引力和電磁力,與人類生活密切相關的兩種力

2020-12-04 科學探索菌

力是兩個物體之間的相互作用。自然界中一共有4種基本力,分別是引力、電磁力、強力和弱力。在這一篇文章中,我主要介紹一下與我們日常生活息息相關的兩種力——引力和電磁力。

●引力

引力的作用效果主要表現在宇觀尺度,為什麼說,它與我們的日常生活緊密相連呢?潮汐漲落雖然與地球和月球的引力有關,但似乎並不重要啊。

那是因為,如果沒有引力,宇宙間的星系、恆星等都會不復存在,沒有太陽還會有地球嗎?沒有地球的引力拉扯束縛著我們,我們將會因失重而飄浮起來,地球上也不會有大氣和海洋。沒有引力,月球將不會繞著地球轉,地球也不會繞著太陽轉,宇宙將會亂套。

引力是什麼?引力是如何產生的?引力有哪些性質?別著急,下面咱們來接著介紹。

擁有質量的物體之間存在相互吸引靠近的趨勢,這就是引力。按照廣義相對論的解釋,引力來源於物體自身質量對於時空的彎曲,質量越大的物體對時空彎曲的程度越強。量子力學則認為引力是粒子之間交換引力子而產生的,目前該觀點還屬於猜想。

引力的作用是相互的,地球對人有吸引力,人同樣對地球也有吸引力。物體的質量可以衡量該物體的引力大小,也就是對時空的彎曲能力。引力是4種基本力中作用效果最弱的一種力,兩個質子間的引力僅相當於兩者間電磁力強度的10^36分之一。

牛頓很早就發現了萬有引力的秘密,並提出了萬有引力定律引力屬於長程力,力的作用效果隨著物體間距離的增加而逐漸變弱,遵守平方反比律,即F=G(Mm/r^2)(G為萬有引力常量)。

引力支配著宇宙間天體的運動及演化,不管是星系的形成,還是恆星的形成,無一不是引力的功勞。黑洞則是引力的代表作,時空被極度扭曲,以至於連光也逃逸不出來。

●電磁力

下面咱們來接著介紹電磁力。說到電磁力,很多人可能腦子中第一印象就是電動機、發電機之類的,總之就是與電流、磁鐵等有關。

先不管這些,且聽我慢慢道來。電磁力和引力一樣,都是屬於長程力。電磁力的強度是引力的很多很多倍,居於4種基本力的第二位。電磁力的作用效果主要表現在宏觀尺度。

電和磁原來是分開的,後經麥克斯韋的努力,才最終完成統一。麥克斯韋方程組是由4個偏微分方程組成的,描述了電與磁之間的相互關係。

說到電磁力就必須要說到電荷,電磁力來源於電荷。電荷分為正電荷與負電荷,基本性質為:同性相斥、異性相吸。在基本粒子中,夸克攜帶著分數電荷,電子攜帶著單位電荷。由夸克構成的質子攜帶一個單位的正電荷,中子表現為電中性。原子由質子、中子和電子構成,由於正負電荷的相互抵消,原子表現為電中性。

靜止的電荷周圍存在靜電場,運動的電荷又能夠產生磁場,兩者本質上是一樣的,統稱為電磁場。電磁力就是由電磁場來傳遞的。在量子場論中,認為電磁相互作用是由光子進行傳遞的。

像我們中學物理學的摩擦力、彈力等,本質上都屬於電磁力。化學反應過程中釋放的能量本質上屬於電磁能。電磁力隨距離減小的規律與萬有引力相似。真空中兩個靜止的點電荷之間的相互作用力遵守庫侖定律,即F=K(Qq/r^2)(K為靜電力常量)。

宇宙間的化合物,不管是氧氣還是水,都是由原子結合而成的,而作用力就是電磁力。如果沒有電磁力,世界將會變得很混沌,地球上也就不會誕生生命了,更進化不出人類。

電磁運動規律的發現,使人類進入了飛速發展的時代,為人類進入資訊時代奠定了基礎。無論是電力的廣泛應用,還是無線電通信技術的發明,都依賴於這些偉大科學家的發現。

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