摘 要:用非慣性參考系、慣性力等概念去理解重力有其優(yōu)越性,但這些知識并不適合高中教學(xué)的實(shí)際情況。針對用萬有引力定律理解重力的困惑,以重力是萬有引力的一個分力為基礎(chǔ),辨析了地球上空、地球表面和地球內(nèi)部三個位置物體所受的重力。
關(guān)鍵詞:重力;萬有引力;自轉(zhuǎn);分力
中圖分類號:G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1003-6148(2024)12-0063-3
人教版高中物理必修一中對重力的定義是:由于地球的吸引而使物體受到的力叫做重力[1],這個定義僅指出了物體重力產(chǎn)生的原因。人教版必修二中提出“若不考慮地球自轉(zhuǎn)的影響,地面上質(zhì)量為m的物體所受的重力mg等于地球?qū)ξ矬w的引力”[2],這個定義雖明確指出了物體重力與萬有引力的關(guān)系,卻是有條件的。那么,在地球自轉(zhuǎn)時物體的重力等于多少?在空中和地面以下的重力又如何?如果利用非慣性參考系和慣性力作出解釋,顯然不適合中學(xué)課堂,因此教師需要結(jié)合教學(xué)實(shí)際,厘清物體重力與萬有引力的關(guān)系。
1 地球表面物體的重力
1.1 不考慮地球自轉(zhuǎn)
若不考慮地球自轉(zhuǎn)的影響,地球表面質(zhì)量為m的物體所受的重力等于地球?qū)ξ矬w的萬有引力,即
mg=(1)
如果沒有區(qū)分赤道和兩極的重力加速度,或直接交代地表的重力加速度為g,這就表明重力與萬有引力相等。將(1)式m消去得到,GM=R2g,這就是俗稱的“黃金代換式”[3],它不僅對其他天體適用,而且涉及到具體計(jì)算時誤差較小,所以也叫“萬能代換式”。
1.2 考慮地球自轉(zhuǎn)
若考慮地球的自轉(zhuǎn),并將地球視為慣性系,物體隨地球一起做圓周運(yùn)動,除兩極外,萬有引力的一個分力需要提供垂直指向地軸的向心力,另一個分力就是物體的重力[4],如圖1所示。這時,重力不再等于萬有引力(兩極除外)。
圖1 萬有引力的一個分力提供向心力
也可以這樣理解,物體在地球表面受到兩個力,萬有引力和支持力,如圖2所示,物體的萬有引力F與支持力FN的合力提供圓周運(yùn)動的向心力F向,軌道半徑r=Rcosθ。重力等于支持力,它們是一對平衡力。由于物體隨地球做圓周運(yùn)動,所以重力不指向地心(赤道和兩極除外)。如圖3所示,將mg和F沿著F方向分解,滿足關(guān)系
圖2 合力提供向心力
圖3 三力近似關(guān)系
mgcosσ=F-Fcosθ=-mRω2cos2θ(2)
因?yàn)棣液苄。剩悖铮螃摇郑?,將?)式變形得
mg=-mRω2cos2θ(3)
(3)式表明,θ越大,即物體的緯度越高,那么物體所受的重力就越大。討論特殊情況:
當(dāng)θ=0時,物體處在赤道,mg1=-mRω2;
當(dāng)θ=90°時,物體處在兩極,mg2=。
在這里學(xué)生會質(zhì)疑:支持力方向是球體切線的垂線方向,重力的方向就應(yīng)該指向地心才對,但圖1中重力卻不是指向地心,這是為何?其實(shí),地球并不是嚴(yán)格的球體,地球表面主要由海水組成,赤道附近的海水比重小,地球自轉(zhuǎn)使得兩極距地心近、赤道距地心遠(yuǎn)形成橢球體,形似“哈密瓜”。如圖4所示,支持力垂直于海平面,萬有引力指向橢圓中心,萬有引力F與支持力FN的合力提供物體圓周運(yùn)動的向心力F。
圖4 哈密瓜形
以上是在慣性系下解釋了物體所受重力與萬有引力的差異,特別是用橢球體解釋重力的方向,學(xué)生容易理解,如果不糾結(jié)重力方向的問題,完全可以將地球簡化為球體。不過,高中階段主要考查赤道和兩極處物體的重力,這兩處重力的方向與萬有引力的方向相同。
2 地球上空物體的重力
2022年11月30日,神舟十五號成功將三位航天員費(fèi)俊龍、鄧清明、張陸送入中國空間站,與神舟十四號航天員乘組首次實(shí)現(xiàn)“太空會師”,他們將在軌生活半年,完成2022年的第六次飛行任務(wù)。航天員們在空間站里面處于完全失重狀態(tài),按照失重的概念,當(dāng)物體對懸掛物的拉力或?qū)χС治锏膲毫Φ扔诹銜r,物體處于完全失重狀態(tài),所以完全失重只能說明航天員的視重為0,并不代表航天員就沒有重力。那么,在地球上空,物體所受的重力等于什么?
假設(shè)h高處有一顆衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動,萬有引力提供衛(wèi)星做圓周運(yùn)動的向心力,有=F向。此時衛(wèi)星已脫離地球,重力不再受自轉(zhuǎn)的影響,(3)式中的ω=0,但(3)式還是可以用來計(jì)算重力,即mg=,所以
mg==F向(4)
(4)式表明,當(dāng)物體繞地球做勻速圓周運(yùn)動時,重力等于萬有引力,重力就是萬有引力的一個代名詞而已,此時也可以說重力提供了衛(wèi)星圓周運(yùn)動的向心力。(4)式還表明,物體所受重力隨高度h的增加而減小,對于衛(wèi)星而言,高度h少則也有幾十千米。如果只是幾層樓的高度,那就只能當(dāng)作地面上的物體來處理,參考系也會隨之改變,因?yàn)楫?dāng)h遠(yuǎn)小于地球半徑R時,完全沒有必要考慮海拔高度對重力的影響,即使是在最高峰珠穆朗瑪峰的頂端,重力加速度也僅比海平面的小不到3‰[5]。
以上分析了在高空不受地球自轉(zhuǎn)影響時物體的重力,下面再來分析一下在高空且受地球自轉(zhuǎn)影響時物體的重力。假想從赤道鋪設(shè)一條豎直的電梯至同步衛(wèi)星,設(shè)地球自轉(zhuǎn)角速度為ω,當(dāng)物體上升至某一高度h(h≤h0)時,物體受到萬有引力和電梯的支持力,支持力等于重力,有
mg'=-m(R+h)ω2(5)
當(dāng)物體上升至同步衛(wèi)星的高度h0時,滿足等式
=m(R+h0)ω2(6)
聯(lián)立(5)(6)式,解得
mg'==
(7)
由(7)式得,當(dāng)h<h0時,物體的重力隨高度的增加而減?。划?dāng)h=h0時,物體的重力等于0。這說明空中物體的重力還與地球自轉(zhuǎn)的角速度有關(guān)。
3 地球內(nèi)部物體的重力
如果物體到了地表以下,那重力又如何呢?教學(xué)中,我們會碰到結(jié)論“質(zhì)量分布均勻的球殼在其內(nèi)部產(chǎn)生的引力場場強(qiáng)處處為零”。這個結(jié)論可以用微元法證明(證明略),也可以采用類比法理解,因?yàn)辄c(diǎn)電荷間的靜電力公式與物體間的萬有引力公式形式相同,電場強(qiáng)度與引力場場強(qiáng)的表達(dá)形式也相同,既然均勻帶電的球殼內(nèi)部電場強(qiáng)度處處為零,那么“質(zhì)量均勻的球殼在內(nèi)部產(chǎn)生的引力場場強(qiáng)處處為零”也成立。
受上面結(jié)論的啟發(fā),如圖5所示,可以將地球分為厚度h的球殼與半徑(R-h)的球體兩個部分,認(rèn)為地球是質(zhì)量分布均勻的球體,那么物體在h處的重力就等于半徑為(R-h)的球體對它的萬有引力,有
mg1=
M=ρ·πR3
M1=ρ·π(R-h)3
得到mg1=,當(dāng)h增大(深度變大)時,重力減小。令R-h=x,得到
mg1=∝x(8)
圖5 地球分為兩部分
由(8)式可知,距離地心x處的物體重力與x成正比,當(dāng)x=0,即h=R時,得到地心處的重力為0。
如果以地球某一直徑挖出一條貫穿地球的隧道,并規(guī)定正方向,容易證明
F=-πGρmx=-kx∝x(9)
(9)式可以說明物體在這個隧道里面做以地心為平衡位置的簡諧運(yùn)動。
4 啟 示
綜上所述,高中階段只要不考慮地球的自轉(zhuǎn)或區(qū)分赤道與兩極的重力,那么重力與萬有引力就是相等的,但是不能等同[6];如果考慮地球的自轉(zhuǎn),限于高中不講非慣性系與離心慣性力的概念,所以只能認(rèn)為重力是萬有引力的一個分力,盡管這一觀點(diǎn)與“重力是萬有引力與慣性離心力的合力”存在一定的分歧[7]??傊?,任何知識的學(xué)習(xí)都不是一蹴而就的,隨著學(xué)習(xí)的不斷深入,我們對知識的認(rèn)識會更全面、更深刻。
參考文獻(xiàn):
[1]人民教育出版社,課程教材研究所,物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中教科書物理必修第一冊[M].北京:人民教育出版社,2019:55.
[2]人民教育出版社,課程教材研究所,物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中教科書物理必修第二冊[M].北京:人民教育出版社,2019:51.
[3]段石峰.高中階段如何理解重力和地球引力的關(guān)系[J].湖南中學(xué)物理,2022(9):78-80.
[4]金清鎮(zhèn).重力與萬有引力誰是“合力”[J].物理教師,2015,36(3):59.
[5]人民教育出版社,課程教材研究所,物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中教科書物理必修第二冊教師用書[M].北京:人民教育出版社,2019:51.
[6]王太軍,唐忠敏.關(guān)于重力定義的再探討——重力與萬有引力應(yīng)該“分家”[J].物理教師,2010,31(10):36-38.
[7]馬亞鵬.重力與萬有引力的關(guān)系及其對中學(xué)物理教學(xué)的啟示[J].中學(xué)物理教學(xué)參考,2013,42(6):50-52.
(欄目編輯 蔣小平)
收稿日期:2024-05-17
作者簡介:張育森(1981-),男,中學(xué)一級教師,主要從事高中物理教學(xué)工作。