粒子之間的力場不是與距離成平方反比的關係嗎?為什麼胡克定律就是與距離成一次方正比了?

時間 2021-06-01 00:44:26

1樓:

我能想到的,除了電磁力是平方反比的,就再也沒有平方反比的力了。

引力只是低引力下近似平方反比。強弱相互作用也沒有平方反比。

同理,彈簧也不是與距離一次方成正比,胡克定律只是在小振動情況下的近似。

說白了各種定律就是實驗+近似,你可以通過微觀的理論說清楚為什麼近似的結果是這樣的,但是並沒有乙個普遍的規律。

至於為什麼彈簧是與距離一次方成正比,其它答主也說了,就是做Taylor展開,取最低階項,這是很trivial的做法,就不多說了。

但是電磁場與距離二次方成正比是乙個很神奇的事,因為它不是近似的結果,是基於gauss定律的乙個精確結果。gauss定律簡單的說就是你用乙個球殼包住乙個電荷,球殼體積和場的乘積是個常數。因為球殼體積和r二次方成正比,自然場就和r二次方成反比了。

2樓:

任何材料,不論它的粒子之間的勢能具體形式是什麼樣的(一般來說其實也不是平方反比),只要對這個任意的勢能曲線 在平衡點 附近做個最簡單的泰勒展開,

忽略高次項。其中零次常數項 由於勢能的零點任意性總可以取為零,即便不是零也不影響後面計算力的大小;一次項係數 在平衡態處為零;那麼最小只能保留到二次近似,自然就得到了勢能與平衡態偏離量二次相關的形式

求個導就得到了力與偏移量一次線性相關的表現

這其實就是所謂的勁度係數的物理根源: ,當然與材料有關。這也是為什麼彈性材料總有個彈性限度:如此簡單的線性形式,本來就是個在平衡位置附近的近似結果。

更一般而言,幾乎所有系統在平衡態附近都是可以做近似的線性處理的(都有這種彈性性質),只要對應的作用勢曲線是二階可微的。我們稱之為廣義的彈性響應。這也說明彈性不是個什麼non-trival的東西,相反它太必然了。

3樓:

力場並不一定是平方反比的,例如分子間作用力的擬合就有四次方反比、六次方反比等等。

考慮一下勢能,就是「彈性勢能」,「重力勢能」裡的那個。對於許多相互作用,我們都能寫出它的勢能表示式,比如重力勢能就是V(h)=mgh與高度成正比。

那麼我們現在大抵知道彈簧的勢能函式V(x)。在平衡位置,這個勢能是幾乎不怎麼變的,不然就會有乙個力導致彈簧改變長度,直到達到正確的平衡點。那麼現在我們用乙個高次函式來擬合彈簧在平衡點附近的勢能曲線:

V(x)=a+bx+cx^2+dx^3+ex^4+……

a是任意給定的,你也知道勢能零點是可以任意取的。在平衡位置,彈性勢能幾乎不怎麼變,因此b=0。在平衡位置附近,x趨於0,因此x^3和x^4等等,相比於x^2來講都非常小,故忽略不計。

所以最重要的就是x^2項。

那麼x^2項的勢能,對應的力就是胡克定律所說的彈性力。x^2的導數是2x,是正比例函式,所以胡克定律就是彈力是x的正比例函式。

如果x大點,x^3和x^4就不能忽略,這就叫「超出了彈性範圍」。

4樓:「已登出」

胡克定律是彈性形變與力的關糸,與牛頓定律有些相似。粒子之間的力場,引力場,電磁場,它們力的產生與粒子的自旋運動有關,自旋運動角動量的計算都是按自旋半徑的平方來算的。胡克定律只是形變,一般都是長度變化,沒有旋轉運動,不是按平方來算的,按勢能來計算,因為距離遠的勢能大,即勢能與距離成正比,距離是按長度來計算的。

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