自由落體運動定義的探討

董友軍

自由落體運動,是高中物理學中一個重要的概念.在物理學中,突出問題的主要方面,忽略次要因素,建立理想化的物理模型,是研究物理問題常用的方法.自由落體運動就是采用這種物理思維而抽象出來的一種勻變速直線運動.高中階段要求學生必須掌握自由落體的運動規律,并能夠靈活運用.每年的高考物理,自由落體運動也總是出現在試題中.不過自由落體運動在現實中是不存在的,因為現實生活中,物體總會受到空氣阻力,所以自由落體運動是理想化的物理模型.如果空氣阻力的作用比較小,可以忽略,物體的下落就可以近似看做自由落體運動.我查閱了所有保留的物理教科書,人教版各次出版的教科書對自由落體運動的定義如下:

人教社1995年10月第2版1998年4月第3次印刷的高級中學課本《物理 第一冊(必修)》對自由落體運動的定義:物體只在重力作用下從靜止開始下落的運動,叫做自由落體運動.

人教社2000年2月第2版2001年4月第1次印刷的全日制普通高級中學教科書(實驗修訂本 必修)《物理 第一冊》對自由落體運動的定義:物體只在重力作用下從靜止開始下落的運動,叫做自由落體運動.

人教社2003年6月第1版2004年5月第4次印刷的全日制普通高級中學教科書(必修)《物理 第一冊》對自由落體運動的定義:物體只在重力作用下從靜止開始下落的運動,叫做自由落體運動.

人教社2004年5月第1版2004年7月第1次印刷的普通高中課程標準實驗教科書《物理1 必修》對自由落體運動的定義:物體只在重力作用下從靜止開始下落的運動,叫做自由落體運動.

現在我校高一級學生使用的是人教社編著的普通高中課程標準實驗教科書《物理1 必修》,是2006年12月第2版2009年7月第7次印刷,教科書中對自由落體運動的定義如下:物體只在重力作用下從靜止開始下落的運動,叫做自由落體運動.

從以上可以看出,至少15年以來,人教社出了5版高中物理教科書,但對自由落體運動的定義一直沿用1995年高級中學課本《物理 第一冊(必修)》的定義,而且人教社教科書對自由落體運動的定義,似乎也影響了其它出版社的教科書.

廣東教育出版社2004年6月第1版2004年6月第1次印刷的普通高中課程標準實驗教科書《物理 (必修1)》對自由落體運動的定義:物體僅作重力的作用下,從靜止開始下落的運動,叫做自由落體運動.

上海科技教育出版社2004年6月編2007年5月修訂的普通高中課程標準實驗教科書《物理 共同必修1》對自由落體運動的定義:物理學中,把物體只在重力作用下從靜止開始下落的運動叫自由落體運動.

所有出版社的教科書定義自由落體運動都說是“從靜止開始下落”,但我認為這樣定義自由落體運動是不嚴謹的,其原因分析如下.

1. 物理學中,何謂靜止?2006年12月第2版2009年7月第7次印刷人民教育出版社編寫的普通高中課程標準實驗教科書《物理1 必修》第三章第7節——用牛頓定律解決問題(二)指出:“如果一個物體在力的作用下保持靜止或勻速直線運動狀態,我們就說這個物體處于平衡狀態”,“牛頓第二定律告訴我們,當物體所受合力為0時,加速度為0,物體將保持靜止或勻速直線運動狀態.因此,在共點力作用下物體的平衡條件是合力為0”.從這兩句可以得出,靜止是指同時滿足速度為0和加速度為0,只有速度為0,而加速度不為0 ,就不是靜止.

2. 教科書所表述的自由落體運動必須同時具備兩個條件:①全程(包含起點和終點)只受到重力,不受其它力;②從靜止開始下落,即起點是靜止的.

3. 從動力學方面分析定義:從條件②可知,物體在起點處于靜止,即表示物體在起點處于平衡狀態,由平衡條件可得,物體必須還受到一個大小等于重力,方向跟重力相反的外力,才能保證合力為0,這就是說,在起點不是只受到重力,這明顯與條件①相互矛盾.

4. 從運動學方面分析定義:從條件①可知,物體全程只受到重力,即全程的加速度為g,也就包括起點和終點的加速度為g,而由條件②可知,起點物體是靜止,即物體的加速度為0,故可以得出條件①和條件②互相沖突.

5. 從教科書過程分析定義:(以我校2009年高一年級學生使用的人教版教科書為例)教科書先敘述一重物掛在線上,把線剪斷,在重力作用下,重物沿豎直方向下落;再敘述從手中釋放的石塊,在重力作用下也沿豎直方向下落;接著又安排演示實驗,讓金屬片、小羽毛、小軟木塞、小玻璃球等放到抽出空氣的玻璃筒中,當把玻璃筒倒立過來,觀察物體下落情況;最后得出自由落體運動的定義.粗看這三個實驗,以為物體從靜止開始下落,細看卻并非如此:第一個實驗要細分為線剪斷前和剪斷后,線剪斷前,重物還掛在線上,重物此時處于靜止,線剪斷后,重物就不是靜止,而重物下落是從線剪斷后開始下落,即表示重物不是從靜止開始下落;第二個實驗也要細分為釋放石頭前和釋放石頭后,釋放石頭前,石頭還在手中,石頭此時處于靜止,釋放石頭后,石頭就不是靜止狀態,而石頭下落就是從釋放石頭后開始下落,即表示石頭不是從靜止開始下落;第三個演示實驗,下落狀態不明顯,說從靜止開始下落,顯得武斷而不嚴密.教科書在對自由落體運動下了定義以后,接著再演示用打點計時器測量重物下落的加速度,最后還加上一句“許許多多事實表明,自由落體運動是初速度為0的勻加速直線運動”,這更加使學生誤認為靜止就是初速度為0,延續了學生的錯誤思維,不利于學生認知的矯正和發展.

從以上分析可以看出,滿足教科書自由落體運動定義的兩個條件,相互矛盾、相互沖突,而且定義的過程不細化、不嚴密,故人教版對自由落體運動的定義是不嚴謹的.我認為自由落體運動的定義應該如下表述才正確:物體只在重力作用下,從速度為0開始下落的運動,叫做自由落體運動.這樣的定義,指出自由落體運動必須同時具備兩個條件是:①起點速度為0,而不是靜止狀態;②全程只受到重力,包含起點也只受到重力而不受其它力.從而不會出現自相矛盾,確保了對自由落體運動定義的正確性、嚴謹性和權威性.

責任編輯 羅 峰