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引力场中的高斯定理

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

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普拉斯方程采取如下的形式：（/x+/y+/z）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

2,

/dr∝1/r由于万有引力定律与Coulombslaw本质是一样的，因此引力场中也存在高斯定

理，并且与万有引力定律等价.

Ⅰ、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.

Ⅱ、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

2

大小一样E=Gm/r,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=Ecos

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θdS=EdS=Gm/rdS,通过整个闭合球面的引力通量为φ=dS=Gm/r×4πr=4

πGm.

（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

2

角为θ，则通过dS的引力通量dφ=EcosθdS=Gm/rcosθdS,cosθdS=dS′是dS在垂直于

2

场强方向的投影面积，所以dφ=EdS′=Gm/rdS′=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