3-3 基本交互作用
3.3.1 自然界的四種基本交互作用
在自然界中，所有的物理現象都可以歸因於四種基本的交互作用，也稱為基本力：
- 重力
- 電磁力
- 強核力
- 弱核力
問題 1：
自然界的四種基本交互作用是什麼？
解題策略：
回憶基本力的種類，可以從最常見的力開始列舉。
3.3.2 重力
重力是由英國科學家牛頓（Isaac Newton）提出的萬有引力定律所描述的力。
萬有引力定律指出：
萬有引力定律公式：
F = G × (m₁ × m₂) / r²
- F：引力大小
- G：萬有引力常數
- m₁、m₂：兩個質點的質量
- r：兩質點間的距離
問題 2：
萬有引力定律的主要內容是什麼？引力與哪些因素有關？
解題策略：
回憶公式中的比例關係，注意質量和距離的影響。
問題 3：
已知兩個質量分別為 5 kg 和 10 kg 的物體，相距 2 m，求它們之間的引力大小。（G = 6.67 × 10
-11 N·m²/kg²）
解題策略：
使用萬有引力定律公式，代入已知質量和距離計算。
問題 4：
如果將上題中兩物體的距離加倍，則引力將變為多少？
解題策略：
距離加倍，引力與距離平方成反比，計算新的引力。
問題 5：
地球的質量約為 5.97 × 10
24 kg，月球的質量約為 7.35 × 10
22 kg，兩者中心距離約為 3.84 × 10
8 m，求地球與月球之間的引力大小。（G = 6.67 × 10
-11 N·m²/kg²）
解題策略：
直接代入萬有引力定律公式計算。
3.3.3 電磁力
電磁力包括靜電力和磁力，是帶電粒子之間的交互作用。
1. 靜電力
靜電力描述了帶電粒子之間的作用：
庫侖定律公式：
F = k × (q₁ × q₂) / r²
- F：靜電力大小
- k：靜電力常數
- q₁、q₂：兩點電荷的電量
- r：兩電荷間的距離
2. 磁力
磁力涉及磁極和磁場：
- 磁鐵有N 極和S 極，同性磁極相斥，異性磁極相吸。
- 磁場用磁力線表示，具有以下特性：
- 磁力線是封閉曲線，從 N 極出發回到 S 極。
- 磁力線不相交。
- 磁力線的切線方向代表該點的磁場方向。
- 磁力線的密度表示磁場的強弱，密度越大，磁場越強。
- 地球本身就是一個巨大的磁體，地磁南極在地理北極附近，地磁北極在地理南極附近。
3. 電磁力的廣泛性
所有的接觸力（如摩擦力、彈力）在微觀尺度上都是由電磁力產生的。
問題 6：
庫侖定律描述了什麼現象？靜電力與哪些因素有關？
解題策略：
回憶庫侖定律的公式和電荷間作用的特性。
問題 7：
磁力線有哪些特性？如何表示磁場的強弱？
解題策略：
回憶磁力線的定義和特性，思考如何用它表示磁場。
問題 8：
兩個點電荷，電量分別為 2 × 10
-6 C 和 3 × 10
-6 C，相距 0.5 m，求它們之間的靜電力大小。（k = 8.99 × 10
9 N·m²/C²）
解題策略：
使用庫侖定律公式，代入已知電量和距離計算。
問題 9：
如果將上題中兩點電荷的距離減半，則靜電力將變為多少？
解題策略：
距離減半，靜電力與距離平方成反比，計算新的靜電力。
問題 10：
兩個相同的負電荷，相距 1 m，之間的排斥力為 0.05 N，求每個電荷的電量大小。（k = 8.99 × 10
9 N·m²/C²）
解題策略：
設兩電荷電量相同，使用庫侖定律公式，解方程求電量。
3.3.4 強核力
強核力是最強的基本交互作用，由日本物理學家湯川秀樹提出。
特點：
- 作用於夸克之間，將質子和中子束縛在原子核內。
- 作用範圍極短，約為 10-15 公尺（1 飛米）。
- 負責維持原子核的穩定性，克服質子間的電磁斥力。
問題 11：
強核力的作用對象是什麼？其作用範圍有多大？
解題策略：
記住強核力的作用對象和其極短的作用範圍。
3.3.5 弱核力
弱核力由義大利物理學家費米（Enrico Fermi）提出。
特點：
- 負責粒子的衰變，例如原子核的β 衰變。
- 作用範圍更短，約為 10-18 公尺。
- 涉及基本粒子的轉換，例如中子轉變為質子。
問題 12：
弱核力主要導致什麼現象？其作用範圍如何？
解題策略：
記住弱核力與粒子衰變的關係，以及其比強核力更短的作用範圍。
3.3.6 基本交互作用的統整
四種基本交互作用在強度和作用範圍上有所不同：
強度排序（由強至弱）
- 強核力
- 電磁力
- 弱核力
- 重力
作用範圍排序（由大至小）
- 重力 ≈ 電磁力（無限遠）
- 強核力
- 弱核力
問題 13：
在強度上，哪種基本力最弱？哪種最強？
解題策略：
回憶強度排序，從最常見的力開始思考。
問題 14：
哪兩種基本力的作用範圍是無限遠的？
解題策略：
思考哪些力可以在宇宙尺度上影響物體。