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目标公式:

g=GMr2⇒ME=gRE2G≈6⋅1024 kg

适用范围/假设:

  • M 为球对称质量分布(壳层定理:球对称质量在外部的引力场与全部质量集中在球心等同——这正是允许用「到质心的距离」r 的理由)。
  • r 从质心起算,且 r≥ 天体半径(外部场)。
  • 牛顿引力适用(弱场);忽略自转离心效应(地表 g 的微小纬度差异即来自它)。

用到的公式 ​

公式名称Formelnheft
F=m⋅gGewichtskraft✅ S. 2 („F=m⋅g")
FG=Gm1m2r2Gravitationsgesetz✅ S. 2 („Gravitationsgesetz")
g=GMr2Gravitationsfeldstärke❌ 不在 Formelnheft——考场需自己推出(即本推导,两行即可)

推导(Schritt für Schritt) ​

  1. 对地表一个试探质量 m 写出两种「同一个力」的表达(重力 F=mg 与引力定律描述的是同一个力——令其相等是物理等同,不是近似):m⋅g=GM⋅mr2
  2. 约去试探质量 m(两边均为 m 的一次方且 m≠0;物理含义:g 与试探质量无关,它是场的属性而非物体的属性——这正是真空中一切物体等速下落的原因):g=GMr2g 称引力场强(Ortsfaktor,单位 m/s² 或等价的 N/kg):M 是产生场的质量,r 是到其质心的距离。

「称量地球」:Cavendish 测得 G 之后 ★ ​

牛顿不知道 G 的数值。1798 年卡文迪许用扭秤首次测出 G(装置见主题 4 §4.2)——此前 g 和 RE 早已知道,缺的只是 G:

  1. 把第 2 步对 M 反解(两边同乘 r2G;取 r=RE,即地表):

    ME=gRE2G
  2. 代入数值验算(全部取自 Formelnheft S. 1:g=9,807 m/s²,RE=6,371⋅106 m,G=6,673⋅10−11 N·m²/kg²):

    • RE2=(6,371⋅106)2=4,059⋅1013 m2
    • gRE2=9,807⋅4,059⋅1013=3,981⋅1014
    • ME=3,981⋅10146,673⋅10−11≈5,97⋅1024 kg≈6⋅1024 kg ✓

    验算:与 Formelnheft S. 1 的 ME=5,974⋅1024 kg 一致(偏差 <0,2%,来自数值取整与 g 含自转效应)。所以说卡文迪许「称量了地球」——他本人的目标正是定出地球密度,顺带定出了 G。

月球上的 g≈1,62 m/s²——比值法 ​

  1. 对月球套用同一公式并与地球作比(比值法的好处:G 约去,只剩质量比与半径比;月球数据 MM=7,35⋅1022 kg、RM=1,74⋅106 m 来自讲义,不在 Formelnheft):gMgE=GMM/RM2GME/RE2=MMME⋅(RERM)2
  2. 代入数值:
    • MMME=7,35⋅10225,974⋅1024=0,0123
    • (RERM)2=(6,3711,74)2=3,662=13,4
    • gMgE=0,0123⋅13,4=0,165≈16
    gM=0,165⋅9,807≈1,62 ms2≈16gE ✓(直接代 gM=GMM/RM2=6,673⋅10−11⋅7,35⋅1022(1,74⋅106)2=1,62 m/s²,两法一致。)在月球上体重只有六分之一——质量不变。

变量表 ​

符号含义SI 单位
g引力场强(地点因子);地表 g=9,807 m/s²(Formelnheft S. 1)m/s² = N/kg
m试探质量(推导中约去)kg
M产生场的(中心)质量kg
r到 M 质心的距离m
G引力常数 =6,673⋅10−11 N·m2kg2(Formelnheft S. 1)N·m²/kg²
ME地球质量 =5,974⋅1024 kg(Formelnheft S. 1)kg
RE地球半径 =6,371⋅106 m(Formelnheft S. 1)m
MM月球质量 =7,35⋅1022 kg(讲义值,不在 Formelnheft)kg
RM月球半径 =1,74⋅106 m(讲义值,不在 Formelnheft)m

关联 ​

  • H07——同一套路「令两个力相等、约去 m」;测出 G 后两条路都能称天体:H08 用地表 g,H07 用绕行者轨道。
  • H09——GM 组合再次出现于史瓦西半径。
  • 主题 11 §11.2——讲义口径(含潮汐追问);§11.3「称量地球」。
  • 主题 4 §4.2——扭秤装置与逐步分析。