因为当你的手接近桌子时,手分子和桌子分子间的距离在急剧减小,它们之间斥力就急剧增大。于是,桌子就在这个斥力的作用下开始加速运动。
而这个斥力,也就是宏观上说的推力,就是分子间作用力,是一种电磁力。
其他的拉力、支持力、弹力、摩擦力也是类似的,这么你就能明白为何我们说日常生活中除了引力就是电磁力了吧?你要是不放心,能够再想想生活中的其它现象,看看有没有引力和电磁力都无法解释的。
手和桌子之间的推力是大量分子间电磁相互作用的结果,因为分子数量巨大,所以这个过程非常复杂。
我们研究问题当然都从最简单的入手,简单问题搞清楚了,再去处理复杂问题。一堆分子间的电磁力太过复杂,我们就先来看看最简单的状况:两个电荷之间的电磁力。
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库仑定律
任何两个有质量的物体之间都有引力,这个引力由万有引力定律描述。
类似的,任何两个有电荷(带有正电或者负电的粒子)之间都有一种电力,这类力叫库仑力(一个叫库仑的人先发现的),它由库仑定律描述。
比如,假设两个电子的电荷量分别为q1、q2,它们之间的距离为r。那样,这两个电子之间就存在一个互相排斥(同性相斥,异性相吸)的库仑力F。
有了前面猜万有引力定律的经验,库仑定律就很容易猜了。
类似的,很显然应该是电荷量越大,库仑力越大,所以库仑力的大小应该和电荷量的乘积成正比。
因为处在三维空间,所以库仑力跟万有引力类似,也跟电荷之间距离的平方成反比。
这么我们轻轻松松就能把描述两个电荷之间库仑力的公式,也就是库仑定律写出来了:
各位看看这个式子,是不是跟万有引力定律极其相似呢?
不过就是把万有引力定律里两个物体的质量m1、m2换成了电荷量q1、q2,万有引力常数G变成了这里的库仑常数k。
可是,库仑定律跟万有引力定律有一个非常大的差别:所有物体的万有引力都是相互吸引的,没有第二种方向;电荷之间的库仑力却有方向,同性相斥,异性相吸。
也就是说,假如两个电荷都带负电(比如两个电子),那它们就互相排斥;假如一个带正电一个带负电(比如一个质子一个电子),那它们就互相吸引。
许多中同学在学习万有引力定律和库仑定律时,惊讶于它们之间的高度相似,就想着能不能把它们统一起来。可是,就是这个符号的差别,让它们的统一工作难如登天,爱因斯坦后半辈子都在琢磨这个事,直到去世都拿它没办法。
引力的这类无符号性(仅有吸引)极其特殊,它仿佛在暗示我们:在引力眼里,众生平等。引力似乎是一个背景,一个舞台,它对台上所有的演员都一样,不偏不倚。这类思想后来启发爱因斯坦创立了广义相对论。
于是,我们就知道了引力之外的另一种力:库仑力,它当然也是电磁力。
我们能够用库仑定律描述两个电荷之间库仑力的大小,可是,高中很少会让你立即用库仑定律做测算,因为这个公式比较麻烦,不好出题。
你看啊,库仑力是跟距离的平方成反比的。因此,假如某个电荷在库仑力作用下开始运动,一动距离就要变了吧?距离一变,这个库仑力会按照距离的平方跟着变,那就意味着电荷的受力状况也变了。
受力变了距离又要变,距离变了受力再变,如此循环下去。这显然超出了中学物理可以处理的范围。
你可能认为奇怪,万有引力定律跟库仑定律一样,也是平方反比。那为何中学能够出引力的题目,出苹果下落的题目,却不能出这类库仑力的题目呢?
对啊,为何呢?要不,给你一分钟时间考虑一下~
因为,我们在地面处理引力问题时,基本上只考虑物体和地球之间的引力。
在地面,物体的运动距离(比如苹果树的3米)相对地球半径来说太小了,所以我们根本能够忽略物体和地球之间的距离变动,觉得距离r是不变的。
假如距离r不变,那物体和地球之间的引力就是一个恒力。这么产生的加速度也恒定,物体就会做最简单的匀加速运动,这是中学能够处理的。