關(guān)于萬(wàn)有引力和重力的差別與聯(lián)系,在高中的教學(xué)中是一個(gè)難點(diǎn),在學(xué)完萬(wàn)有引力之后,學(xué)生很容易混淆萬(wàn)有引力和重力兩個(gè)概念,再加上中學(xué)物理中常有F引=mg的近似處理,學(xué)生更是容易把萬(wàn)有引力理解為重力,那么它們到底什么關(guān)系呢?
一、地表上的萬(wàn)有引力和重力
在早期,人們認(rèn)為地球是一個(gè)慣性系,于是,相對(duì)地球靜止的物體便處于平衡狀態(tài)。如果這個(gè)物體是用繩子懸掛著,它只可能受兩個(gè)力,那就是重力G和繩子張力T,如圖1所示?;诤?jiǎn)單的平衡關(guān)系,有G=T。若在繩子中間接一個(gè)測(cè)力計(jì),重力的大小就通過測(cè)T的大小間接測(cè)量出來了,而重力的方向就是繩子收縮的反方向。至于重力的性質(zhì),人們初步意識(shí)到它是“由于地球的吸引而產(chǎn)生的”。
后來,人們認(rèn)識(shí)到地球存在自轉(zhuǎn),是一個(gè)非慣性系,地表上(除兩極外)所有“靜止”的物體事實(shí)上都處在勻速圓周運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)中,因此,都存在向心加速度。但是,當(dāng)我們?nèi)匀豢疾橛美K子懸掛“靜止”的物體時(shí),它畢竟還是只會(huì)受到兩個(gè)力的作用。兩個(gè)力中,繩子張力T的性質(zhì)是不會(huì)變的(大小和方向不會(huì)變),而兩個(gè)力不再平衡,那么,另一個(gè)力(重力G)的分析就值得反省了。
牛頓發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力之后,這個(gè)問題迎刃而解?,F(xiàn)在,人們已經(jīng)能夠?qū)Φ乇砩稀办o止”的懸掛物進(jìn)行正確的受力分析——它受到繩子張力T和萬(wàn)有引力F的作用,T和F的合力ΣF即物體做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力,如圖2所示。由圖可知,由于F指向地心O而ΣF指向物體做圓周運(yùn)動(dòng)的圓心O′,故T并不沿地球半徑方向。
嚴(yán)格地說,有了這個(gè)分析后,物體的“重力”就不存在了。但是,由于人們一直是在地球上研究問題的,已經(jīng)習(xí)慣了地球是慣性系的這種錯(cuò)覺。在這種錯(cuò)覺下,物體仍“平衡”,為了維護(hù)這種“平衡”,必須找到一個(gè)T的平衡力——這就是我們習(xí)慣認(rèn)識(shí)中的重力。(由圖2)不難看出,它的方向不會(huì)沿地球半徑指向地心(赤道和兩極的物體除外)。
把T矢量反向成為G矢量后,和F矢量、ΣF矢量構(gòu)成圖3。在(圖3)新平行四邊形中,F(xiàn)處在“合力”位置。因此,也常常這樣說:重力是萬(wàn)有引力的一個(gè)分力(另一個(gè)分力是物體做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力)。至此,重力的性質(zhì)就完全清楚了。
二、萬(wàn)有引力近似的等于重力的原因分析
重力概念的保留,純粹是為了屈從人們的錯(cuò)誤習(xí)慣嗎?不完全是這樣。因?yàn)椋康挠?jì)算表明,在地表,重力G和萬(wàn)有引力F的差別并不會(huì)很大。
根據(jù)圓周運(yùn)動(dòng)知識(shí),F(xiàn)引=mrω2。
鑒于傳統(tǒng)的重力G是一個(gè)假定物體平衡時(shí)出現(xiàn)的物理量,而在對(duì)待衛(wèi)星時(shí),已經(jīng)沒有人認(rèn)為它是平衡的,所以對(duì)衛(wèi)星講“重力”沒有實(shí)際意義。不過,因?yàn)樵诘乇砩洗嬖诘腉≈F的關(guān)系,人們也習(xí)慣性地把衛(wèi)星受到的萬(wàn)有引力說成是重力。所以,在看衛(wèi)星上物體的失重問題時(shí),視重為零,真重事實(shí)上指萬(wàn)有引力F——這和傳統(tǒng)意義的重力G是不同的。而在剛才的同步衛(wèi)星中,傳統(tǒng)意義的G為零,人們談到的真重則是F,不為零。
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