《四种基本相互作用》精讲

第1节重力__基本相互作用1.力是物体与物体之间的相互作用。

力的三要素：大小、方向、作用点。

2．力的图示与力的示意图不同。

3．重力是由于地球的吸引而使物体受到的力。

重心的位置与物体的形状和质量分布有关，物体的心不一定在物体上。

4．自然界有四种基本相互作用：万有引力、电磁相互作用、强相互作用、弱相互作用。

一、力和力的图示1．力的作用效果(1)使物体的运动状态发生变化；(2)使物体发生形变。

2．力物体与物体之间的相互作用，力的单位是牛顿，简称牛，符号N。

3．力的矢量性力是既有大小又有方向的矢量。

4．力的图示可以用一条带箭头的线段表示力。

如图甲所示。

线段按一定比例(标度)画出，它的长短表示力的大小，它的指向表示力的方向，箭头(或箭尾)表示力的作用点，线段所在的直线叫做力的作用线。

5．力的示意图只需要表示出力的方向和作用点的线段。

如图乙所示。

二、重力1．重力的产生(1)由于地球的吸引而使物体受到的力。

(2)重力的施力物体是地球。

2．重力的大小(1)重力的大小跟物体的质量成正比，即G＝mg。

(2)测量：用弹簧测力计竖直悬挂被测物体，当处于静止状态时，弹簧测力计示数即为其重力大小。

3．重力的方向总是竖直向下。

4．重心物体的各部分都受重力作用，从效果上看可认为各部分所受到的重力作用集中于一点，即为物体的重心。

5．决定物体重心位置的因素(1)物体的形状；(2)物体的质量分布。

三、四种基本相互作用四种基本相互作用分别为：万有引力、电磁相互作用、强相互作用、弱相互作用。

1．自主思考——判一判(1)只有接触的物体间才会有力的作用。

(×)(2)一个物体对另一个物体施加力的作用，但不会受到对方的力的作用。

(×)(3)力的作用效果仅由力的大小决定。

(×)(4)只有静止在地面上的物体才会受到重力。

(×)(5)重力是由于地球的吸引而产生的，但它的方向不一定指向地心。

(√)(6)质量大的物体受到的重力一定比质量小的物体受到的重力大。

自然界中四种相互作用的力一强相互作用力的实质强相互作用力乃是让强子们结合在一块的作用力，人们认为其作用机制乃是核子间相互交换介子而产生的。

而其实，强子们之间的相互作用实际上乃是夸克团体与夸克团体之间的相互作用，而夸克团体之间的相互作用则必然乃夸克与夸克之间相互作用的剩余。

而夸克之间的相互作用我们已知它是未饱和游空子重合体之间相互作用的延伸，这才是真正的强相互作用之作用机制。

大约地说，当夸克们结合成为强子时，其结构已经较为严密完整，可是，如果强子之间发生了强烈的撞击作用，那么各强子原来的结构则定会遭到破坏，因此，各强子中的大小夸克们则自然会重新产生相互的作用而结合在一块；这，正就是强相互作用的现象。

而说到底，强相互作用的实质乃是由于未饱和游空子重合体之中心体因其综合循环体的未饱和而通过静空子中间体渗透出中心极性而与别的未饱和游空子重合体之外层循环体产生相互吸引，并且自身的循环体同理也受到对方中心体吸引，因而它们之间则产生了强烈的相互作用从而形成了各种层次的联合构成体，而强相互作用则乃是其中一个层次上的联合相互作用而已。

二电磁相互作用力的实质电磁相互作用力乃是带电荷粒子或具有磁矩粒子通过电磁场传递着相互之间的作用。

电场和磁场的实质我们在前面已经了解：电场乃是游空子循环体的循环变化在周围静空子的中间体中引起极性感应激荡并传递开去。

而磁场则是电场因电源的运动而呈现出不同的状态而已。

并且我们还知道，电场和磁场实际上也是一种电磁波，不过乃是频率及高的电磁波。

而电磁波能够对许多东西产生作用并使之发生结构状态的改变（如光照能使物体升温、无线电波能在导线中推动电子而形成电流等等），这是因为任何有质的东西皆由游空子所构成，而任何游空子皆处在静空子之中并与静空子共用中间体；于是，电磁波━━即静空子中间体的极性感应激荡自然会影响游空子从而或多或少地影响了游空子构成体的整体状态。

所以，电磁作用的范围其实是很广的。

那么带电荷体与带电荷体之间的相互作用具体是怎样进行的呢？电荷无非分为正负两种，我们先说异种电荷，即正负电荷之间的相互作用吧。

谈四种基本相互作用及其统一问题一、四种基本相互作用物质处于不断运动变化之中，物质之间的各种相互作用支配着物质的运动和变化。

物质之间的相互作用十分复杂，它们有各种各样的表现形式，但按照目前的认识，它们可以归纳为四种基本相互作用。

最早被人们认识的相互作用是电磁相互作用。

公元前6世纪古希腊的泰勒斯用琥珀和毛皮摩擦，开始认识摩擦生电现象。

公元前3世纪我国《吕氏春秋》中就有关于磁石吸引铁的记载。

但真正对电磁规律作定量描述还是最近二三百年的事情。

麦克斯韦总结了前人一系列发现和实验成果，于1875年提出了描写电磁作用的基本运动方程式，后来称为麦克斯韦方程。

这是第一个完整的电磁理论体系，它把两类作用——电与磁——统一起来了，定量地描述了它们之间的相互影响相互转变的规律。

麦克斯韦方程还揭示了光的电磁本质：光本身是一定频段的电磁波。

1900年瑞利(Rayleigh)和金斯(Jeans)根据经典物理学推导出关于黑体辐射强度的所谓瑞利—金斯公式。

这公式在长波部分与实验符合很好，但在短波部分辐射强度不断增大，称为紫外困难。

这种紫外困难反映了经典物理学的困难。

面对这一困难，普朗克勇敢地放弃了经典物理的能量均分原理，提出了电磁波的能量子假说，电磁波的能量只能不连续地、一份一份地被辐射或吸收。

1905年爱因斯坦从光电效应的分析中提出光量子理论，光不仅在能量组成上是不连续的，而且在结构上也是不连续的。

爱因斯坦第一次把两种对立的观念——粒子和波动——统一了起来：光在传播过程中突出地表现了它们的波动性，它有干涉、衍射和折射等现象；但光在与物质相互作用中突出地表现了它的粒子性，光量子带有一定的能量和动量，可以与其他物质交换，发生相互作用。

列别捷夫的光压实验证实了光量子的能量动量与光的频率波长的关系式。

还是在1905年，爱因斯坦分析了几个与经典物理尖锐对立的光及电磁现象的实验，提出了狭义相对论，从而开始了20世纪物理学的第一场革命。

狭义相对论改变了牛顿的时空观，开始认识到时间空间是物质的存在形式，时间空间与物质不可分隔。

四种相互作用力
原创2021-10-30 11:21·加速度物理
四种相互作用力很多人都听说过，重力和电磁力大家也很熟悉，但是有的力并不是很了解，也很少放在一起作比较。

今天我们把它们放在一起做一个系统的了解。

我们按照力的大小顺序来介绍
1.强相互作用
它是核子之间的结合力，有效作用范围是10^-14米，作用范围很小，通过胶子传递。

强相互作用是四种作用力中最强的，它可以把质子、中子等紧紧的结合到一起。

2.电磁相互作用
电磁相互作用力的大小是强力的约1/137，作用范围无限，通过光子传递。

我们熟悉的电荷之间的相互作用，磁体之间的相互作用都是电磁相互作用。

3.弱相互作用
弱相互作用大小是强力的十万分之一，有效范围10^-18米，它通过W及Z玻色子传递。

弱相互作用作用于电子、夸克、中微子等费米子。

中子——质子+电子+中微子
在中子衰变成质子过程中，弱力起主要作用。

4.万有引力
万有引力是强力的10^-40倍，是四种力中最小的，作用范围无限，是影响天体运行最重要的力，通过引力子传递。

四种基本相互作用从l7世纪下半叶起，人们发现，相互吸引的作用存在于一切物体之间，直到宇宙的深处，只是相互作用的强度随距离增大而减弱。

在物理学中，我们称它为万有引力(gravitation)。

正是万有引力把行星和恒星聚在一起，组成太阳系、银河系和其他星系。

引力是自然界的一种基本相互作用，地面物体所受的重力只是引力在地球表面附近的一种表现。

电荷之间同样存在相互作用：同种电荷相排斥，异种电荷相吸引。

类似地，两个磁体之间也存在相互作用：同名磁极相排斥，异名磁极相吸引。

l9世纪后，人们逐渐认识到，电荷间的相互作用、磁体间的相互作用，本质上是同一种相互作用的不同表现，这种相互作用称为电磁相互作用(electromagnetic interaction)或电磁力。

它也是自然界的一种基本相互作用。

电磁力随距离变化的规律与万有引力相似：当距离增大到原来的2倍时，它们减小到原来的1/4。

20世纪，物理学家发现原子核是由若干带正电荷的质子和不带电的中子组成的，而带正电的质子之间存在斥力，这种斥力比它们之间的万有引力大得多，似乎质子与质子团聚在一起是不可能的。

于是他们认识到，一定有一种新的强大的相互作用存在，使得原子核紧密地保持在一起。

这种作用称做强相互作用(strong interaction)。

与万有引力和电磁力不同，距离增大时，强相互作用急剧减小，它的作用范围只有约10-15 m，即原子核的大小，超过这个界限，这种相互作用实际上已经不存在了。

19世纪末、20世纪初，物理学家发现，有些原子核能够自发地放出射线，这种现象称为放射现象。

后来发现，在放射现象中起作用的还有另一种基本相互作用，称为弱相互作用(weak interaction)。

弱相互作用的范围也很小，与强相互作用相同，但强度只有强相互作用的l0-12倍。

四种基本相互作用的特点已被科学所认识，但是没有人确切知道为什么会是这样的四种。

许多物理学家认为它们可能是某种相互作用在不同条件下的不同表现，就像电和磁是电磁相互作用的不同表现形式一样。

四种相互作用牛顿在他的著作《自然哲学的数学原理》前言中写道：“我奉献这一作品，作为哲学的数学原理，因为哲学中的全部责任似乎在于——从运动的现象去研究自然界中的力，然后从这些力去说明其他现象。

”牛顿本人正是实践这条思路的先驱，他在发表三大运动定律的同时，发表了万有引力定律。

牛顿以后的三百年来，物理学家们从各种自然现象中，寻找支配这些运动现象的力。

目前，物理学界公认，自然界存在四种基本的相互作用：万有引力(简称引力)、电磁力、强相互作用和弱相互作用。

在宏观世界里，能显示其作用的只有两种：引力和电磁力。

引力是所有物体之间都存在的一种相互作用。

由于万有引力常量G很小，因此对于通常大小的物体，它们之间的引力非常微弱，在一般的物体之间存在的万有引力常被忽略不计。

但是，对于一个具有极大质量的天体，引力成为决定天体之间以及天体与物体之间的主要作用。

例如，地球对于它表面上的一般物体的引力，决定了物体的自由下落和抛体运动的规律。

引力对于天体、人造地球卫星或关闭动力后的航天器的运动起主宰作用。

电磁相互作用包括静止电荷之间以及运动电荷之间的相互作用；两个静止点电荷之间的相互作用规律是19世纪法国物理学家库仑发现的，运动着的带电粒子之间，除了存在库仑静电力的作用外，还存在磁力(洛伦兹力)的相互作用。

根据麦克斯韦电磁理论和狭义相对论，电和磁是密切相关的，是统一的：在一个参考系中观察到的磁力可以和另一个参考系中观察到的库仑力联系起来，因此，电力、磁力统一为电磁力相互作用。

引力、电磁力能在宏观世界里显示其作用。

这两种力是长程力，从理论上说，它们的作用范围是无限的。

但是，电磁力与引力相比，要强得多。

宏观物体之间的相互作用，除引力外，所有接触力(弹力、摩擦力、表面张力、附着力等)都是大量原子、分子之间电磁相互作用的宏观表现。

弱相互作用和强相互作用是短程力。

短程力的相互作用范围是原子核尺度内。

强作用力只在10—15m范围内有显著作用，弱作用力的作用范围不超过10—16m这两种力只有在原子核内部和基本粒子的相互作用中才显示出来，在宏观世界里不能察觉它们的存在。

四种基本相互作用力：1，万有引力万有引力定律：自然界中任何两个物体都是相互吸引的，引力的大小跟这两个物体的质量乘积成正比，跟它们的距离的二次方成反比。

计算公式两个可看作质点的物体之间的万有引力[1]，可以用以下公式计算：F＝GmM/r^2,即万有引力等于引力常量乘以两物体质量的乘积除以它们距离的平方。

其中G代表引力常量，其值约为6.67×10的负11次方单位N·m2/kg2。

为英国物理学家、化学家亨利·卡文迪许通过扭秤实验测得。

万有引力的推导：若将行星的轨道近似的看成圆形，从开普勒第二定律可得行星运动的角速度是一定的，即：ω=2π/T(周期)如果行星的质量是m，离太阳的距离是r，周期是T，那么由运动方程式可得，行星受到的力的作用大小为mrω^2=mr（4π^2）/T^2另外，由开普勒第三定律可得r^3/T^2=常数k'那么沿太阳方向的力为mr（4π^2）/T^2=mk'（4π^2）/r^2由作用力和反作用力的关系可知，太阳也受到以上相同大小的力。

从太阳的角度看，（太阳的质量M）（k''）（4π^2）/r^2是太阳受到沿行星方向的力。

因为是相同大小的力，由这两个式子比较可知，k'包含了太阳的质量M，k''包含了行星的质量m。

由此可知，这两个力与两个天体质量的乘积成正比，它称为万有引力。

如果引入一个新的常数（称万有引力常数），再考虑太阳和行星的质量，以及先前得出的4·π2，那么可以表示为万有引力=GmM/r^2两个通常物体之间的万有引力极其微小，我们察觉不到它，可以不予考虑。

比如，两个质量都是60千克的人，相距0.5米，他们之间的万有引力还不足百万分之一牛顿，而一只蚂蚁拖动细草梗的力竟是这个引力的1000倍！但是，天体系统中，由于天体的质量很大，万有引力就起着决定性的作用。

在天体中质量还算很小的地球，对其他的物体的万有引力已经具有巨大的影响，它把人类、大气和所有地面物体束缚在地球上，它使月球和人造地球卫星绕地球旋转而不离去。

自然界存在的四个基本相互作用力自然界存在四个基本相互作用力，分别是万有引力、电磁力、弱相互作用力和强相互作用力。

这四种力量相互作用，同时也是维持宇宙中万物的稳定性、运动和转化的基础，下面将对这四种力量进行详细介绍。

一、万有引力万有引力是一种物质间的相互作用，表现为物体间的相互吸引。

万有引力是宇宙中最普遍的一种力量，无处不在，它存在于所有的物理天体之间，并支配着宇宙的运动。

这种力量是牛顿发现的，其原理在于两个物体之间的引力作用力大小与它们的质量成正比，与它们之间的距离的平方成反比。

这意味着，每个物体都会吸引其他物体，吸引力的大小取决于它们的质量和距离之间的关系。

二、电磁力电磁力是负责电荷间相互作用的力量，由电子和原子核之间的相互吸引和排斥形成。

电磁力是最广泛的一种相互作用，它支配着物质世界的所有运动，如化学反应、静电场、磁场等。

当环流电子在一个磁场中移动时，就产生了电磁感应力，这也是电动机和变压器等电子设备的基本工作原理。

三、弱相互作用力弱相互作用力是介子粒子之间的相互作用力，负责介子粒子的衰变。

它是一种非常短距离的力量，只在粒子核的内部起作用。

相比于其他三种相互作用力，弱相互作用力的作用范围相对较小，它不会影响到许多大量物质的动态行为。

四、强相互作用力强相互作用力是粒子之间的相互作用力，它是质子和中子之间的相互作用，主要存在于原子核的内部。

因为它非常强大，所以原子核才不会崩塌，进而使原子稳定，从而保证了世界万物的基本稳定性。

综上所述，四个基本相互作用力在宇宙中起着非常重要的作用，它们相互作用、协调作用，促进了整个宇宙的发展、生长和逐渐变化，这一切都折射出宇宙纪律和科学原理的一个统一性和完整性，使得宇宙中的一切都变得可能和美好。

定义力程举例引力相互作用所有具有质量的物体之间的相互作用长程力，力程为无穷电磁相互作用带电物体或具有磁矩物体之间的相互作用，是一种长程力，力程为无穷弱相互作用弱作用通过交换中间玻色子(W及Z 玻色子)而传递弱相互作用仅在微观尺度上起作用，起力程最短（大约在10^-18m范围内，比强交互作用的范围小有两种弱相互作用，一种是有轻子(电子e，中微子ν，μ子以及它们的反粒子)参与的反应，如β衰变，μ子的衰变以及π介子的衰变等；另一种是Κ介子和∧超子的衰变。

强相互作用强作用是夸克之间的相互作用力。

强作用最强，也是一种短程力，但是它的力程比弱相互作用的力约为10^[-15]m。

大约等于原子核中核子间的距离强子（重子，介子）按其组成夸克的不同，强子还可以分为：重子(Baryon)：重子由三个夸克或三个反夸克组成，它们的自旋总是半数的，也就是说，它们是费米子。

它们包括人们比较熟悉的组成原子核的质子和中子和一般鲜为人知的超子（Hyperon, 比如Δ、Λ、Σ、Ξ和Ω），这些超子一般比核子重，而且寿命非常短。

介子(Meson)：介子由一个夸克和一个反夸克组成，它们的自旋是整数的，也就是说，它们是玻色子。

介子有许多种。

在高空射线与地球空气相互作用时会产生介子。

四种相互作用按强弱来排列，顺序是：强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用、引力相互作用。

一对质子在相距10-16m时，各种相互作用的强度为（假定此时强相互作用强度的数量级为1）：强相互作用1电磁相互作用10^-2弱相互作用10^-12引力相互作用10^-40。

四种基本相互作用力：1，万有引力万有引力定律：自然界中任何两个物体都是相互吸引的，引力的大小跟这两个物体的质量乘积成正比，跟它们的距离的二次方成反比。

计算公式两个可看作质点的物体之间的万有引力[1]，可以用以下公式计算：F＝GmM/r^2,即万有引力等于引力常量乘以两物体质量的乘积除以它们距离的平方。

其中G代表引力常量，其值约为6.67×10的负11次方单位N·m2/kg2。

为英国物理学家、化学家亨利·卡文迪许通过扭秤实验测得。

万有引力的推导：若将行星的轨道近似的看成圆形，从开普勒第二定律可得行星运动的角速度是一定的，即：ω=2π/T(周期)如果行星的质量是m，离太阳的距离是r，周期是T，那么由运动方程式可得，行星受到的力的作用大小为mrω^2=mr（4π^2）/T^2另外，由开普勒第三定律可得r^3/T^2=常数k'那么沿太阳方向的力为mr（4π^2）/T^2=mk'（4π^2）/r^2由作用力和反作用力的关系可知，太阳也受到以上相同大小的力。

从太阳的角度看，（太阳的质量M）（k''）（4π^2）/r^2是太阳受到沿行星方向的力。

因为是相同大小的力，由这两个式子比较可知，k'包含了太阳的质量M，k''包含了行星的质量m。

由此可知，这两个力与两个天体质量的乘积成正比，它称为万有引力。

如果引入一个新的常数（称万有引力常数），再考虑太阳和行星的质量，以及先前得出的4·π2，那么可以表示为万有引力=GmM/r^2两个通常物体之间的万有引力极其微小，我们察觉不到它，可以不予考虑。

比如，两个质量都是60千克的人，相距0.5米，他们之间的万有引力还不足百万分之一牛顿，而一只蚂蚁拖动细草梗的力竟是这个引力的1000倍！但是，天体系统中，由于天体的质量很大，万有引力就起着决定性的作用。

在天体中质量还算很小的地球，对其他的物体的万有引力已经具有巨大的影响，它把人类、大气和所有地面物体束缚在地球上，它使月球和人造地球卫星绕地球旋转而不离去。

自然界中四种基本相互作用的研究学院物理工程学院专业物理学学号11111111111111姓名xxxxxxxxx目录摘要 (1)关键词 (1)引言 (1)1粒子理论下的4种基本相互作用 (1)1.1两种长程力——引力和电磁力 (1)1.2两种短程力——弱核力和强核力 (2)2统一理论的思想基础 (2)3粒子理论下的统一 (2)4爱因斯坦对统一理论的构思 (3)展望 (4)参考文献 (4)自然界中四种基本相互作用的研究摘要：人们发现微观粒子之间仅存在四种相互作用力，它们是万有引力、电磁力、强相互作用力、弱相互作用力。

宇宙间所有现象都可以用这四种作用力来解释。

进一步研究四种作用力之间联系与统一，寻找能统一说明四种相互作用力的理论——大统一理论。

本文从两种不同的角度—粒子理论和场理论,浅析对大统一理论的认识,进而认识自然规律的统一性。

关键词：大统一理论;自然力;物质粒子;传递力拉子;四种基本力引言：早在20世纪20年代，著名物理学家爱因斯坦就致力于寻找一种统一的理论来解释所有相互作用，也可以说是解释一切物理现象，因为他认为自然科学中“统一”的概念或许是一个最基本的法则。

甚至可说在爱因斯坦的哲学中，“统一”的概念根深蒂固，他深信“自然界应当满足简单性原则”。

从30年代提出相对论后不久，爱因斯坦就着手研究“大统一理论”，试图通过“弱作用，磁场，强作用”的统一思维来简单的解释宇宙，进一步将当时已发现的四种相互作用统一到一个理论框架下，从而找到这四种相互作用产生的根源。

这一工作一直到他1955年逝世为止，并几乎耗尽了他后半生的精力，而且统一思维与当时物理学界的主流思想不符，以致于一些科学史学家断言这是爱因斯坦的一大失误。

17世纪,牛顿在研究宇宙行星运动规律时,把行星绕太阳、月球绕地球、太阳系绕银河的运动,以及地球对其上面物体间的吸引统称为一种力的作用,称为万有引力,并得到万有引力定律。

正是由于这种力的作用,使得宇宙间各天体组成了和谐的大家庭。

高一物理第一节重力、基本相互作用人教实验版【本讲教育信息】一. 教学内容：第一节重力、基本相互作用第二节弹力第三节摩擦力二. 知识要点：1. 知道力是物体间的相互作用，力是使物体发生形变和运动状态发生变化的原因。

2. 知道力是矢量，有大小、有方向，在具体问题中能够画出力的示意图。

3. 知道重力是由于物体受到地球的吸引而产生的，了解四种基本相互作用。

4. 知道重力的大小和方向，知道重心的概念以及均匀物体重心的位置。

5. 知道什么是形变和弹性形变，理解什么是弹力以及弹力产生的条件、弹性限度。

6. 知道压力、支持力、绳的拉力都是弹力，能在力的图示（或力的示意图）中正确画出它们的方向，掌握胡克定律，能够运用二力平衡条件确定弹力的大小。

7. 知道静摩擦力产生的条件，会判断静摩擦力的方向，知道最大静摩擦力的概念。

8. 知道滑动摩擦力产生的条件，会判断滑动摩擦力的方向。

9. 知道滑动摩擦力的大小跟什么有关，知道滑动摩擦力跟压力成正比。

三. 重点、难点解析：（一）力和力的图示1、物体运动状态改变：只要物体的速度变化，不管是大小、方向、还是大小和方向都改变都叫运动状态发生了改变。

2、把改变物体运动状态、产生形变的原因，即物体与物体之间的作用，称为力。

单位_____，简称_______，符号______。

（1）力的作用是相互的，每一个力都涉及到两个物体，我们把其中一个物体称为施力物体，另一物体称为受力物体。

（2）力的作用效果是：改变物体的运动状态、使物体发生形变。

3、力的三要素：大小、方向、作用点。

只有这三个方面都明确了，这个力才能完全表达出来。

（1）用带箭头的线段把力的大小、方向和作用点表示出来，称为力的图示。

（2）用带箭头的线段把力的方向和作用点表示出来，称为力的示意图。

（3）力既有大小又有方向，因此力是矢量。

（二）重力1、重力的产生：由于地球的吸引而使物体受的力叫重力。

思考：能否说重力就是地球对物体的吸引力？2、重力的大小：物体重力G与质量m的关系是G=mg，g就是以前学过的重力加速度。