对重力概念的思考

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对重力概念的思考
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∙ssitong
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对重力定义的思考
我国中学物理教材上，对重力的定义，几十年来都采用下述说法：
“地面附近一切物体都受到地球的吸引，由于地球的吸引而使物体受到的力叫做重力。

”（见《高中物理新课标教材必修1》p51）初学者在学习万有引力定律之前，对这个定义的接受并不困难，因为学生在初中阶段就已经形成了这种概念：重力与万有引力有关，但二者却不是一回事。

学习了万有引力定律之后，自然就会遇到这样的问题：重力究竟是不是地球对物体的引力呢？对此，教材上并未提及重力和地球引力之间的关系，当然更谈不上对二者关系的进一步解释了。

在中学阶段，对二者关系的解释大致如下：
（1）物体所受的重力是由于地球对物体的引力而产生的，但是重力却不是地球对物体的引力；
（2）地球引力对地面上的物体产生的效果之一是使物体压紧地面，或使只在重力作用下的物体产生重力加速度；另一效果则是，提供使物体围绕着地球的极轴转动所需要的向心力。

这种解释的结论是：重力是地球引力的一个分力。

在这种解释之下，处于平衡状态的物体，重力的效果是压紧水平支撑面或拉紧竖直绳，如果物体只在重力作用下运动，重力的作用效果是使物体产生重力加速度。

引力的另一个分力，则是提供物体随地球自转所需要的向心力。

笔者以为，上述流行多年的对重力的解释是不完备的，存在着逻辑上的不自洽——
第一，重力是性质力还是效果力？按照教材的说法：“重力……是作为具有某种性质的力来命名的”（见《高中物理新课标教材必修2》p21），因此重力无疑地属于性质力；然而，分力是按照作用效果命名的，属于效果力。

第二，什么叫做“在地面“附近”？地面上的物体当然是在地球“附近”，在地面之上，若物体所在的高度与地球半径相比可以忽略不计，则可认为这样的物体也在地面附近。

但是，高度2 00千米的地球卫星，算不算位于地面附近？高度约为36000千米的地球同步卫星呢？
第三，由此引出的问题是：地球卫星受不受地球的重力作用呢？按照教材对重力的定义，卫星显然由于地球对它吸引而做圆周运动，因此必然受到重力，此时的重力就是地球对卫星的引力。

但是这样一来就更使人感到迷惑了——重力什么时候就是地球引力，什么时候只是地球引力的一个分力呢？
第四，按照教材的定义，重力是由于地球吸引而产生的，无论物体到地球距离如何，只要受到地球的引力，物体总会受到重力作用。

不论是物体围绕着地球做圆周运动，还是物体在地
面附近做抛体运动，都在重力的作用下运动，此时重力对物体产生的加速度，不论是向心加速度还是重力加速度，都是重力对物体作用的效果。

这两种情况所不同的是，卫星所受的地球重力，全部用来产生向心加速度，因此重力就是卫星做圆周运动所需的向心力；在地面附近做抛体运动的物体，重力的作用效果使物体产生重力加速度，使物体随地球自转所需的向心力则由引力的另一个分力提供。

由以上分析可见，因教材对重力定义的模糊不清，导致对重力概念理解的混乱：在某些场合，重力就是地球对物体的引力，而在另外场合，重力却被理解为地球引力的一个分力。

这种模棱两可的说辞造成了人们长期以来对重力概念的含糊不清，也不符合物理概念的可操作性定义的原则。

如果说在初中阶段，由于没有学习万有引力定律，因此只能做这种定性的描述性的定义，那么到了高中阶段，尤其是在学习了万有引力定律之后，对这个重要概念仍然维持其原有的含糊不清，没有结合万有引力定律，对重力作出进一步的准确定义，而是简单地回避了这个重要问题，始终避开重力与引力之间最基本的关系，这是十分令人感到不解的状况。

如何定义重力？对此的回答，应该使新的定义符合科学定义的三个要求：1、定义应该是自洽的，即定义中不能自相矛盾，不能在不同的场合有不同的解释或者理解。

为此要明确，重力只能是按照物体之间的作用命名的性质力，而不是按照作用效果来命名的效果力——地球引力的一个分力；2、定义应该是完备的，从定义中能够确定它在所属的概念**中具有的位置；如卫星上的物体究竟受不受重力作用？3、定义应该是可操作的，也就是说，根据重力的定义能够从原则上找到测量重力的实验方法。

笔者以为如下定义是符合按照这三个要求的：
地球对物体的引力叫做物体的重力。

与此类似的说法，早在1996年国家教委考试中心颁布的《全国统一考试说明》中就提出了：“重力是物体在地球表面附近所受到的地球对它的引力”，鉴于对“在地球表面附近”的不可操作性，笔者建议将这几个字删去，就成为重力概念的严格定义。

为叙述简便，以下称这个定义为“重力的新定义”。

新定义与原定义相比，有哪些优点呢？
第一、新定义强调了重力是性质力，施力体是地球，受力体是处于地球引力场中的物体。

避免了原定义对于重力究竟是性质力还是效果力所出现的不自洽。

第二、新定义指出了重力是万有引力的一种，作为引力的子概念出现，并不是引力之外的某种新的相互作用，体现出物理概念的完备性。

第三、新定义注重了物理概念的可操作性，按照引力的性质，直接测量地球对物体的引力就能得到物体重力。

一个不能回避的难题是，对于处在地球表面附近的物体，按照新定义，如何理解它的测量结果？将物体悬挂在弹簧秤下，相对地球静止时，此时弹簧秤的读数在严格意义上，并不是地球对物体的引力，而是引力的一个分力；同样，物体做自由落体运动时，测量的下落加速度与物体质量的乘积，数值上也并不等于地球引力。

如何根据新定义克服这个难题呢？
笔者认为，上述测量的物理量本来就不是新定义中的重力，而是重力的一个分力，应该明确地称之为物体的“视重力”，或者沿用以前的说法，叫做物体的重量。

显然，重力的另一分力，提供了位于重力场中的物体随着地球自转所需的向心力。

小结：
1、重力的定义：地球对物体的引力叫做物体的重力。

2、重力的作用效果：
（1）重力的一个分力mg（g是当地的重力加速度），使在地面附近的物体拉紧竖直悬绳或压紧平支撑面；或者使物体只在重力作用下产生加速度。

（2）重力的另一个分力mRω2cosθ（θ是物体所在位置的地球纬度），提供物体随地球自转
所需的向心力。

（3）对于沿着圆轨道围绕地球运行的物体，物体所受重力完全用来提供它做匀速圆周运动所需的向心力。

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∙2011-07-08 21:18
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∙ssitong
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视重力的计算
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∙2011-07-08 21:19。