} =\ frac {1} {2} ^ {2}-\ frac {gmm} {r_ {2}} $$ |
逃生速度 | $$v_ {esc} =\ sqrt {\ frac {2GM} {R}} $$ |
轨道速度 | $$v_ {orbit} =\ sqrt {\ frac {GM_ {E}} {r}} $$ |
轨道周期 | $$T = 2\ pi\ sqrt {\ frac {r^ {3}} {GM_ {E}}} $$ |
环形轨道中的能量 | $$E = K + U =-\ frac {gmm_ {E}} {2r} $$ |
圆锥截面 | $$\ frac {\ alpha} {r} = 1 + e\ cos\ theta$$ |
开普勒第三定律 | $$T^ {2} =\ frac {4\ pi^ {2}} {GM} a^ {3} $$ |
施瓦茨柴尔德半径 | $$R_ {S} =\ frac {2GM} {c^ {2}} $$ |
摘要
13.1 牛顿万有引力定律
- 所有质量相互吸引,引力与其质量成正比,与它们之间距离的平方成反比。
- 球形对称的质量可以视为其所有质量都位于中心。
- 可以将非对称物体当作质量集中在质心来对待,前提是它们与其他质量的距离相对于它们的大小而言很大。
13.2 地球表面附近的引力
- 物体的重量是地球和物体之间的引力。
- 引力场以表示引力方向的直线表示;线间距表示磁场的强度。
- 由于物体的加速度,表观重量与实际重量不同。
13.3 引力势能和总能量
- 当我们离开地球时,重力引起的加速度会发生变化,引力势能的表达必须反映这种变化。
- 系统的总能量是动能和引力势能的总和,这个总能量在轨道运动中是守恒的。
- 物体必须具有最小速度,即逃生速度,才能离开行星而不返回。
- 总能量小于零的物体是绑定的;那些总能量小于零的物体是无界的。
13.4 卫星轨道和能量
- 轨道速度是由正在轨道的物体的质量和与该物体中心的距离决定的,而不是由小得多的轨道物体的质量决定的。
- 轨道周期同样与轨道物体的质量无关。
- 质量相似的物体围绕其共同的质心运行,它们的速度和周期应根据牛顿的第二定律和引力定律来确定。
13.5 开普勒的行星运动定律
- 所有轨道运动都遵循圆锥截面的路径。 边界轨道或封闭轨道要么是圆形要么是椭圆;无界轨道或开放轨道要么是抛物线,要么是双曲线。
- 任何轨道的面速都是恒定的,这反映了角动量的守恒性。
- 椭圆轨道周期的平方与该轨道半长轴的立方成正比。
13.6 潮汐力量
- 地球的潮汐是由来自月球和太阳在地球不同两侧的引力差异引起的
- 当地球、月球和太阳对齐时,就会出现春潮或 neap(高)潮,而当它们形成直角三角形时,就会出现整齐或(低潮)的潮汐。
- 潮汐力量可以产生内部加热,改变轨道运动,甚至破坏轨道物体。
13.7 爱因斯坦的引力理论
- 根据广义相对论,重力是质量和能量在时空中产生扭曲的结果。
- 等效原理指出,质量和加速度都会扭曲时空,在可比情况下是无法区分的。
- 黑洞是引力崩溃的结果,是奇点,其事件视野与其质量成正比。
- 黑洞存在的证据仍然是间接证据,但这些证据的数量是压倒性的。