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平方反比定律
物理學(xué)定律
反平方定律是一個(gè)物理學(xué)定律，又稱(chēng)平方反比定律、逆平方律、反平方律；如果任何一個(gè)物理定律中，某種物理量的分布或強度，會(huì )按照距離源的遠近的平方反比而下降，那么這個(gè)定律就可以稱(chēng)為是一個(gè)反平方定律。
基本信息
| 中文名 | 平方反比定律 |
| 外文名 | The Inverse Square Law |
| 別名 | 逆平方律、反平方律 |
| 應用學(xué)科 |
基本內容
物理學(xué)
“物理學(xué)是優(yōu)美的，它的美表現在基本物理規律的簡(jiǎn)潔和普適性"。十七、十八世紀相繼發(fā)現的兩大物理規律：萬(wàn)有引力定律和庫侖定律，可以說(shuō)是物理學(xué)史上一次偉大革命，這兩個(gè)定律表述簡(jiǎn)潔，內容深邃，構成了思維與自然和諧的統一。
1、兩定律發(fā)現的歷史背景
萬(wàn)有引力定律是偉大科學(xué)家牛頓致力二十多年研究的結果，他從蘋(píng)果落地開(kāi)始思考，直到星際間的運動(dòng)，總結出物體之間的作用規律，最后發(fā)表于1687年，其數學(xué)表述為：F=GMm/r^2，他是在開(kāi)普勒、第谷研究得星運動(dòng)規律的基礎上總結并推廣到任何物體之間存在相互作用的引力，宣告天上和地下的萬(wàn)物都遵循同一條規律，徹底否定了宗教勢力的天上地下不同的思想，這是人類(lèi)認識史上的一次飛躍，牛頓應用萬(wàn)有引力成功地解釋了潮汐現象，接著(zhù)海王星、冥王星的發(fā)現進(jìn)一步證實(shí)了萬(wàn)有引力定律的正確性、萬(wàn)有引力定律的創(chuàng )立，使天上的運動(dòng)和地面上的運動(dòng)統一在一起，揭開(kāi)了神秘宇宙的第一層面紗，為人類(lèi)認識宇宙、了解自然邁開(kāi)了第一步。
庫侖定律是法國科學(xué)家庫侖在1785年確立的，庫侖注意到電荷之間的靜電力與萬(wàn)有引力有許多類(lèi)似之處，并大膽地假設靜電作用的規律與萬(wàn)有引力有類(lèi)似的形式，他將電荷的作用力表述為：F=KQ1Q1/r^2被后人稱(chēng)為“庫侖定律”。力和距離都服從平方反比關(guān)系，庫侖定律中的電量q與萬(wàn)有引力中的m相當，不同的是，萬(wàn)有引力總是引力，而庫侖力可以是引力也可以是斥力。
2、關(guān)于靜電力恒量K與萬(wàn)有引力常量G
牛頓發(fā)現萬(wàn)有引力之后后一百多年，英國科學(xué)家卡文迪許于1798年用精巧的扭秤裝置對萬(wàn)有引力常量G作了一個(gè)比較精確的測量，在當時(shí)無(wú)人超過(guò)他測量的精度，在此之前，人們只知道存在這樣一個(gè)常量，但不知道它為多少，阻礙了人們研究星球質(zhì)量、密度、半徑等一系列與星球有關(guān)的問(wèn)題，萬(wàn)有引力常量是目前測得最不精確的基本物理常量之一。因為要測量G，就必須先測引力F，而引力太弱，又不能屏蔽其它物體對它的干擾，實(shí)驗很難做，國際科聯(lián)理事會(huì )科技數據委員會(huì )1986年推薦的數據為G=6.6725985×10^-11m^3/kg*s^2(或N.m^2/kg^2)，不精確度為萬(wàn)分之1.28，而這樣的精確度并不高。
對于靜電力恒量K，庫侖在推測靜電作用的規律過(guò)程中也是用的扭抨測量K值，不知是庫侖根據卡文迪許的實(shí)驗得啟發(fā)而采用扭秤，還是兩人思維不謀而合，至今仍判斷不清，靜電力恒量的測定比萬(wàn)有引力常量的測定要精確得多，因為兩個(gè)帶電體之間的作用力是比較明顯的，也容易屏蔽外界的干擾，在國際單位制中，K=8.9875×10^9Nm^2/C^2
3、關(guān)于兩定律中距離平方是否可靠的問(wèn)題
平方反比定律是否會(huì )出現偏差？即r的指數是否一定等于2，這是目前科學(xué)家關(guān)心的問(wèn)題，庫侖定律中平方反比若有偏差，理論上會(huì )導致光子的靜止質(zhì)量不為零，從而出現真空中光速可變（真空散射），黑體輻射公式要修改，電荷不守恒，這樣便會(huì )動(dòng)搖電磁學(xué)乃至物理學(xué)整個(gè)大廈的基礎，幾百年來(lái)，隨著(zhù)精密儀器的出現和實(shí)驗技術(shù)的提高，并經(jīng)過(guò)不少科學(xué)家的努力，距離指數已達2+3×10的精確度。盡管精度很高，但是它是否嚴格等于2，仍受到物理學(xué)家的普遍關(guān)注，并將進(jìn)一步得到檢驗，如果萬(wàn)有引力的指數有偏差，則會(huì )引起力場(chǎng)的高斯定理不成立等一系列問(wèn)題，是與我們所學(xué)的知識背道而弛的，這些基本物理規律被破壞當然不可能想象。譬如說(shuō)，現在如果有人宣布r的指數比2略大或者略小，哪怕只是一丁點(diǎn)兒，物理學(xué)則可能重新被修改。
還有，萬(wàn)有引力定律和庫侖定律在形式上的相似性，是否意味著(zhù)這兩種作用的某種內在的質(zhì)的統一性，至今還是一個(gè)謎，有待我們去揭示。
4、兩個(gè)定律的適應范圍
在中學(xué)階段，庫侖定律中電荷要視為靜止（兩電荷相對靜止且均在慣性系中）的點(diǎn)電荷，萬(wàn)有引力定律中的物體要視為質(zhì)點(diǎn)，但如果不能視為點(diǎn)電荷和質(zhì)點(diǎn)，也能根據力的矢量迭加原理和微積分理論求得其值。
庫侖定律是電磁學(xué)中的基本定律，包括著(zhù)名的a粒子散射以及地球物理探測在內的大量實(shí)驗表明：庫侖定律在小至原子、原子核的線(xiàn)度，大至地球的線(xiàn)度內，即在10～10m的范圍內是可靠的，但在小至10m以下和大至天文距離時(shí)，庫侖定律能否精確成立還未經(jīng)實(shí)驗證實(shí)，當然也沒(méi)有理由預料在大距離下庫侖定律會(huì )遭到破壞，萬(wàn)有引力定律在太陽(yáng)系內討論天體運動(dòng)獲得了巨大的成功，它的威力究竟能力能延伸多遠？當今牛頓萬(wàn)有引力的新版本----廣義相對論已證明“萬(wàn)有引力理論的普適性超越了宇宙的邊緣”（趙凱華語(yǔ)）。正是這樣，從蘋(píng)果落地到月亮，從太陽(yáng)到宇宙，上窮碧落下黃泉，凡是有引力參與的一切物理現象，無(wú)不歸結到一條簡(jiǎn)潔定律之中。茫茫宇宙，看似雜亂無(wú)間的星體運動(dòng)都被一條精簡(jiǎn)的數學(xué)語(yǔ)言-----平方反比定律約束著(zhù)，這不是知識的力量、人類(lèi)智慧的結晶嗎？
自然界中基本相互作用目前已知有四種：萬(wàn)有引力作用、電磁作用、強相互作用和弱相互作用。強弱相互作用是一種短程力，作用程不超過(guò)原子核線(xiàn)度，在微觀(guān)世界中，萬(wàn)有引力和電磁力相比是微不足道的，如電子與質(zhì)子之間的庫侖力是萬(wàn)有引力的10倍，因此，在微觀(guān)領(lǐng)域，起作用的是庫侖力，但在整個(gè)電中性宇宙中，萬(wàn)有引力使天體有規律地按軌道運動(dòng)，它就象一根指揮棒，調節著(zhù)整個(gè)宏觀(guān)世界的運動(dòng)。
兩個(gè)平方反比定律，是物理學(xué)生存與發(fā)展的基礎，支撐著(zhù)物理學(xué)這根擎天大柱，而它們卻以驚人相似的表述形式展現在我們面前，我們想信世界是統一的，自然科學(xué)便是一種追求真、善、美的科學(xué)。
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