万有引力的高斯定理1

引力场中的高斯定理引力和静电力都是有势力，相应的引力势和静电势都满足三维空间里最简单的二阶（偏微分）方程——拉普拉斯方程.用ψ代表引力势或者静电势场，它在三维空间里所满足的拉普拉斯方程采取如下的形式：（∂2/∂x2+∂2/∂y2+∂2/∂z2）ψ(x,y,z)=0.由于相应的静电力和引力等于势的微分（的负值），它的大小便与半径r成反比了，即ψ（r）∝1/r,F(r)=- dψ/dr∝1/r2由于万有引力定律与Coulomb,s law本质是一样的，因此引力场中也存在高斯定理，并且与万有引力定律等价.Ⅰ、预备知识引力场场强：引力场场强是一个向量，其大小等于1千克的质点在该处所受引力的大小，方向与该质点在该处所受引力的方向一致.引力线：如果在引力场中出一些曲线，使这些曲线上每一点的切线方向和该点的引力场强方向一致，那么所有这样可以作出的曲线叫做引力线.引力线数密度：在引力场中任一点取一小面元ΔS与该点的场强方向垂直，设穿过ΔS 的引力线有ΔN根，则比值ΔN/ΔS叫做该点的引力线数密度，它的意义是通过该点单位垂直截面的引力线根数，规定引力场场强E∝ΔN/ΔS.引力线性质：引力线其自无穷远点，止与该质点，引力线在宇宙中处处存在.一个质点的任何两条引力线不会相交，不形成闭合线.引力通量：通过一面元ΔS的引力通量为该点场强的大小E与ΔS在垂直于场强方向的投影面积ΔS′=ΔScosθ的乘积.Ⅱ、通过一个任意闭合曲面S的引力通量φ=4πG∑m，与闭合曲面外的引力质量无关.证明：（1）通过包括质点m的同心球面的引力通量都等于4πGm.以质点m所在处为中心以任意半径r作一球面.根据万有引力定律,在球面上各点场强大小一样E=G m /r2,场强的方向沿半径向外呈辐射状.在球面上任意取一面元dS，其外法线向量n也是沿着半径方向向外的，即n和E间夹角θ=0，所以通过dS的引力通量为dφ=EcosθdS=EdS= G m /r2dS,通过整个闭合球面的引力通量为φ=dS= G m /r2×4πr2=4πGm.（2）通过包围质点的任意闭合曲面S的引力通量都等于4πGm在闭合面S内以质点m所在处O为中心作一任意半径的球面S′，根据（1）通过此球面的事情感兴趣,要勤奋地工作!”。

高斯定理表达式及其物理意义
高斯定理：在一个封闭的曲面上，任意一点外部电荷的积分等于曲面内部电荷的积分。

高斯定理是由德国数学家卡尔·马克斯·费马于1813年发现的，它是电动势的基本定理，是研究电场的基础。

它有着极其重要的物理意义，是电磁理论的基础。

高斯定理的物理意义是：在一个封闭的曲面上，任意一点外部电荷的积分等于曲面内部电荷的积分。

高斯定理是一个重要的数学定理，它的公式表达为：∮⃗E⋅d⃗s=q/ε，其中，∮⃗E⋅d⃗s是曲面上某一点外电荷的电场积分，q是曲面内部电荷的总量，ε是介电常数。

这一定理可以用来研究电场及其相关问题，可以用来计算电场的强度、电势等。

换句话说，高斯定理告诉我们，在一个封闭的曲面上，外部电荷的积分等于曲面内部电荷的积分，这一定理是计算电场强度、电势等问题的重要依据。

高斯定理还可以用来研究磁场及相关问题，它可以用来计算磁场的强度、磁势等。

其公式表达为：∮⃗B⋅d⃗s=μq/ε，其中，∮⃗B⋅d⃗s是曲面上某一点外磁荷的磁场积分，μ是磁导率，q是曲面内部磁荷的总量，ε是介电常数。

高斯定理可以用来研究电场、磁场的强度、电势、磁势等，它的物
理意义是：在一个封闭的曲面上，任意一点外部电荷或磁荷的积分等于曲面内部电荷或磁荷的积分。

高斯定理是电磁理论的基础，是研究电磁场的重要依据。

高斯定理的推导高斯定理，也称为高斯通量定理，是电磁学中非常重要的一个定理，它描述了一个闭合曲面内的电场通量与该曲面内所有电荷的总电量之间的关系。

高斯定理的推导过程较为复杂，但是我们可以通过一些简化的方式来理解和应用它。

我们来了解一下高斯定理所涉及的一些基本概念。

在电磁学中，电场是由电荷产生的一种力场，它的大小和方向决定了空间中其他电荷所受到的力。

而电场通量则是描述电场通过一个给定面积的量，可以理解为电场线通过该面积的密度。

在这里，我们要特别强调的是电场通量是通过一个面积，而不是一个体积。

高斯定理的推导过程涉及到微积分的一些知识，但是我们可以通过一个简化的情景来理解它。

假设我们有一个均匀分布的电荷球体，其半径为R，电荷密度为ρ。

现在我们在球体内部任意选取一个闭合曲面，这个曲面可以是球面、柱面或者任意形状的曲面。

根据高斯定理，这个闭合曲面内的电场通量与该曲面内所有电荷的总电量之间存在一定的关系。

具体来说，我们可以通过对闭合曲面进行积分，得到曲面上的电场通量。

在这个过程中，我们需要确定曲面上每个点的电场强度和法向量的夹角，然后将它们的乘积相加。

这样，我们就可以得到整个曲面上的电场通量。

那么，这个电场通量与曲面内的电荷有什么关系呢？根据高斯定理，电场通量等于曲面内部电荷的总电量除以真空介电常数ε0。

也就是说，电场通量与曲面内的电荷量成正比。

通过这个简化的情景，我们可以更好地理解高斯定理的物理意义。

它告诉我们，一个闭合曲面内的电场通量与该曲面内所有电荷的总电量之间存在一种关系，从而让我们能够通过测量电场通量来推断曲面内的电荷量。

高斯定理的应用非常广泛，它不仅可以用于求解简单的电场问题，还可以应用于更复杂的情况，比如电场在介质中的传播和变化。

在实际工程和科学研究中，高斯定理是解决电场问题的重要工具之一。

需要注意的是，高斯定理只适用于静电场问题，也就是说，电荷的分布不随时间变化。

对于动态电场问题，我们需要使用其他方法来求解。

高斯定理在万有引力场中的应用
高斯定理是物理学界以及数学界较为重要的定理之一，它可以被广泛地用于万有引力场的研究中。

首先，我们需要了解高斯定理的核心部分——高斯梯度定理：它指出了引力场的数学表示和图像的梯度的空间表示之间的联系，即：万有引力场的空间表示有一个正定的悬赏函数，和任意点的梯度之间存在明确的联系，此外，这个悬赏函数的倒数是一个完全定义的单值函数，接下来，我们就可以用这个悬赏函数来求出万有引力场的强度以及各种有关物理量。

另一方面，万有引力场对空间上某点上发生的结构变化也有着重要的影响，它可以通过高斯梯度定理来计算这种变化。

高斯梯度定理中，梯度是一个十分重要的概念，它是三维空间中某点处的万有引力场变化速率。

对此，高斯定理可以让我们通过知道梯度 at 点 P 的方向和大小来推断出空间上某个点处的引力场的强度和变化情况，也就是我们可以根据某点的梯度来计算出空间上的点的引力场的强度以及计算出不同空间上的点之间的引力场是否在变化。

至此，我们可以看出，高斯定理在万有引力场的有效应用中发挥了重要作用，它提供了万有引力场变化情况的推断，可以让我们很快的分析出物体之间的引力场变化情况，这样使我们可以进一步研究万有引力场，更好的理解它。

此外，高斯定理也有许多其它的应用，例如他可以用于空气动力学，静电学以及地学等领域。

引力的高斯定理赵旋物理系201011141030 众所周知，我们学习过的电场力的高斯定理：EdS=q/ε0.对于与电场力极其相似的万有引力，也会不会有相同于高斯定理的表现其有源性的公式呢？我们知道，电场力是有源的；同样，万有引力也是有源的。

所以，我们完全可以根据电场力的高斯定理，仿造出万有引力的高斯定理。

首先，由于万有引力F=GMmR2∙e n,所以定义F=m∙E′或者E′=Fm，对于两质点间的万有引力即是定义E′=GMmR2。

为了更好地类比引力高斯定理，我们在定义q′=m.这时万有引力的公式变为：F=q′∙E′.又根据点电荷之间电场力的表达式：F=14πε0∙q1q2R2,按照F=GMmR2∙e n可得到ε0′=14πG.到此我们将万有引力公式完完全全地改为了：F=10∙q1′q2′其中，q′=m，ε0′=14πG。

这就是一个跟电场力完全相同的万有引力公式。

然后根据电场力的高斯定理：EdS=q/ε0可以得出万有引力的高斯定理：E′dS=q′/ε0′将其还原为万有引力我们通常使用的量即是：F∙dS=4πG∙M.公式的意义在于表示对于某一区域引力场强度在一封闭曲面上的面积分与封闭曲面所包围的物体质量成正比，与曲面内质量的分布情况无关，与封闭曲面外的质量亦无关。

对于引力高斯定理的证明，由于我们在之前已经把万有引力的所有重要的公式都换成了跟电场力很是相似的公式，所以对引力高斯定理进行证明的时候，只需要对照电场力高斯定理就可以了，在证明的时候只需把E、q、ε0分别换成E′、q′、ε0′就可以了。

步骤基本完全相似……于此同时，与电场力有关的所有定理几乎都可以移植到万有引力。

比如会有万有引力的环路定理：E′∙dl=0.等等……。

万有引力场的高斯定理一 问题的提出在大一上学期学习力学，在学到简谐运动那一章时，胡老师曾举个一个例子，是摘自老版本大学物理学的一道书上例题，题目是这样的：将地球看做一个半径为R 的均匀球体，密度为ρ，假定沿直径开一条通道，若有质量为m 的质点沿通道做无摩擦运动，证明此运动为简谐运动。

（题目示意图如下）例题图当时做这道题时不知道如何列出质点的受力方程，后来老师直接讲到质点的受力大小仅与质点所在圆面内包围的质量有关，而与外部的质量无关。

列出受力大小公式，经过化简发现受到的万有引力大小是一个和质点所在面的半径r 成正比的○1，即质点在地球内部受到了一个线性回复力的作用，方向和质点相对于平衡位置（地心）的位移方向相反，即质点做的是简谐运动。

具体的解题公式和过程不再写出，这些不是本文章的重点。

场景转换到大一下学期（现在），在老师讲到电磁学中静电场的高斯定理时，惊奇的发现：∑⎰⎰==Φ)(01cos 内S iE q dS E εθ这个公式告诉我们：通过一个任意闭合曲面S 的电通量E Φ等于该面所包围的所有电荷的代数和Σq 除以ε0，与闭合面外的电荷无关。

这就是著名的电场中的高斯定理的表述。

其他有关高斯定理的证明请见《电磁学》（赵凯华、陈熙谋版）第54页至59页，这里不再抄写证明。

高斯提出了电通量的概念，并根据库仑定律推导出来，使很多电场问题步骤和思路大大简化，并提炼出了这个公式。

学到这里时我就突然想到了本文最开始的那道有关万有引力的题目，并且想到牛顿的万有引力定律公式——221r m m GF =万和库仑定律公式——221cr q q k=F 有着十分相似的形式，既然库仑定律能够推导出电场的高斯定理，那么高斯定理应该在万有引力场中同样适用。

在这里先给几个定义和公式：万有引力强度，用g表示，定义式为2rm 中万G m F g == ，但正方向为从内到外，与g实际方向相反。

对于球状质点系，通过单位表面积的引力通量是：-g r4r 4*g -S 22==Φ=Φππ万d 1， 万有引力通量，⎰⎰∆-=ΦSS gcos θ万（注意负号）2， 仿照041πε=k ，令041g G π=，这里的0g 姑且命名为真空介万常数，呵呵，根据真空介电常数改的，大小约为1.193*10^9。