3引力场中的高斯定理.doc

3. 引力场中的高斯定理 保守力是物理学中一个非常重要的概念，学过普通物理学的人都知道，所谓保守力是指，质点在力场中运动时，如果作用于质点的力所作的功，只与质点的起始和终了位置有关，而同质点运动的路径无关，则质点所受的力就是保守力或有势力。保守力还可以用另外一种方式来表述，一个质点沿闭合路径运动一周，如果作用于质点的力所作的功等于零，则质点所受的力就是保守力。 引力和静电力都是有势力，相应的引力势和静电势都满足三维空间里最简单的二阶（偏微分）方程——拉普拉斯方程。用ψ代表引力势或者静电势场，它在三维空间里所满足的拉普拉斯方程采取如下的形式：（(2/(x2+(2/(y2+(2/(z2）ψ(x,y,z)=0.由于相应的静电力和引力等于势的微分（的负值），它的大小便与半径r成反比了，即ψ（r）∝1/r,F(r)=- dψ/dr∝1/r2由于万有引力定律与Coulomb,s law本质是一样的，因此引力场中也存在Gauss， theorem，并且与万有引力定律等价。 1、预备知识 引力场场强：引力场场强是一个向量，其大小等于1千克的质点在该处所受引力的大小，方向与该质点在该处所受引力的方向一致。 引力线：如果在引力场中出一些曲线，使这些曲线上每一点的切线方向和该点的引力场强方向一致，那么所有这样可以作出的曲线叫做引力线。 引力线数密度：在引力场中任一点取一小面元ΔS与该点的场强方向垂直，设穿过ΔS的引力线有ΔN根，则比值ΔN/ΔS叫做该点的引力线数密度，它的意义是通过该点单位垂直截面的引力线根数，规定引力场场强E∝ΔN/ΔS。 引力线性质：引力线其自无穷远点，止与该质点，引力线在宇宙中处处存在。一个质点的任何两条引力线不会相交，不形成闭合线。 引力通量：通过一面元ΔS的引力通量为该点场强的大小E与ΔS在垂直于场强方向的投影面积ΔS`=ΔScosθ的乘积。 2、引力场中的Gauss， theorem 通过一个任意闭合曲面S的引力通量φ=4πG∑m，与闭合曲面外的引力质量无关。 证明：（1）通过包括质点m的同心球面的引力通量都等于4πGm。 以质点m所在处为中心以任意半径r作一球面.根据万有引力定律,在球面上各点场强大小一样E=G m /r2,场强的方向沿半径向外呈辐射状。在球面上任意取一面元dS，其外法线向量n也是沿着半径方向向外的，即n和E间夹角θ=0，所以通过dS的引力通量为dφ=EcosθdS=EdS= G m /r2dS,通过整个闭合球面的引力通量为φ=dS= G m /r2×4πr2=4πGm。 （2）通过包围质点的任意闭合曲面S的引力通量都等于4πGm 在闭合面S内以质点m所在处O为中心作一任意半径的球面S``，根据（1）通过此球面的引力通量等于4πGm。由于引力场分布的球对称性，这引力通量均匀地分布在4π球面度的立体角内，因此在每个元立体角dΩ内的引力通量是GmdΩ。如果把这个立体角的锥面延长，使它在闭合面S上截出一个面元dS。设dS到质点m的距离为r，dS的法线n与场强E的夹角为θ，则通过dS的引力通量dφ=EcosθdS=Gm/r2cosθdS, cosθdS= dS`是dS在垂直于场强方向的投影面积，所以dφ=EdS`= G m /r2dS`= GmdΩ。所以通过面元dS的引力通量和通过球面S``上与dS对应的面元dS``的引力通量相等，所以通过整个闭合面S的引力通量都必定和通过球面S``的引力通量一样，等于4πGm。 （3）通过不包括质点的任意闭合面S的引力通量恒为0。 因为单个质点产生的引力线是辐向的直线，它们在空间连续不断。当质点在闭合面S之外时，从某个面元dS上进入闭合面的引力线必然从另外一个面元dS`上穿出，而这一对面元dS和dS`对质点所张的立体角相等，通过dS的引力通量和通出dS`的引力通量的代数和为0，通过整个闭合面S的引力通量是通过这样一对对面元的引力通量之和，当然也是等于0的。 （4）多个质点的引力通量等于它们单独存在时的引力通量的代数和。 设物体有m1.m2.m3…mk个质点，其中第1到第n个被高斯面S所包围，第n+1到第k个在高斯面之外，则k个质点同时存在时通过S的引力通量为φ=φ1+φ2+φ3+…+φn+φn+1+…+φk=φ1+φ2+φ3+…+φn=4πG(m1+ m2+…+ mn)= 4πG∑m. 证毕。 3、引力场中的Gauss， theorem 的应用（容晓晖） （1）. 单个质点：；（2）.均匀质量球壳：当rR时,，当rR时,（相当于质量集中在球壳中心） （3）.均匀质量的实心球体：当rR时，， 当rR时，（相当于质量集中在球体中心）； （4）.无限长的棒：（表示质量的线密度）；（5）.无限大的平面（