除了球殼還有什麼物體質心與重心重合?

時間 2021-06-01 17:59:42

1樓:豆餅

如兩球之間,引力場顯然是不均勻的,但為何仍可以用兩質點分別位於兩球球心等效兩球?

實際上這個問題可以用微積分(在高中物理叫微元法)精確證明。思路不複雜:

首先計算球殼1對球殼外任一點C的萬有引力,你會發現其合力剛好等於:將球殼1視為在其質心O1上的質點,該質點對C點的萬有引力。

反過來,球殼2上任一微元對球殼1的作用力,等於其對O1的作用力,同樣用微積分可以計算得到球殼2對O1的合力(具體積分過程跟1類似),結果就是O2對O1的萬有引力。

具體計算過程我就不給了,這個方法簡單粗暴,但需要對微積分有一定的掌握能力。下面介紹乙個比較有技巧的思維方式。

我們都知道,兩質點間的萬有引力與其距離平方成反比,這一點和點電荷之間的作用力的數學形式具有相似性。那麼,兩個球殼間的相互作用力,我們可以模擬成兩個均勻帶電球殼之間的電場力(不考慮電荷在相互作用下的移動)。

我們還知道,乙個帶電物體,會對周圍產生電場。乙個正點電荷,對外界產生的是乙個由電荷向外擴散的電場,對於相同的距離,場強大小相等;乙個均勻的帶正電球殼,根據球體的對稱性,我們同樣有理由認為,球殼外面的場強也是又質心向外擴散,在與質心相同距離處,場強大小相等。這裡如果再引入電通量的概念(類似磁通量,乙個封閉空間曲面的電通量與其內部包含電荷成正比,與其他因素無關),我們還可以證明,場強大小與距離成反比。

換句話說,乙個均勻的帶正電球殼,在球殼外面產生的場強,與乙個位於其質心、帶電量相同的點電荷所產生的場強是完全相同的。這意味著,對於球殼外的物體,受到球殼的電場力等同與質心點電荷的電場力。

這樣就很容易知道,兩個球殼之間的電場力,與將其視為在質心上的點電荷的電場力相同。由於萬有引力的數學形式與電場力相似,所以對於萬有引力我們可以得到同樣的結論。

回到題幹

同樣模擬成均勻帶正電體。很顯然,我們需要的這種帶電體,產生的電場必須為從一點向外擴散,也就是產生乙個在任意過質心的切面都是對稱面的電場,這樣的帶電體大概也需要是任意過質心的切面都是對稱面的形狀,也就只有球狀了。(具體證明可能很難,試試反證法?)

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