说说万有引力的定律

万有引力定律 教学目的http://wwwpepcomcn/200406/ca431316htm

万有引力定律的发现与应用

物理小论文

PB05000821 吴瑞阳

万有引力定律的发现

我们大家都知道万有引力定律是牛顿发现的，小时候我们也听说过牛顿看到苹果落地而发现万有引力的故事。但它的发现岂只是看见苹果落地这么简单？

万有引力公式： 其中G为万有引力常量。在牛顿的时代，一些科学家已经有了万事万物都有引力的想法。而且牛顿和胡克曾经为了万有引力的发现权发生过争论。有资料表明，万有引力概念由胡克最先提出，但由于胡克在数学方面的造诣远不如牛顿，不能解释行星的椭圆轨道，而牛顿不仅提出了万有引力和距离的平方成正比，而且圆满的解决了行星的椭圆轨道问题，万有引力的优先发现权自然归属牛顿。

正如他所说过，牛顿是站在巨人的肩膀上。开普勒的研究成果对万有引力的发现有着不可磨灭的贡献。开普勒是德意志的天文学家，他的老师弟谷把一生的天文观测资料留给了他。在此基础上，开普勒经过20年的计算和整理于1609年发表了行星运动的第一、第二定律。后来又发表了行星运动的第三定律。

在牛顿的回忆录里可知，牛顿最先研究的是月亮的运动。牛顿的平方反比律是由开普勒的行星运动第三定律得出的。要对椭圆轨道情况进行计算，显然牛顿还必须有一些关于微积分和基本力学定律的概念，牛顿在基础力学上有过众多发现，同时牛顿和莱布尼茨各自独立的发现了微积分。牛顿应用了微积分来计算万有引力。关于万有引力定律的发现权，历史的结论是：它是牛顿发现的。万有引力的表达式为 ，它的建立是牛顿定律和开普勒定律的综合的结果，而牛顿在其中起了关键的作用。

万有引力定律的建立

一平方反比律的确定

1从理论计算得出平方反比的假设：

为了简便起见，可把行星运动轨道看作圆形（把行星轨道看作圆形时，课本上已有相关证明），这样，根据面积定律，行星应作匀速圆周运动，只有向心加速度a=v2/r，其中，v是行星运行速度，r是圆形轨道的半径。

根据牛顿第二定律： f=ma

有

又由

由开普勒第三定律 ，K是与行星无关的太阳常量

即

于是 ……①

牛顿得到第一个结果：如果太阳的引力是行星运动的原因，则这种力应和行星到太阳的距离的平方成反比。

2平方反比假设的验证：

牛顿“苹果落地”的故事广为流传。故事大意是说，1665-1666年感染病流行，牛顿从剑桥大学退职在家，一天，他在花园里想重力的动力学问题，偶然看到苹果落地，引起他的思考。在我们能够攀登的最远距离上和最高山颠上，都未发现重力有明显的减弱，这个力必然到达比通常想象的远得多的地方。那也应该高到月球上。如果是这样，月球的运动必定受它的影响，或许月球就是由于这个原因，才保持在它的轨道上的。

设想月球处在它的轨道上的任意点A（见图），O是地心，如果不受外力，它将沿一直线AB运动，然而实际它的轨道是弧线AP，AB与轨道在A点相切。则月球向O落下了距离BP=y , 令弧长AP=s=2πrt/T ,

而 cosθ≈1- /2, θ=s/r

则 y=r (1-cosθ)≈s2/2r =4π2r2t2/2rT2=2π2rt2/T2,

在地面上t时间内一个重物下落距离为

y=gt2/2

由此得

y/y’ =4π2r/gT2

月球绕地的周期T=273d ≈236×106 s，地面上的重力加速度g=98 m/s2，地球半径R的准确数值是6400km，古希腊的天文学家伊巴谷通过观测月全食持续的时间，曾相当精确的估算出地月距离r为地球半径的60倍，则r=60 R=384×105km用这个数值代入，即得

y/y’ =1/3600

而 R2/r2=1/3600

y/y’=a/g=ma/mg=f/mg= R2/r2

所以： f=mg R2/r2 即：力和距离的平方成反比

二与m和M成正比的确定

①式表明力与被吸引物体质量m成正比，同时根据牛顿第三定律，力的作用是相互的，f是M对m的作用，f’是m对M的作用，f与m成正比，则同理f’必与M成正比，又f =f’，则f必同时与m和M成正比。①式可写成：

f=GMm/r2, ……②

其中G是万有引力常量。

三万有引力常量的G测定

既然有了万有引力的表达式，那就要测出万有引力常量。测量万有引力常量G的数值，就要测量两个已知质量的物体间的引力。1798年，卡文迪许（HCavendish）做了第一个精确的测量。

他所用的是扭秤装置，如图所示，两个质量均为m的小球固定在一根轻杆的两端，在用一根石英细丝将这两杆水平的悬挂起来，每个质量为m的小球附近各放置一个质量为M的大球。根据万有引力定律，当大球在位置AA时，由于小球受到吸引力，悬杆因受到一个力矩而转动，使悬丝扭转。引力力矩最后被悬丝的弹性恢复力矩所平衡。悬丝扭转的角度θ可用镜尺系统来测定。为了提高测量的灵敏度，还可以将大球放在位置BB，向相反的方向吸引小球。这样，两次悬杆平衡之间的夹角纠正大了一倍。如果已知大球和小球的质量M,m和他们相隔的距离，以及悬丝扭力的相关系数，就可由测得的θ来计算G。卡文迪许测定的万有引力常量值为：

G=6754×10-11m3/kg•s2。万有引力常量是目前测得最不精确的一个基本物理常量，因为引力太弱，又不能屏蔽它的干扰，实验很难做。从卡文迪许到现在已近200年，许多人用相同或不同的方法测量G的数值，不断地改进其精度。国际科学联盟理事会科技数据委员会(CODATA)1986年推荐的数值为

G=667259(85)×10-11 m3/kg•s2，

不确定度为128/1000000（即万分之128）。

万有引力实验演示

一，实验现象：

一些科技博物馆里又如图的演示装置： 一个类似碗状，但是碗壁向内拱入的圆盘。一个粘有油墨的小球以较低速度从圆盘边缘进入，在圆盘上绕中心滚动并留下痕迹。可以观察到，随着时间变化，小球的速度越来越快，到最后掉入中间的小洞。而且越到中间小球的半径变化越缓慢（也就是说小球的轨迹在中间是最密集）。小球的轨迹并不是正圆的，而是一种半径越来越小的圆弧。（如果两个小球先后进入盘中则会有角位移前后追赶的现象。）

二，原理解释：

1,为什么用它来演示万有引力定律

由万有引力定律的表达式可以推知，行星势能为

而实验中用重力势能来代替万有引力势能mgh= -GMm/r

所以只要满足h=-GM/gr则可以用重力势能来代替万有引力势能。

同时r表示物体间的距离。当图示曲线绕h轴旋转后便会形成实验中所用到的曲面，当曲线如图时：dh/dr=GM/gr2,

f=mgtanθ=mgdh/dr=mgGM/gr2=GMm/r2

所以不论从能量还是从力的角度来讲，这个实验模型可以模拟演示万有引力。

2,为什么小球会越来越快

由离心力f=mv2/r=F知，动能为E k=1/2mV2=1/2GMm/r，由公式可见，r越小动能越大，自然速度会越快。

3,为什么小球到中间轨迹密集

这是一个有耗散力做工的系统，在旋转的时候摩擦力做功发热耗散掉一部分能量w= ,而f的大小只与接触的压力和摩擦系数有关系，在距离为r处的摩擦力转一周做功为：w= =2πrmgµcos[arctan(dh/dr)]=

又：dE/dr= GMm/r2，可见在r越大的时候，势能的变化越慢，故在外圈时，变化一个小量dr后势能的变化不如内圈的大，而转一圈消耗能量却比内圈大。所以在里圈旋转时，转动位置每下降一小段，可供小球旋转的能量就较多，而小球每转一圈摩擦力消耗能量较少，故小球在同样的一小段距离上会比外边多转几圈。

4,小球的轨迹为何是一个不断向里缩进的圆弧

如果盘面足够光滑，即没有摩擦力做功，则小球的轨迹会是什么样的呢？

A,小球在进入圆盘边缘时恰好获得的动能足够在盘的边缘运动所需的动能：

mgh=1/2 mv2 即：F=mv2/r则小球会沿着圆盘边缘做正圆轨迹的运动

B,小球在进入圆盘边缘时未达到在圆盘的边缘运动所需的动能：

Mgh〉1/2mv2，F> mv2/r则小球会做正圆轨迹的运动同时径向有一个分运动（缩小半径把势能转化为动能直到满足平衡为止）到某一半径时会达到F=mv2/r在此处做正圆运动

C,小球在进入圆盘边缘时的动能超过在盘的边缘运动所需的动能：

Mgh<1/2mv2,F<mv2/r体现在圆盘上的力学分析为则小球会沿着边缘飞出

实验中模拟的只是B情况。

下面再考虑摩擦力：

由于摩擦力作负功，在运动过程中，小球的动能在不断损失，这就要求小球能不断的缩小半径来寻找新的平衡，直到最后半经过小、能量不足而掉入中间的小孔

因此就有：小球的轨迹是一个不断向里缩进的圆

5,两个小球为什么会有角度相互追赶？

由万有引力公式知：角速度ω= ，故半径越小，角速度越大。先后进入的两个小球的角速度总是先进入的大于后进入的，所以在一段时间里总是前面的小球转过的角度比后面的多，因此角度差一直在增大，先进入的球会超过后进入的球多圈，所以看上去总是两个小球一会儿这个在前，一会儿另一个在前，相互追逐。

万有引力的应用

万有引力定律作为一个自然界最基本的定律，无论是在理论研究还是工程设计等各种时候都有着极其广泛的应用。比如航天中，航天器与天体接近时的万有引力可以作为一种有效的加速办法（弹弓效应）；宇宙物理中常常以测定天体的万有引力产生的效应来断定天体的位置和质量；在电磁探测受局限的地域，可以通过万有引力的测量计算，来探知地下的物质密度，从而断定地下矿藏的分布或是地下墓穴的规模和位置；在另外一些领域，比如精密工业中的超圆滚球体的制造，可以选择在太空生产，因为那里有理想的受力环境（因为在宇宙飞船上物体处于失重状态，而又由宇宙大尺度分布的均匀性，其他星体的引力又可以忽略不计）；以研究生物在太空无重力（亦即万有引力语离心力平衡抵消）为对象的项目已经发展成一门高新前沿的科技。如果将蔬菜水果种子带到太空中，在无重力环境与宇宙射线的影响下，有些变异品种的品质与地球上的品种相比大大提高。

事实上，万有引力定律常常是理论研究的最基本最常用的公式之一。以下就举一个实际应用的例子来说明这一点。

人造卫星的发射过程：

1，当我们要发射一颗地球卫星是我们只要以一定的角度和一定的初速度把卫星发射向太空，这个速度的理论值由万有引力定律可推知为：79km/s。万有引力定律给我们确定了卫星上天的边界条件。当然实际发射中还要去考虑阻力问题，并且不是瞬间加速到此值，是一个渐加速过程，这就是较复杂的了。

2，当我们要求卫星成为一个太阳的卫星时，我们的发射速度的理论值会高达112km/s。同样实际过程中速度也不会达到此值，而是渐加速渐升高。

3，当我们要求卫星成为一个太阳外的天体时，我们的发射速度的理论值会高达167km/s。实际过程中速度也不会达到此值，事实上我们还故意把飞行器发射到太阳系天体的附近，利用飞行器和天体间的万有引力，应用弹弓效应来改变飞行器的速度和方向。

从以上的应用中可以看出万有引力的重要地位。万有引力的概念在刚被提出的时候曾引起了一次“科学革命”。在随后的那个时代里，因此而引发了研究探索宇宙的热潮，产生了许多新的学科及项目，并有了众多新的发现。这些研究成果至今仍与我们的生活息息相关。万有引力定律的发现推动了整个人类文明的进程，是人类在认识宇宙的道路上迈出的一大步，也是极其重要的一步！

我们更有理由相信，万有引力在将来的科学探索研究中仍然会发挥相当重要的作用。

万有引力定律复习（一）

万有引力定律及在天文学上的应用

知识要点

（一）万有引力定律

1．　内容： ．

2．公式： ．G为引力常量，通常取G＝667×10-11

3．适用条件：

（1）

（2）

（3）

4．注意：

（1）两个物体之间的相互吸引力是一对作用力与反作用力，总是大小相等，方向相反，遵守牛顿第三定律．

（2）在地球表面的物体所受的重力近似的认为等于地球对物体的引力．可知 ．即GM＝gR2，这是一个常用的变换．

（3）离地面越高，物体的重力加速度越小，和高度的关系为： ，R为地球半径，h是离地面的高度．

（二）在天文学上的应用

1．　基本方法：把天体（或人造卫星）的运动看成是匀速圆周运动，其所需向心力由万有引力提供．

解决问题时可根据情况选择公式分析、计算．

2．　求天体质量和密度的方法

（1）　通过观察天体做匀速圆周运动的卫星的周期T、半径r，由万有引力等于向心

力 ，得天体质量M= ．

（2）　若知天体的半径R，则天体的密度

典型例题

〔例1〕已知火星的半径是地球半径的一半，火星质量是地球质量的 ，如果在地球上质量为60kg的人到火星上去．问：在火星表面这人所受重力为多少？

〔例2〕地球和月球中心的距离大约是4×108m，估算地球质量．（结果保留一位有效数字）

〔例3〕某星球质量为地球质量的9倍，半径约为地球的一半，在该星球表面从某一高度以10m/s的初速度竖直向上抛出一物体，从抛出到落回原地需要多长时间？(g取10m/s2)

〔例4〕某物体在地面上受到的重力为160N，将它置于飞船中，当宇宙飞船以a=g/2的加速度加速上升时，在某高度处，物体与宇宙飞船中支持物相互挤压的力为90N，则此时卫星离地心的距离有多远？（已知R地＝64×103km，g取10m/s2）

巩固练习

1． 星和 星是人们依据万有引力定律计算的轨道而发现的． 星的运行轨道偏离于据万有引力定律计算出来的轨道，其原因是由于该星受到轨道外的其它行星的引力作用．

2．设土星绕太阳的运行是匀速圆周运动，若测得土星到太阳的距离为R，土星绕太阳运行周期是T，已知万有引力恒量为G，根据这些数据，能够求出的量有（ ）

A．土星线速度的大小 B．土星加速度的大小

C．土星的质量 D．太阳的质量

3．1789年，英国物理学家 ，巧妙地利用 装置，第一次在实验室中较准确的测出了引力常量．引力常量的测出有着非常重要的意义：（1）

　　 （2） ．

4．如果在某一行星上用不大的初速度v0，竖直上抛一小球（该行星表面没有空气），测得该小球能上升的最大高度为H，则由此可计算出（ ）

A．该行星的质量

B．绕该行星作匀速圆周运动的卫星的最小周期

C．该行星上的第一宇宙速度

D．绕该行星作匀速圆周运动的卫星的最大加速度

5．一艘宇宙飞船绕一个不知名的行星表面飞行，要测定该行星的密度，仅仅只需（ ）

A．测定运行周期 B．测定环绕半径

C．测定行星的体积 D．测定运行速度

6．已知以下哪组数据，可计算出地球的质量M（ ）

A．地球绕太阳运行的周期T地及地球离太阳中心的距离R地日

B．月球绕地球运行的周期T月及月球离地球中心的距离R月地

C．人造地球卫星在地球表面附近绕行时的速度v和运行周期T卫

D．若不考虑地球的自转，已知地球的半径及重力加速度

7．两颗行星的质量分别为M1、M2，绕太阳运行的轨道半径之比为R1：R2，那么它们绕太阳公转的周期之比

8．地球绕太阳公转轨道半径R，周期为T，月球绕地球公转轨道半径为r，周期为t，则太阳和地球的质量之比为多少？

9．月球绕地球的周期约为地球绕太阳公转周期的1/14，日地距离约为月地距离的400倍，则太阳质量约为地球质量的多少倍？（取一位有效数字）

10．证明：若天体的卫星环绕天体表面运动，则天体密度为

11．在地面处测得物体自由下落高度h所需时间为T，到高山顶测得物体自由下落同样的高度所需的时间增加了ΔT，已知地球半径为R0，试求山的高度H．

万有引力定律的推导以开普勒第三定律作为已知条件，开普勒第三定律r3 /T2=C(C是

常数)，推导得F=GMm/r2，引力大小与它们质里的乘积成正比与它们距离的平方成反

比，与两物体的化学组成和其间介质种类无关。

1万有引力公式推导

开普勒第三定律r2 /T2 =C (C是常数)

万有引力F，形式未知，但一定等于向心力F=mr (2π/T) 2

带入1/T2 =C/r2

F=mr4π2 (C/r3 ) =C' m/r2

因为引力的对称性F=C”M/r2

所以，F=GMn/r2 ，G是常数

2万有引力的科学意义

万有引力定律的发现，是17世纪自然科学最伟大的成果之-。它把地面上物体运动的

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-次解释了(自然界中四种相互作用之一) -种基本相互作用的规律，在人类认

识自然的历史上树立了一座里程碑。

万有引力定律揭示了天体运动的规律，在天文学上和宇宙航行计算方面有着广泛的应

用。它为实际的天文观测提供了一套计算方法，可以只凭少数观测资料，就能算出长

周期运行的天体运动轨道，科学史上哈雷彗星、海王星、冥王星的发现，都是应用万

有引力定律取得重大成就的例子。利用万有引力公式，开普勒第三定律等还可以计算

太阳、地球等无法直接测里的天体的质里。牛顿还解释了月亮和太阳的万有引力引起

的潮汐现象。他依据万有引力定律和其他力学定律，对地球两极呈扁平形状的原因和

地轴复杂的运动，也成功的做了说明。推翻了古代人类认为的神之引力。

对文化发展有重大意义:使人们建立了有能力理解天地间的各种事物的信心，解放了

人们的思想，在科学文化的发展史上起了积极的推动作用。

万有引力

universal gravitation

任意两个物体或两个粒子间的与其质量乘积相关的吸引力。自然界中最普遍的力。简称引力，有时也称重力。在粒子物理学中则称引力相互作用和强力、弱力 、电磁力合称4种基本相互作用。引力是其中最弱的一种，两个质子间的万有引力只有它们间的电磁力的1／1035 ，质子受地球的引力也只有它在一个不强的电场1000伏／米的电磁力的1／1010。因此研究粒子间的作用或粒子 在电子显微镜和加速器中运动时，都不考虑万有引力的作用 。一般物体之间的引力也是很小的，例如两个直径为 1米的铁球 ，紧靠在一起时 ， 引力也只有283×10-4牛顿，相当于003克的一小滴水的重量 。但地球的质量很大，这两个铁球分别受到4×104牛顿的地球引力 。所以研究物体在地球引力场中的运动时，通常都不考虑周围其他物体的引力。天体如太阳和地球的质量都很大，乘积就更大，巨大的引力就能使庞然大物绕太阳转动。引力就成了支配天体运动的唯一的一种力。恒星的形成，在高温状态下不弥散反而逐渐收缩，最后坍缩为白矮星、中子星和黑洞 ， 也都是由于引力的作用，因此引力也是促使天体演化的重要因素。

万有引力的发现过程

在谈论万有引力发现的事件时，对於当时天文学及力学的发展情形也得有一些说明，才能了解当时代科学的背景，以及它是如何影响刺激牛顿发现万有引力。

有关力学:

牛顿了解伽利略早先所发展出来的惯性观念，他知道在不受外力作用的情形下，动者恒做等速度直线运动。他也知道若一个运动中物体的速率或运动方向有了变化，其中必定有力的作用。当时的牛顿，受到天文学家哥白尼提出的「地球绕日的圆形轨道」的影响可能正对月亮的运行轨迹不是直线、是绕著地球的圆形轨道而深感困惑。但是他已知道，由海更士提出「一物体要作圆周运动需要施一个向中心的力量」的理论。由天文看，行星绕太阳运动也应需要一向心的吸引力量，可是，这个力到底是什么

有关天文学:

西元1543年哥白尼提出天体运行论，以太阳为诸行星的运转中心和地球自转来解释星象，对人类以自我为中心的宇宙观作了一个革命性的改变。其后克卜勒分别在西元1609年提出行星运行第一定律「运行的轨道为椭圆，太阳位在椭圆的一焦点上」及第二定律「等面积定律；行星与太阳连线在相同的时间内，扫过的面积相同」及西元1619年提出的第三定律「周期定律；行星周期T的平方正比於轨道平均距离的立方」这三个定律揭示出几个问题:

1 轨道可以是圆的，也可以是椭圆的，什么样的作用方式，可以形成这样的轨道运行呢

2 太阳处於椭圆一焦点上，显示行星是绕著太阳的，是什么力量使它们绕著太阳转呢

3 由周期与轨道半径的关系(周期平方正比於轨道半径三次方)，这又意味著是什么作用的方式所形的呢

牛顿的伟大，就是看出了月亮是一直朝著地球「掉落」的，道理就和苹果的掉落相同。他推论月亮与苹果掉落的原因，都是由於地球重力在拉的结果。

掉落中的月球

牛顿又进一步发展他的想法。他比较了掉落中的苹果与掉落中的月亮，后来牛顿了解到，如果月亮没有朝著地球掉落的话，它将会做直线运动，最后则会脱离绕地轨道，所以他认为月亮正绕著地球而掉落(月球可是很认真的掉唷)。因此，月亮必定掉落在那条没受到外力时应该会走的下方。牛顿大胆地假设，月球在重力的吸引下，只是一个绕著地球转的抛体而已。至於月球的切线速度是怎么来的，可能就是在宇宙大霹雳、创世之时就决定了，而月球的切线速度大小将会决定它绕地球的轨道是圆形、椭圆形、抛物线、双曲线或是撞上地球。

牛顿的万有引力之简单涵义

牛顿并不是发现了重力，他是发现重力是「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，每一个物体都吸引著其他每一个物体，而两个物体间的引力大小，正比於这它们的质量，会随著两物体中心连线距离的平方而递减。牛顿为了证明只有球形体可把「球的总质量集中到球的质心点」来代表整个球的万有引力作用的总效果而发展了微积分。然而不管距离地球多远，地球的重力永远不会变成零，即使你被带到宇宙的边缘，地球的重力还是会作用到你身上，虽然地球重力的作用可能会被你附近质量巨大的物体所掩盖，但它还是存在。不管是多小还是多远，每一个物体都会受到重力作用，而且遍布整个太空，正如我们所说的「万有」。

牛顿与万有引力定律

牛顿第一定律为:一切物体总保持运速直线运动状态或静止状态,除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态

牛顿第一定律又叫惯性定律

牛顿第二定律为:物体的加速度跟作用力成正比,跟物体的质量成反比

牛顿第三定律为:两个物体间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反,作用在同一直线上

万有引力的形成原理

万有引力是存在于任何物体之间的相互吸引力。两个物体见的万有引力，其大小和他们的质量的乘积成正比，和他们的距离成反比。

—《新华字典》

人们都知道，爱因斯坦是一代物理大英雄，他在生活的几十年中，同样要思考这个本质问题，为什么物质间会有万有引力，特别是在他的晚年，进行了力场的统一研究，尽管在物理科学的统一研究上没有过多成绩，必定是做了一定的工作，给后人的研究带来一定的启示。特别是爱因斯坦的相对论，为了说明物质质量与能量间的关系，建立了质能方程，为了说明自然界的光速为极限速度，他假假设了自然界存在的光速度是极限速度，没有比这个速度更大的速度，当物质速度叠加的时候，相对速度不会超过光速，并且速度越大，物质的质量越大，这个系统称为爱因斯坦的狭义相对论；为了说明物质间存在万有引力，爱因斯坦认为宇宙就相当于一个网，一个物质的存在，都会将这个网压得变型，使物质周围的时空发生弯曲，从而让另一个物质存在相对运动的趋势，这个运动趋势相当于存在的这个物体对它的作用力，这个称为广义相对论。

爱因斯坦的相对论，非常高深，能够听明明白的人很少，能够理解的人更是少之甚少。今天我们用光子是物质的基本粒子，来进一步说明，物质间存在万有引力是一个很简单的问题，它变得非常轻松，理论上容易理解。因为自然界的存在本来就是非常简单的事，是因为人类的社会属性，让人类变得与自然界不同，并且由于人类的思想、听觉、文明、文化，长期过着人类的社会生活，让人类忘记了自然界的共同语言，让人类失去了与自然界直接交换全面光子信息的能力，而只交换频率范围非常窄的光子信息，让人类自己走上了极端，是人类自己变得复杂，反倒对自然界不容易理解。

我们知道，由光子是物质的基本粒子来看，物质的构成本身没有意义，如果物质不能够与环境中的其它光子信息相互作用，它就不能将自己的能量、存在形式、表达给自然界，自己就是以纯暗物质的形式存在，尽管自己的寿命表现为无限长久，但是对环境、对自己没有意义，只有它不断与环境的其它光子信息相互作用光子能量，才能将自己的能量、质量表现出来，自己的光子信息才能变化，自己才能由生长到死亡，才能有自己存在的意义；这就是说任何物质，只要它存在，它就会不断地与环境中的其它光子信息相互作用，这样，物质的存在，各种作用力的存在，事实上，是通过自己周围的光子信息场完成的。

如图所示，物质 A 存在，是物质 A 不断与环境作用光子信息能量，而表现自己的质量，当物质 B 存在的时候，由于 B 也要不断与环境的光子信息相互作用，这 B 就不同程度地影响了 A 周围的光子信息内容，从宏观的角度来看，是 B 挡住了来自 A 周围的光子信息，改变了 A 周围的光子信息场，从大的方面来看，是来自于左方的光子信息能量要多一些，来自于 A 的右方光子信息能量要少一些，宏观表现为 B 对 A 有一个作用力，这个作用力，是所有物质共有的，称为万有引力。

也可以说成是，由于 B 的存在，导致了 A 周围的光子信息力场的形状发生了变化，这个力场的形状发生了变化，本来没有 B 的时候，物体 A 是一种平衡状态，有了 B 以后，光子信息的力场发生了变化，物体 A 的作用力，由于平衡变成了不平衡，人们自然会说，这是物体 B 存在的结果，是物体 B 对 A 的作用力。

万有引力定律是艾萨克·牛顿在1687年于《自然哲学的数学原理》上发表的。牛顿的普适万有引力定律表示如下：

任意两个质点通过连心线方向上的力相互吸引。该引力的的大小与它们的质量乘积成正比，与它们距离的平方成反比，与两物体的化学本质或物理状态以及中介物质无关。

万有引力定律是解释物体之间的相互作用的引力的定律。是物体（质点）间由于它们的引力质量而引起的相互吸引力所遵循的规律。

是牛顿在前人（开普勒、胡克、雷恩、哈雷）研究的基础上，凭借他超凡的数学能力证明，在1687年于《自然哲学的数学原理》上发表的。

在高中阶段主要是用了简化的思想，把行星运动轨道由椭圆简化为圆下证明。

具体证明可以参考高一教材p36-37。

定律内容：

自然界种任何两个物体都是相互吸引的，引力的大小与两物体的质量的乘积成正比，与两物体间距离的平方成反比。

公式表示：

F=GM1M2/（RR） （G=667×10^-11Nm^2/kg^2） 可以读成F等于G乘以M1M2除以R的平方商

F: 两个物体之间的引力

G: 万有引力常数

m1: 物体1的质量

m2: 物体2的质量

r: 两个物体之间的距离

依照国际单位制，F的单位为牛顿(N)，m1和m2的单位为千克(kg)，r 的单位为米(m)，常数G近似地等于667 × 1011 N m2 kg2（牛顿米的平方每千克的平方）。

可以看出排斥力F一直都将不存在，这意味着净加速度的力是绝对的。（这个符号规约是为了与库仑定律相容而订立的，在库仑定律中绝对的力表示两个电子之间的排斥力。）

意义：

万有引力定律的发现，是17世纪自然科学最伟大的成果之一。它把地面上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。它第一次解释了（自然界中四种相互作用之一）一种基本相互作用的规律，在人类认识自然的历史上树立了一座里程碑。

万有引力定律揭示了天体运动的规律，在天文学上和宇宙航行计算方面有着广泛的应用。它为实际的天文观测提供了一套计算方法，可以只凭少数观测资料，就能算出长周期运行的天体运动轨道，科学史上哈雷彗星、海王星、冥王星的发现，都是应用万有引力定律取得重大成就的例子。利用万有引力公式，开普勒第三定律等还可以计算太阳、地球等无法直接测量的天体的质量。牛顿还解释了月亮和太阳的万有引力引起的潮汐现象。他依据万有引力定律和其他力学定律，对地球两极呈扁平形状的原因和地轴复杂的运动，也成功的做了说明。

重力加速度：

令a1为事先已知质点的重力加速度。由牛顿第二定律知， 即。取代前面方程中的F

同理亦可得出a2

依照国际单位制，重力加速度（同其他一般加速度）的单位被规定为米每平方秒 (m/s2 or m s2)。非国际单位制的单位有伽利略、单位g（见后）以及 英尺每秒的平方。

请注意上述方程中的a1，质量m1的加速度，在实际上并不取决于m1的取值。因此可推论出对于任何物体，无论它们的质量为多少，它们都将按照同样的比率向地面坠落（忽略空气阻力）。

如果物体运动过程中r只有极微小的改变——譬如地面附近的自由落体运动——重力加速度将几乎保持不变（参看条目地心引力）。而对于一个庞大物体，由于r的变化导致的不同位点所受重力的变化，将会引起巨大而可观的潮汐力作用。

具有空间广度的物体：

如果被讨论的物体具有空间广度（远大于理论上的质点），它们之间的万有引力可以以物体的各个等效质点所受万有引力之和来计算。在极限上，当组成质点趋近于“无限小”时，将需要求出两物体间的力（矢量式见下文）在空间范围上的积分。

从这里可以得出：如果物体的质量分布呈现均匀球状时，其对外界物体施加的万有引力吸引作用将同所有的质量集中在该物体的几何中心原理时的情况相同。（这不适用于非球状对称物体）。

矢量式：

地球附近空间内的重力示意图：在此数量级上地球表面的弯曲可被忽略不计，因此力线可以近似地相互平行并且指向地球的中心牛顿万有引力定律亦可通过矢量方程的形式进行表述而用以计算万有引力的方向和大小。在下列公式中，以粗体显示的量代表矢量。

其中：

F12: 物体1对物体2的引力

G: 万有引力常数

m1与m2: 分别为物体1和物体2的质量

r21 = | r2 r1 |: 物体2和物体1之间的距离

: 物体1到物体2的单位矢量

可以看出矢量式方程的形式与之前给出的标量式方程相类似，区别仅在于在矢量式中的F是一个矢量，以及在矢量式方程的右端被乘上了相应的单位向量。而且，我们可以看出：F12 = F21

同样，重力加速度的矢量式方程与其标量式方程相类似：

重力场：

球状星团 M13 证明重力场的存在。重力场是用于描述在任意空间内某一点的物体每单位质量所受万有引力的矢量场。而在实际上等于该点物体所受的重力加速度。

以下是一个普适化的矢量式，可被应用于多于两个物体的情况（例如在地球与月球之间穿行的火箭）的计算。对于两个物体的情况（比如说物体1是火箭，物体2是地球）来说，我们可以用 替代并用m替代m1来将重力场表示为：

因此我们可以得到：

该公式不受产生重力场的物体的限制。重力场的单位为力除以质量的单位；在国际单位制上，被规定为N·kg1（牛顿每千克）。

牛顿理论存在的问题：

尽管牛顿对重力的描述对于众多实践运用来说十分地精确，但它也具有几大理论问题且被证明是不完全正确的。

理论问题：

没有任何征兆表明重力的传送媒介可以被识别出，牛顿自己也对这种无法说明的超距作用感到不满意（参看后文条目“牛顿定律的局限性”）。

牛顿的理论需要定义重力可以瞬时传播。因此给出了古典自然时空观的假设，这样亦能使约翰内斯·开普勒所观测到的角动量守恒成立。但是，这与爱因斯坦的狭义相对论理论有直接的冲突，因为狭义相对论定义了速度的极限——真空中的光速——在此速度下信号可以被传送。

观测结果的不符：

牛顿的理论并不能完全地解释出水星在沿其轨道运动到近日点时出现的进动现象进动。牛顿学说的预言（由其它行星的重力拖曳产生）与实际观察到的进动相比每世纪会出现43弧秒的误差。

牛顿的理论预言的重力作用下光线的偏折只有实际观测结果的一半。广义相对论则将它作为一个基本条件。参看条目等效原理。

牛顿定律的局限性：

当牛顿非凡的工作使万有引力定律能够为数学公式所表示后，他仍然不满于公式中所隐含的“超距作用”观点。他从来没有在他的文字中“赋予产生这种能力的原因”。在其它情况下，他使用运动的现象来解释物体受到不同力的作用的原因，但是对于重力这种情况，他却无法用实验方法来确认运动产生了重力。此外，他甚至还拒绝对这个由地面产生的力的起因提出假设，而这一切都违背了科学证据的原则。

牛顿对重力的发现埋葬了“哲学家至今仍在愚蠢地试图探索自然”(philosophers have hitherto attempted the search of nature in vain)这句所谓的真理，就同他深信着的“有各种因素”使得“各种迄今未知的原因”是所有“自然现象”的基础。这些基本的现象至今仍在研究中，而且，虽然存在着许多种的假设，最终答案仍然没有找出。 虽然爱因斯坦的假设的确比牛顿的假设更能精确地解释确定案例中万有引力的作用效果，他也从来没有在他的理论中为这种能力赋予一个原因。在爱因斯坦的方程式中，“物质告诉空间怎么扭曲，空间告诉物质怎么移动”(matter tells space how to curve, and space tells matter how to move)，但是这个完全异于牛顿世界的新的思想，也不能使爱因斯坦所赋予“产生这种能力的原因”比万有引力定律使牛顿所赋予的原因更能使空间产生扭曲。牛顿自己说：

我还没有能力去从现象中发现产生这些重力特性的原因，而且我无法臆测……我所解释的定律和丰富的天体运动的计算已经足够于说明重力的确存在并能产生效果。一个物体可以不通过任何介质穿过真空间的距离对另一个物体产生作用，在此之上它们的活动和力可以传送自对方，这对于我来说简直就是一个天大的谬论。因此，我相信，任何有足够的哲学思维能力的人都不会沉溺于此。

如果科学最终能够发现重力产生的原因的话，牛顿的希望也将最终被实现。

赤道:

赤道是地球表面的点随地球自转产生的轨迹中周长最长的圆周线，赤道半径 6378137Km ；两极半径 6359752Km；平均半径 6371012Km ；赤道周长 400757Km。如果把地球看做一个绝对的球体的话，赤道距离南北两极相等，是一个大圆。它把地球分为南北两半球，其以北是北半球，以南是南半球，是划分纬度的基线，赤道的纬度为0°。 赤道是地球上重力最小的地方。

赤道是南北纬线的起点(即零度纬线)，也是地球上最长的纬线。

赤道生物

赤道是物种的制造厂。与其他未能这么幸运地享受到这一地理位置优势的物种相比，赤道动物简直是生活在一个近乎完美的环境中，无论从温度、湿度还是从可获取的食物来看，都是如此。生活在这片乐土上的唯一不利因素，就是要与地球上半数以上的物种分享资源！

在赤道，动植物比其他地方的动植物长得更快、更大，而且外形更怪异。赤道地区的阳光是地球上最强劲的能量。由于这里的阳光使海洋大量蒸发，这种冲击会在这样一个大范围中形成湿度柱，进而形成风和潜流，而风和潜流随后会最终给位于异常遥远的地方的生命提供能量。

万有引力定律公式如配图所示。

万有引力是由于物体具有质量而在物体之间产生的一种相互作用。它的大小与物体的质量以及两个物体之间的距离有关。物体的质量越大，它们之间的万有引力就越大；物体之间的距离越远，它们之间的万有引力就越小。

万有引力定律介绍：

万有引力定律说自然界中任何两个物体都是相互吸引的，引力的大小跟这两个物体的质量乘积成正比，跟它们的距离的二次方成反比。

万有引力定律是牛顿在1687年出版的《自然哲学的数学原理》一书中首先提出的。牛顿利用万有引力定律不仅说明了行星运动规律，而且还指出木星、土星的卫星围绕行星也有同样的运动规律。

牛顿认为月球除了受到地球的引力外，还受到太阳的引力，从而解释了月球运动中早已发现的二均差，出差等；另外，他还解释了彗星的运动轨道和地球上的潮汐现象。根据万有引力定律成功地预言并发现了海王星。

万有引力定律：F=GMm/r^2

对围绕某一中心天体做匀速圆周运动的物体而言

线速度：v=根号GM/r

角速度：ω=根号GM/r^3

运行周期：T=根号4π^2r^3/GM

重力加速度：g=GM/r^2

对位于天体表面与天体一起做匀速圆周运动的物体而言

GM=gR^2

其中R是天体半径，g是天体表面重力加速度

F=GM1M2/（RR） （G=667259×10^-11N�6�1m^2/kg^2） 可以读成F等于G乘以M1M2除以R的平方商

F: 两个物体之间的引力

G: 万有引力常数

m1: 物体1的质量

m2: 物体2的质量

r: 两个物体之间的距离

依照国际单位制，F的单位为牛顿(N)，m1和m2的单位为千克(kg)，r 的单位为米(m)，常数G近似地等于667 × 10^-11 Nm^2kg^�6�12（牛顿米的平方每千克的平方） 静电力公式：在真空中两个静止的点电荷q1及q2之间的相互作用力的大小和q1q2的乘积成正比，和它们之间的距离r的平方成反比，作用力的方向沿着它们的连线，同号电荷相斥，异号电荷相吸引。

　　其中要注意库仑定律成立的条件：处在真空中，必须是点电荷。

　　库伦力公式 F1=KQ1Q2/r^2 K=89880x10^9

　　其中 Q1 和 Q2 是两物体的个别的带电量，r 是两物体间的距离，k 是一个常数