内容提要:说重力不是万有引力,而是万有引力的一个分力,这表面上虽然“迎合”了人们习惯上俗称的重力的概念,但对于要严格明确力的概念、学习超重失重知识、研究圆周运动及卫星相关问题的高中生,是不合适的,这样做并不利于教学。
多年来的教辅资料上都说“重力是万有引力的一个分力”,而且把此当做知识点要求学生明确。很多老师也是这样讲了几年、几十年。现今若上网搜索关于重力与万有引力之区别的话题,能搜出一大堆此类说法的文章。还有的资料把“重量”与“重力”二者加以区别,说前者是秤称出来的,后者则是万有引力。很多关于测量重力加速度g的资料,介绍的都是以地面为参考系的测量,g值并不是绝对意义上的以“惯性参考系”为参考的真实值。忽略地质结构、地面海拔高度不同的影响,把地球看做是密度均匀的理想球体,则地面上不同维度g值的不同主要是地球自传影响的,那么我们俗称的重量mg也确实不是万有引力,它应该是以地面为参考的测量值。人教版教材上的叙述是“若不考虑地球自转影响,地面上质量为m的物体所受的重力mg等于地球对物体的万有引力”,而山东版教材无“不考虑地球自传”的前提就直接列出重力与万有引力相等,看来,人教版教材支持重力与万有引力有区别的说法,但历年高考中没发现把此问题当做考点。
按教辅资料上的介绍,把物体分别放在赤道上的A点或北纬某个纬度上的B点,把重力看成是万有引力的一个分力,它与地面给物体的力是一对平衡力抵消掉,这样很容易得出物体所受到的合力——向心力,它正是万有引力的另一个分力。就说重力是万有引力的一个分力也无妨,因为一个概念的定义(例如此处的重力),本身就是人为主观的约定和认同,多数人长期认可的概念也无需更改。那么,驳斥“重力非万有引力”之说也就没什么实际意义和必要性了。
然而,问题没那么简单。大家尤其要注意到:“重力是万有引力的一个分力”的说法,其中的重力,是人们长期生活在地球上,以地面为参考,所“感觉”出的那个“重力”。其实,这是“构造”出的实际并不存在的力,人们解释说它是效果力。构造出这个重力的目的,是在迎合老百姓“秤的读数是重力”的思维习惯,认为地面是不动的参考标准,物体相对地面静止是一种平衡,所以要构造出个与支持力相平衡的力,把这个力定义为重力。老百姓把大地当做标准的惯性参考系可以,把秤的读数当做重力也可以,但对于系统学习物理基础理论的高中生,再是这种思维就不合适了。在此,秤的读数是什么,是学生必须要明确的关键点,此问题通了,会带来一通百通的效果。我们必须让学生清楚:秤的读数是支持力!它属于弹力范畴,根本不是什么重力(这里的支持力,是指地面给物体的力,或干脆说是秤盘子给物体的力,主要成分是支持力,若把地球看成是理想球体,物体位置偏离赤道放置时,还存在微小摩擦力)。
老百姓由生活习惯和生活经验得出通俗的说法或观点,有很多是错的,如“重的物体比轻的物体下落的快(2000年前哲学伟人也犯如此错误)”、“物体的运动需要力来维持”,等等。高中生学物理的过程中,很多内容是在扭转一些生活中形成的错误说法。一些严重的错误是不可迎合的、必须扭转的,而且有些扭转难度很大,颇费口舌。例如关于对“物体的运动需要力来维持”错误思维的扭转,很多学生从高一到高三一直在进行,有的甚至到高考前也还没得到彻底解决。相比之下,“秤的读数就是重力”的思维,其错误也是严重的、不可“迎合”的、必须扭转的。而且,这种扭转难度并不大,或者说起初就树立了“称的读数是弹力”的思维,那也就无需扭转了。关于重力是否是万有引力的问题,笔者的观点是,对于系统学习物理基础理论的高中生而言,应该明确“重力就是万有引力”。笔者比较同意前面的那种把相对地面的测量值另外给个名字叫“重量”,由它来用于老百姓日常生活的通俗话题中。此观点的依据如下:
第一,我们之前讲过了“物理1中的超重和失重”内容,特别是刚刚和学生研究过圆周运动“汽车过拱桥”的失重现象,当时老师们都会强调“秤的读数不是重力”,很多老师还把这个“读数”赋予一个新的、教材上都不出现的名字:“视重”!汽车过拱桥与物体随地球自传,都同属于圆周运动的不平衡状态,都有失重现象。讲汽车过拱桥时老师刚刚强调“秤的读数不是重力”,这又说“秤的读数就是重力”,你老师出尔反尔会使学生糊涂的。
第二,相对地面静止,不是“重力与万有引力不同”的理由。高中阶段的高中生若问“老师,考虑地球自转,物体相对地面静止,物体是平衡状态吗?”你的回答显然是“不平衡”!那为什么要“构造”出个与支持力是平衡关系的重力硬往“物体平衡”上去靠呢?
虽然汽车过拱桥时相对地面有速度,物体随地球自传相对地面无速度,但在讨论超重和失重问题上,本质是相同的。特别是以后分析卫星的速度、万有引力、向心加速度问题时,都有相通的本质问题。同步卫星也相对地面静止,我们却不能说它重量为零。老百姓把“秤的读数当做重力”,一来地球自传所产生的影响微乎其微,人们又长期生活在地球上,二来老百姓也没有严格区别二者概念的必要性。但对于刚刚学完“超重”、“失重”和“汽车过拱桥”的高中生,特别是对于我们的教师,不能为了迎合“通俗说”而为“清晰说”制造麻烦。
第三,笔者在多年的教学实践中感觉到,在考虑地球自传的情况下,让学生认为“万有引力就是重力”,之后,去理解静止在地面上的物体也有轻微的失重现象,会使问题变得更简单,更清晰,更容易接受、更有利于教学。这样处理问题,对力的感念的清晰化理解、对牛顿第一定律、第二定律,以及卫星问题的进一步理解都会带来好处。相反,那种另外构造出“重力”的处理方法,制造前后矛盾,使问题复杂化,反而使学生陷入糊涂的境地。
第四,把“重力”称为是一种效果力也不妥。所谓效果力,是根据物体运动的效果定义出来的力,实际上它可能不存在。它或是几个力合力的“替身”,或是从一个力中分解出的某分力的“替身”,或是根本就无中生有的力。就“效果力”这个概念而言,教材上是不出现的,只有教辅材料上出现,它同“视重”一样是老师们为了让学生更好的理解问题所创出的概念。但对此类问题处理不当,会产生麻烦。例如,把在斜面上的物体受的重力分解出一个沿斜面向下的分力,有人把它叫做“下滑力”,这或许还勉强站得住脚。但若以向前减速运动的车厢为参考,认为物体还受到个向前的“惯性力”,或以圆心为参考,认为圆周运动的物体受“离心力”就要受到质疑了(爱因斯坦广义相对论中的处理过程和方法除外)。其实,构造“重力”就是承认有“离心力”,这个“重力”就是那个虚幻的“离心力”与实际的万有引力进行合成的产物,最终落到“把大地看做静止不动的惯性参考系,物体受合力为零,物体平衡”的谬论上,可见,“物体相对地面静止,物体平衡”是问题的祸根。
总之,“重力是万有引力的分力”说法是想做一件好事:是想让老百姓通俗的说法合理化,或者是想降低问题的难度让老百姓也都能接受。然而,当“通俗说”与“清晰说”严重矛盾时,当“通俗说”错误时,这种调和只能带来麻烦和尴尬。
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