HSC 物理:牛頓萬有引力定律
學習如何將牛頓萬有引力定律應用於兩個物體之間的相互作用,包括中心到中心的距離、反平方關係、作用力與加速度。
一顆質量為 \(1000\ \mathrm{kg}\) 的衛星位於地球表面上方 \(400\ \mathrm{km}\)。如果牛頓萬有引力定律中包含距離 \(r\),你應該使用 \(400\ \mathrm{km}\),還是地球中心到衛星的距離?
使用 \(400\ \mathrm{km}\) 會得到約 \(2.49\times10^6\ \mathrm{N}\) 的重力。這會使衛星產生接近 \(2500\ \mathrm{m\,s^{-2}}\) 的加速度,顯然與近地表的重力情況不符。公式沒有問題,錯的是距離。
在重力問題中,\(r\) 是兩個質量中心之間的距離。一顆位於地球表面上方 \(400\ \mathrm{km}\) 的衛星,距離地球中心約為 \(6370+400=6770\ \mathrm{km}\)。只要掌握這個細節,就能避免套用這條定律時很大一部分的錯誤。
在開始計算之前,還有另一個值得先預測的結果。地球的質量遠遠大於衛星的質量。因此,地球對衛星的引力是否比衛星對地球的引力更大?
不是。兩者所受的重力大小完全相同,真正不同的是各物體的加速度。
01重力是兩個質量之間的相互作用
想像兩個人各自坐在有輪子的辦公椅上,分別拉住一條繩子的兩端。繩子對兩個人施加的力大小相同。較輕的人會產生較大的加速度,因此看起來可能像是他「被拉得更用力」,但實際上並非如此。相同的力會產生不同的加速度,是因為兩人的質量不同。
重力的作用方式也很類似。兩個質量會以大小相等、方向相反的力互相吸引。小型衛星會明顯地朝地球加速。地球也會朝衛星加速,但由於地球的質量極大,其加速度非常微小。
這個類比有一個重要的限制:重力並不需要實體繩子,也不需要物體彼此接觸。此外,重力的大小也會隨著兩個質量之間的距離而改變。

牛頓萬有引力定律給出重力的大小:
\[ F_g=\frac{GMm}{r^2} \]
其中:
| 符號 | 意義 | SI 單位 |
|---|---|---|
| \(F_g\) | 兩個質量之間的重力大小 | 牛頓,\(\mathrm{N}\) |
| \(G\) | 萬有引力常數,\(6.67\times10^{-11}\ \mathrm{N\,m^2\,kg^{-2}}\) | \(\mathrm{N\,m^2\,kg^{-2}}\) |
| \(M\) | 其中一個物體的質量 | 公斤,\(\mathrm{kg}\) |
| \(m\) | 另一個物體的質量 | 公斤,\(\mathrm{kg}\) |
| \(r\) | 兩個物體中心之間的距離 | 公尺,\(\mathrm{m}\) |
字母 \(M\) 和 \(m\) 並不是分別代表「施加拉力的物體」和「被拉動的物體」。重力是一種相互作用。交換 \(M\) 和 \(m\) 不會改變公式,因為乘積 \(Mm\) 保持不變。
這個公式給出的是力的大小。力的方向沿著連接兩個中心的直線,指向另一個質量。
02在使用計算機之前,先正確找出 \(r\)
對於一顆位於半徑為 \(R\) 的球形行星表面上方、高度為 \(h\) 的衛星,
\[ r=R+h \]
而不是 \(r=h\)。

對於開頭問題中的衛星,
\[ \begin{aligned} r&=6.37\times10^6+4.00\times10^5\\ &=6.77\times10^6\ \mathrm{m} \end{aligned} \]
地球的半徑也是兩者之間距離的一部分。
從根本上說,牛頓的公式是一條適用於點質量的定律。不過,對於球對稱的物體,以及位於其外部的另一個物體,前者的引力作用與假設其全部質量集中在中心時完全相同。這就是為什麼 HSC 物理題目可以使用地球中心來套用這條定律。
對於彼此非常接近的不規則延展物體,將全部質量視為集中在一個點上,可能並不完全準確。HSC 題目通常會提供適合使用點質量模型或球形物體模型的情境。
03反平方關係才是最值得注意的部分
質量直接出現在分子中:
\[ F_g\propto Mm \]
因此,如果其中一個質量加倍,而其他條件保持不變,重力就會加倍。如果兩個質量都加倍,重力就會變成原來的四倍。
距離的影響則不同:
\[ F_g\propto\frac{1}{r^2} \]
繼續閱讀之前,先預測一下:如果兩者之間的距離加倍,會發生什麼事?
重力不會減半,而是變成原來的四分之一,因為
\[ \frac{1}{(2r)^2}=\frac{1}{4r^2} \]
以下是一些有用的變化關係:
| 變化 | 新的重力大小 |
|---|---|
| 其中一個質量加倍 | \(2F\) |
| 兩個質量都加倍 | \(4F\) |
| 距離加倍 | \(F/4\) |
| 距離變成三倍 | \(F/9\) |
| 距離減半 | \(4F\) |
比較兩種情況時,使用比值通常比各自計算兩個很大的力更簡潔。
如果 \(F_1\) 是原來的力,而 \(F_2\) 是新的力,
\[ \frac{F_2}{F_1} = \frac{M_2m_2}{M_1m_1} \left(\frac{r_1}{r_2}\right)^2 \]
這裡的下標 1 和 2 分別代表第一種和第二種情況。由於兩種情況中的常數 \(G\) 相同,因此在比值中會消去。
計算示例:衛星所受的重力
一顆質量為 \(1000\ \mathrm{kg}\) 的衛星在地球表面上方 \(400\ \mathrm{km}\) 處運行。取地球質量為 \(5.97\times10^{24}\ \mathrm{kg}\),半徑為 \(6.37\times10^6\ \mathrm{m}\)。計算衛星所受的重力。
步驟 1
首先,必須將高度換算成公尺:
\[ 400\ \mathrm{km}=4.00\times10^5\ \mathrm{m} \]
因此,
\[ \begin{aligned} r&=6.37\times10^6+4.00\times10^5\\ &=6.77\times10^6\ \mathrm{m} \end{aligned} \]
步驟 2
\[ \begin{aligned} F_g &=\frac{GMm}{r^2}\\ &=\frac{(6.67\times10^{-11})(5.97\times10^{24})(1000)} {(6.77\times10^6)^2}\\ &=8.69\times10^3\ \mathrm{N} \end{aligned} \]
步驟 3
衛星所受的重力約為
\[ F_g=8.69\times10^3\ \mathrm{N} \]
方向指向地球中心。
將這個力除以衛星的質量,可得約 \(8.69\ \mathrm{m\,s^{-2}}\) 的加速度。這比地球表面常見的 \(9.8\ \mathrm{m\,s^{-2}}\) 小,因為衛星距離地球中心更遠。
計算示例:兩顆小行星都會加速
小行星 A 的質量為 \(2.0\times10^{12}\ \mathrm{kg}\),小行星 B 的質量為 \(8.0\times10^{12}\ \mathrm{kg}\)。兩者的中心相距 \(10.0\ \mathrm{km}\)。計算它們之間的重力,以及每顆小行星的加速度。
步驟 1
\[ r=10.0\ \mathrm{km}=1.00\times10^4\ \mathrm{m} \]
步驟 2
\[ \begin{aligned} F_g &=\frac{GM_Am_B}{r^2}\\ &=\frac{(6.67\times10^{-11})(2.0\times10^{12})(8.0\times10^{12})} {(1.00\times10^4)^2}\\ &=1.07\times10^7\ \mathrm{N} \end{aligned} \]
每顆小行星所受的力都是 \(1.07\times10^7\ \mathrm{N}\),方向均指向另一顆小行星。
步驟 3
\[ \begin{aligned} a_A &=\frac{F_g}{m_A}\\ &=\frac{1.07\times10^7}{2.0\times10^{12}}\\ &=5.34\times10^{-6}\ \mathrm{m\,s^{-2}} \end{aligned} \]
步驟 4
\[ \begin{aligned} a_B &=\frac{F_g}{m_B}\\ &=\frac{1.07\times10^7}{8.0\times10^{12}}\\ &=1.33\times10^{-6}\ \mathrm{m\,s^{-2}} \end{aligned} \]
兩顆小行星所受的力大小相等,但加速度並不相等。
小行星 A 的質量只有小行星 B 的四分之一,因此相同的力會使 A 產生四倍大的加速度。
04最容易產生的誤解:質量較大的物體會受到較大的力
假設有一個質量為 \(1\ \mathrm{kg}\) 的物體受到地球吸引。
人們很容易認為,地球的質量極大,因此地球對這個物體施加的力很大,而這個物體對地球施加的力卻很小。這種想法聽起來合理,因為我們看得到小物體下落,卻看不出地球在移動。
然而,牛頓第三定律要求相互作用中的兩個力大小相等:
\[ F_{\text{地球對物體的作用力}} = F_{\text{物體對地球的作用力}} \]
牛頓萬有引力定律也給出相同的結論。無論考慮哪一個方向,力的大小都是
\[ F_g=\frac{GM_{\text{地球}}m}{r^2} \]
真正改變的是加速度:
\[ a=\frac{F}{m} \]
小物體的質量與地球相比非常小,因此它的加速度大得多。
一個實用的判斷原則是:
- 比較力時,使用牛頓第三定律:兩個力的大小相等。
- 比較加速度時,使用 \(a=F/m\):質量較小的物體加速度較大。
不要將這兩個問題混為一談。
05解答重力問題的可靠方法
在代入數值之前,先做出四個判斷。
- 確認互相作用的兩個質量。
- 找出兩者中心之間的距離 \(r\),並以公尺表示。
- 判斷你需要求出重力的實際大小,還是只需要比較兩種情況。若只是比較,使用比值可能更快。
- 求出力之後,說明它的方向,並檢查結果是否符合物理直覺。
即使計算機輸入完全正確,計算結果在物理上仍然可能是錯的。以高度取代中心到中心的距離,就是最典型的例子。
其他常見的錯誤也值得及早避免:
| 容易犯的錯誤 | 實際上應該怎麼做 |
|---|---|
| 將高度當作 \(r\) | 使用中心到中心的距離 |
| 距離仍以公里表示 | 使用 \(G\) 之前,先將距離換算成公尺 |
| 將 \(r\) 加倍,便把 \(F\) 減半 | 將 \(r\) 加倍,會使 \(F\) 變成原來的四分之一 |
| 認為較重的物體所受的力較大 | 兩個相互作用力的大小相等 |
| 將 \(F_g\) 當作加速度 | 若要求加速度,應使用 \(a=F_g/m\) |
| 忘記 \(r\) 要平方 | 輸入數值之前,先寫出 \(r^2\) |
06題目與解答
題目 1
一顆質量為 \(750\ \mathrm{kg}\) 的衛星位於地球表面上方 \(500\ \mathrm{km}\)。使用 \(M_E=5.97\times10^{24}\ \mathrm{kg}\)、\(R_E=6.37\times10^6\ \mathrm{m}\) 和 \(G=6.67\times10^{-11}\ \mathrm{N\,m^2\,kg^{-2}}\)。
計算地球對衛星施加的重力。
解答 1
重力大小為 \(6.33\times10^3\ \mathrm{N}\),方向指向地球中心。
關鍵步驟是使用衛星到地球中心的距離,而不是衛星的高度。
將高度換算成公尺:
\[ 500\ \mathrm{km}=5.00\times10^5\ \mathrm{m} \]
因此,
\[ \begin{aligned} r&=6.37\times10^6+5.00\times10^5\\ &=6.87\times10^6\ \mathrm{m} \end{aligned} \]
接著套用牛頓定律:
\[ \begin{aligned} F_g &=\frac{GM_Em}{r^2}\\ &=\frac{(6.67\times10^{-11})(5.97\times10^{24})(750)} {(6.87\times10^6)^2}\\ &=6.33\times10^3\ \mathrm{N} \end{aligned} \]
最容易犯的錯誤,是將 \(5.00\times10^5\ \mathrm{m}\) 代入 \(r\)。這個數值只是距離地球表面的高度。重力取決於中心到中心的距離。
題目 2
一顆質量為 \(1200\ \mathrm{kg}\) 的衛星,最初位於地球表面上方 \(2.00\times10^6\ \mathrm{m}\)。現在將它沿著遠離地球的方向直接移動,直到它所受的重力恰好變成原來的一半。
使用 \(R_E=6.37\times10^6\ \mathrm{m}\):
- 計算最初的重力。
- 求出衛星到地球中心的新距離。
- 求出衛星距離地球表面的新高度。
使用 \(M_E=5.97\times10^{24}\ \mathrm{kg}\) 和 \(G=6.67\times10^{-11}\ \mathrm{N\,m^2\,kg^{-2}}\)。
解答 2
最初的重力為 \(6.82\times10^3\ \mathrm{N}\)。要使重力減半,新的中心到中心距離必須為 \(1.18\times10^7\ \mathrm{m}\),相當於距離地球表面 \(5.47\times10^6\ \mathrm{m}\) 的高度。
最初,
\[ \begin{aligned} r_1&=6.37\times10^6+2.00\times10^6\\ &=8.37\times10^6\ \mathrm{m} \end{aligned} \]
因此,
\[ \begin{aligned} F_1 &=\frac{GM_Em}{r_1^2}\\ &=\frac{(6.67\times10^{-11})(5.97\times10^{24})(1200)} {(8.37\times10^6)^2}\\ &=6.82\times10^3\ \mathrm{N} \end{aligned} \]
最後的重力是這個數值的一半:
\[ F_2=3.41\times10^3\ \mathrm{N} \]
由於兩個質量都沒有改變,
\[ \frac{F_2}{F_1} = \left(\frac{r_1}{r_2}\right)^2 \]
代入 \(F_2/F_1=1/2\):
\[ \begin{aligned} \frac{1}{2} &=\left(\frac{r_1}{r_2}\right)^2\\ r_2 &=\sqrt{2}\,r_1\\ &=\sqrt{2}(8.37\times10^6)\\ &=1.18\times10^7\ \mathrm{m} \end{aligned} \]
高度是距離地球表面的距離:
\[ \begin{aligned} h_2 &=r_2-R_E\\ &=1.1837\times10^7-6.37\times10^6\\ &=5.47\times10^6\ \mathrm{m} \end{aligned} \]
一種容易想到的做法,是因為重力減半,就將距離加倍。如果兩者是反比關係,這樣做是正確的;但重力遵循的是反平方關係。因此,距離只需要增加至原來的 \(\sqrt{2}\) 倍。
題目 3
一個質量為 \(100\ \mathrm{kg}\) 的探測器,放置在地球與月球之間的某個位置,且位於連接兩者中心的直線上。忽略地球和月球的運動,也忽略所有其他引力的影響。
使用以下數值:
- 地球質量 \(M_E=5.97\times10^{24}\ \mathrm{kg}\);
- 月球質量 \(M_M=7.35\times10^{22}\ \mathrm{kg}\);
- 地球與月球中心之間的距離 \(d=3.84\times10^8\ \mathrm{m}\)。
找出地球對探測器的重力與月球對探測器的重力大小相等的位置。說明該位置距離地球中心多遠,並解釋為什麼它不在地球與月球的中點。
解答 3
兩個重力大小相等的位置距離地球中心 \(3.46\times10^8\ \mathrm{m}\),因此探測器距離月球約 \(3.84\times10^7\ \mathrm{m}\)。在這個簡化模型中,兩個方向相反的重力會在該處互相抵消。
令 \(x\) 代表探測器距離地球中心的距離。那麼,它距離月球的距離就是 \(d-x\)。
要使兩個重力的大小相等,
\[ \frac{GM_Em}{x^2} = \frac{GM_Mm}{(d-x)^2} \]
常數 \(G\) 和探測器的質量 \(m\) 可以消去:
\[ \frac{M_E}{x^2} = \frac{M_M}{(d-x)^2} \]
兩邊取正平方根,得到
\[ \frac{x}{d-x} = \sqrt{\frac{M_E}{M_M}} \]
代入質量,
\[ \sqrt{\frac{5.97\times10^{24}}{7.35\times10^{22}}} =9.01 \]
因此,
\[ \begin{aligned} \frac{x}{d-x}&=9.01\\ x&=9.01(d-x)\\ 10.01x&=9.01d\\ x&=0.900d\\ &=3.46\times10^8\ \mathrm{m} \end{aligned} \]
到月球的剩餘距離為
\[ \begin{aligned} d-x &=3.84\times10^8-3.46\times10^8\\ &\approx3.84\times10^7\ \mathrm{m} \end{aligned} \]
作為檢查,每個重力的大小約為 \(0.333\ \mathrm{N}\)。
人們很容易想到中點,因為在中點,兩個距離會相等。但兩個天體的質量並不相等。地球的質量遠大於月球,因此探測器必須更接近月球,月球較弱的引力才能與地球的引力相匹配。
題目 4
兩個互相隔離的點質量物體從靜止開始運動。物體 A 的質量為 \(M\),物體 B 的質量為 \(4M\),兩者最初相距 \(d\)。它們受到的唯一作用力是彼此之間的重力。
在之後的某一時刻,兩者的距離減少至 \(d/2\)。
- 重力改變了多少倍?
- 兩個物體的加速度大小之比 \(a_A:a_B\) 是多少?
- 到達該時刻時,每個物體從起始位置移動了多遠?
解答 4
重力變成原來的四倍,物體 A 的加速度是物體 B 的四倍,而 A 移動了 \(2d/5\),B 移動了 \(d/10\)。
最初,
\[ F_1=\frac{G(M)(4M)}{d^2} \]
當距離減少至 \(d/2\) 時,
\[ \begin{aligned} F_2 &=\frac{G(M)(4M)}{(d/2)^2}\\ &=4F_1 \end{aligned} \]
因此,重力增加至原來的四倍。
在任何時刻,兩個物體所受的重力大小都相等。因此,
\[ a_A=\frac{F}{M} \]
而
\[ a_B=\frac{F}{4M} \]
所以,
\[ a_A:a_B=4:1 \]
現在考慮它們的運動。由於系統從靜止開始,而且沒有外力作用,系統的總動量保持為零。因此,兩者的動量大小必須滿足
\[ Mv_A=4Mv_B \]
所以
\[ v_A=4v_B \]
這個關係在整個運動過程中都成立。因此,在相同的時間間隔內,物體 A 移動的距離是物體 B 的四倍。
令它們移動的距離分別為 \(x_A\) 和 \(x_B\)。兩者之間的距離由 \(d\) 減少至 \(d/2\),因此它們合計接近了
\[ x_A+x_B=\frac d2 \]
由於 \(x_A=4x_B\),
\[ \begin{aligned} 4x_B+x_B&=\frac d2\\ 5x_B&=\frac d2\\ x_B&=\frac d{10} \end{aligned} \]
因此,
\[ x_A=\frac{2d}{5} \]
一個容易犯的錯誤,是認為重力大小相等,就代表兩個物體移動的距離也相等。相同的力不代表相同的加速度。物體 A 的質量只有物體 B 的四分之一,因此它對相同大小的力會產生四倍的加速度。
題目 5
兩個互相隔離的球形物體從靜止釋放。
物體 A 的質量為 \(M\),半徑為 \(R\)。物體 B 的質量為 \(8M\),半徑為 \(2R\)。兩者的中心最初相距 \(4R\)。假設兩個物體始終保持球形,而且在它們的表面首次接觸之前,牛頓球形物體引力定律均適用。
一名學生提出以下說法:
當兩個物體互相接近時,\(F_g\propto1/r^2\),因此在碰撞之前,重力最終會變成初始值的兩倍。
判斷這個說法是否可能成立。接著:
- 找出首次接觸之前能達到的最大重力,以初始重力的倍數表示。
- 求出接觸之前每個物體的中心移動了多遠。
- 比較接觸時兩個物體所受的重力,以及各自的加速度。
解答 5
這個說法不可能成立。兩個物體在重力增至初始值的兩倍之前,就會先接觸。在首次接觸時,重力只有初始值的 \(16/9\),也就是約 \(1.78\) 倍。物體 A 移動了 \(8R/9\),物體 B 移動了 \(R/9\)。兩者所受的力大小相等,而 A 的加速度是 B 的八倍。
最初,兩個物體的中心距離為
\[ r_i=4R \]
因此,重力為
\[ \begin{aligned} F_i &=\frac{G(M)(8M)}{(4R)^2}\\ &=\frac{8GM^2}{16R^2}\\ &=\frac12\frac{GM^2}{R^2} \end{aligned} \]
兩個表面接觸時,中心到中心的距離等於兩個半徑之和:
\[ r_c=R+2R=3R \]
因此,接觸時的重力為
\[ F_c=\frac{G(M)(8M)}{(3R)^2} =\frac89\frac{GM^2}{R^2} \]
將它與初始重力比較,
\[ \begin{aligned} \frac{F_c}{F_i} &= \frac{\frac89GM^2/R^2} {\frac12GM^2/R^2}\\ &=\frac{16}{9}\\ &\approx1.78 \end{aligned} \]
因此,兩個物體會在重力增至兩倍之前碰撞。
我們也可以從另一個角度看出這名學生的錯誤。若重力要在兩個質量保持不變的情況下加倍,
\[ 2=\left(\frac{r_i}{r}\right)^2 \]
可得
\[ r=\frac{4R}{\sqrt2}\approx2.83R \]
但兩個物體在 \(r=3R\) 時就會接觸。中心距離 \(2.83R\) 意味著兩個球形物體必須彼此重疊。
反平方定律本身並沒有錯。錯誤在於忽略了物理系統的幾何限制,讓 \(r\) 取到兩個物體碰撞前根本無法達到的數值。
現在求出每個物體中心的移動距離。兩個中心之間的距離由 \(4R\) 減少至 \(3R\),因此兩個物體合計接近了
\[ R \]
由於相互作用力的大小相等,
\[ a_A=\frac{F}{M} \]
以及
\[ a_B=\frac{F}{8M} \]
因此,
\[ a_A=8a_B \]
兩個物體都從靜止開始,因此在接觸之前,較輕的物體移動的距離是較重物體的八倍。
若兩者移動的距離分別為 \(x_A\) 和 \(x_B\),
\[ x_A=8x_B \]
而且
\[ x_A+x_B=R \]
因此,
\[ \begin{aligned} 9x_B&=R\\ x_B&=\frac R9 \end{aligned} \]
而
\[ x_A=\frac{8R}{9} \]
在接觸時,牛頓第三定律仍然成立:
\[ F_{\text{A 作用於 B}}=F_{\text{B 作用於 A}} \]
兩個力的大小相等。
但它們的加速度並不相等。由於物體 B 的質量是物體 A 的八倍,
\[ a_A=8a_B \]
最後一個陷阱比較隱晦:即使正確套用了反平方定律,也可能得出不可能實現的預測,原因是忘記了系統還受到其他限制。在這裡,被忽略的限制是:兩個具有有限半徑的球形物體,在彼此重疊之前,中心距離不能小於兩個半徑之和。
07接下來可以進一步理解的內容
一旦掌握了中心到中心的距離、反平方關係,以及作用力大小相等的相互作用,理解軌道運動就會容易得多。
對於圓形軌道,重力提供向心力。令
\[ F_g=\frac{GMm}{r^2} \]
等於所需的向心力
\[ F_c=\frac{mv^2}{r} \]
就能將牛頓萬有引力定律直接與軌道速度和週期連結起來。這也解釋了為什麼許多軌道關係取決於中心天體的質量和軌道半徑,卻不取決於衛星本身的質量。
這個關聯自然引出克卜勒行星運動三定律。克卜勒所描述的規律,可以透過牛頓後來以數學方式建立模型的引力相互作用來理解。