重力場強(qiáng)度在高中物理中的應(yīng)用策略研究

武紅改

摘 要：高中物理課程是高中學(xué)段課程體系的重要組成部分，對(duì)于學(xué)生的學(xué)習(xí)和成長有著極其重要的作用。重力場強(qiáng)度是高中物理中的基礎(chǔ)知識(shí)，所謂的重力場強(qiáng)度也被稱為“重力加速度”，就是指地球表面以及附近單位質(zhì)量的質(zhì)點(diǎn)所承受的重力。文章對(duì)重力場強(qiáng)度在高中物理中的應(yīng)用進(jìn)行研究，從重力場強(qiáng)度的概念出發(fā)，分析重力場強(qiáng)度的應(yīng)用以及重力場強(qiáng)度高端備課的內(nèi)容以及教學(xué)啟示，以此來提升高中物理的教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)水平。

關(guān)鍵詞：重力場強(qiáng)度;高中物理;應(yīng)用研究

一、 引言

據(jù)調(diào)查研究，隨著我國航天事業(yè)的發(fā)展，航天領(lǐng)域受到了越來越多的關(guān)注，其對(duì)于我國的社會(huì)發(fā)展與經(jīng)濟(jì)建設(shè)有著十分重要的作用。而且隨著我國航天領(lǐng)域技術(shù)水平的快速發(fā)展，我國物理高考題目也發(fā)生了一定的變化，航天領(lǐng)域與萬有引力知識(shí)點(diǎn)相結(jié)合的考題，逐漸成為物理高考的熱點(diǎn)。我分析了近10年的全國物理高考題目，考查航天領(lǐng)域與萬有引力知識(shí)的題型比較豐富。比如，2012年的物理高考試卷第21題，就提供了與萬有引力知識(shí)相關(guān)的解題背景：已知質(zhì)量分布均勻的地殼對(duì)于殼內(nèi)物理的萬有引力為0。要想得分，學(xué)生就需要根據(jù)試卷中所提供的題目信息來進(jìn)行答題。有一些學(xué)生可能沒有辦法理解題目的信息，找不到相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)。因此，在這一背景下，對(duì)重力場強(qiáng)度在高中物理中的應(yīng)用進(jìn)行研究是非常有必要的。

二、 重力場強(qiáng)度的概念

庫侖定律主要講的是電荷之間相互作用的知識(shí)和概念，而萬有引力定律生動(dòng)形象地描述了各個(gè)質(zhì)量之間相互作用的規(guī)律。庫侖定律和萬有引力定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式相似，都在一定程度上體現(xiàn)出一種力的大小與距離平方之間是一種反比例關(guān)系。當(dāng)然靜電力并不要求電荷與電荷之間要直接接觸，其主要通過電場來實(shí)現(xiàn)傳遞目的。萬有引力定律的表達(dá)形式與其非常相似，各個(gè)質(zhì)量之間想要發(fā)生相互作用，也不需要直接接觸，其都是通過引力場來相互作用的。再比如，地球表面以及其附近的物體都會(huì)受到地球引力的吸引，通過地球重力場來相互作用。

為了更好讓人們感知到電場的強(qiáng)弱，一些物理學(xué)家提出了重力場強(qiáng)度的概念。在重力知識(shí)體系中，重力加速度占有非常重要的地位。高等教育物理教材研究的更多是電場的內(nèi)容，但是對(duì)于重力場的研究力度不夠，研究成果也比較少。筆者認(rèn)為這可能是由于在高中學(xué)段已經(jīng)研究過重力場相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)，在大學(xué)階段就沒有必要再進(jìn)行研究了。但是高中物理教材簡單提出了重力場這一抽象的概念，并沒有要求學(xué)生進(jìn)行深入分析研究。大學(xué)物理教師在實(shí)際教學(xué)的過程中，可以利用高斯定理表示均勻帶電球體內(nèi)部以及周圍的電場強(qiáng)度，而且教材中對(duì)于電場以及電場強(qiáng)度都有了細(xì)致的描述。但高中物理教材和大學(xué)物理教材，都沒有詳細(xì)闡述重力場強(qiáng)度的知識(shí)，甚至毫不夸張地說這部分知識(shí)還是空白。但是庫侖定律與萬有引力定律都滿足力的大小與距離的平方呈反比的定律，而且其數(shù)學(xué)表達(dá)有著極強(qiáng)的相似性。如果將電荷的密度替換為地球的密度，將庫侖常量替換為萬有引力常數(shù)，最后將電場強(qiáng)度替換為重力場強(qiáng)度，就可以得出重力場強(qiáng)度的計(jì)算公式。用R來表示地球的半徑，用G來表示萬有引力常數(shù)，用ρ來表示地球的密度，用g來表示重力場強(qiáng)度大小，具體公式如下：

三、 重力場強(qiáng)度在高中物理中的應(yīng)用研究

當(dāng)我們利用庫侖定律推出重力場計(jì)算公式時(shí)，所有的重力場應(yīng)用難題都能夠得到有效的解決。具體的重力場強(qiáng)度題型主要有以下幾種：

題型1 假如地球是一個(gè)質(zhì)量均勻分布的實(shí)心球體，地球的半徑用R來表示，地球的球心用O來表示。地球球心O為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立一個(gè)特殊的直線坐標(biāo)系，用g來表示x軸上重力加速度的大小，而用gO來表示地球表面處重力加速度大小，并畫出相應(yīng)的變化關(guān)系圖。

由重力場計(jì)算公式可知，當(dāng)重力場強(qiáng)度小于半徑的時(shí)候，重力加速度與距離成正比;當(dāng)?shù)竭_(dá)某一臨界點(diǎn)，重力場強(qiáng)度等于地球半徑的時(shí)候，重力加速度與距離成反比。

題型2 假設(shè)地球是一個(gè)質(zhì)量均勻分布的實(shí)心球體，用R來表示地球的半徑，在地理上有一個(gè)深度為d的礦井。求礦井底部和地球表面處的重力加速度大小之比。

高中生在解題的過程中，可以將題目中的相關(guān)數(shù)據(jù)代入重力場強(qiáng)度的計(jì)算公式中，然后得出礦井底部和地球表面處的重力加速度大小之間的比例關(guān)系，等于地球半徑減去礦井的深度/地球半徑。

題型3 假設(shè)地球是一個(gè)質(zhì)量均勻分布的實(shí)心球體，在地球內(nèi)挖出一個(gè)球形的內(nèi)切空腔，如圖所示。有一個(gè)小球從A點(diǎn)拋下，請(qǐng)問這個(gè)小球在球形內(nèi)切空腔上的運(yùn)動(dòng)軌跡。

經(jīng)過仔細(xì)審題，我們可以得出該題主要包括了兩個(gè)矢量，如圖所示：

將相關(guān)題目數(shù)據(jù)代入重力場強(qiáng)度計(jì)算公式，可得：

由上可知，球形的內(nèi)切空腔的重力場強(qiáng)度是一個(gè)常量，所以小球在球形內(nèi)切空腔上所做的都是勻加速直線運(yùn)動(dòng)。然后由題意可知，假設(shè)地球是一個(gè)質(zhì)量均勻分布的實(shí)心球體，對(duì)于質(zhì)量均勻分布的地殼來說，其對(duì)物體的萬有引力為0，如果將重力場看作靜電場，想要快速解答這一題，學(xué)生必須明確一點(diǎn)，那就是電荷的電場力也是0，再套入公式，就可以得到問題的答案，其實(shí)這里的電場力為0，也就是所謂的靜電屏蔽。

四、 重力場強(qiáng)度的高端備課

對(duì)于高中生來說，重力場強(qiáng)度的概念比較抽象，難以理解，屬于重難點(diǎn)知識(shí)。重力場強(qiáng)度主要是描述重力場強(qiáng)弱的一種物理量。學(xué)生在學(xué)習(xí)高中物理知識(shí)過程中，對(duì)于重力知識(shí)點(diǎn)的掌握比較好，但是很少有學(xué)生能夠全面掌握重力場強(qiáng)度，這就使得學(xué)生很難理解電場強(qiáng)度與電磁場的概念。為了解決好這一問題，高中物理教師在實(shí)際教學(xué)的過程中，要精心設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)，結(jié)合高端備課的理念，深入研究物理教材，將重力場強(qiáng)度引入高端備課。

（一）備課過程

場的概念比較抽象，雖然我們身處重力場，但不同學(xué)生對(duì)于重力的感受也各不相同。因此教師在課堂上可以引導(dǎo)學(xué)生利用重力大小，來描述重力場的強(qiáng)弱，這與學(xué)生的日常生活有緊密的聯(lián)系。教師在課堂上可以根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況，拋出問題：能否用物體的受力大小來表示重力場的強(qiáng)弱？根據(jù)這一設(shè)計(jì)思路，教師可以引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合自己的日常生活經(jīng)驗(yàn)，理解所有物體所受到的重力都來源于地心對(duì)于物體的吸引力，如果某一物體離地心越近，則該物體所受到的重力就越大，所以其重力場也應(yīng)該越來越強(qiáng)。