對(duì)“萬(wàn)有引力是重力”觀點(diǎn)的商榷

劉春蘭老師曾于2009年10月在《物理教學(xué)探討》第10期上發(fā)表了一篇題為《萬(wàn)有引力是重力嗎?》的文章。在文章中，劉老師提出了萬(wàn)有引力就是重力的觀點(diǎn)，筆者對(duì)這一觀點(diǎn)持不同的看法。具體分析如下:

1 從兩種力產(chǎn)生的角度分析

(1)萬(wàn)有引力是自然界中任何兩個(gè)物體之間的吸引力，方向在它們的連線上，大小與物體的質(zhì)量m1和m2的乘積成正比，與它們之間距離r的二次方成反比，即F=G0m1m2r2。

(2)重力是由于地球?qū)λ砻娓浇奈矬w的吸引而產(chǎn)生的。只在重力作用下，任何物體的加速度都是重力加速度g。重力的方向和重力加速度的方向相同，豎直向下，其大小為G=mg。

物體所受地球的萬(wàn)有引力的方向是指向地心的，而地球表面物體所受的重力方向是豎直向下的。所以在地球表面不同的地方，指向地心與豎直向下不會(huì)始終重合，萬(wàn)有引力不能說(shuō)就是重力。

2 從重力受地球自轉(zhuǎn)影響角度分析

可見(jiàn)，在地球表面物體的重力等于地球萬(wàn)有引力與離心慣性力的合力。假設(shè)地球自轉(zhuǎn)角速度加快，重力將變小。如果自轉(zhuǎn)角速度足夠大，重力就可能為零。此時(shí)地球表面物體就要飄起來(lái)，由于線的拉力為零，物體處于失重狀態(tài)。重力在這種狀態(tài)下，的確是零，但劉老師認(rèn)為失重并不等于沒(méi)有重力，而認(rèn)為重力等于萬(wàn)有引力。筆者認(rèn)為這里對(duì)失重的理解有偏頗。對(duì)于失重，人教版高中物理必修二是這樣定義的:物體對(duì)支持物的壓力(或?qū)覓煳锏睦?小于物體所受重力的現(xiàn)象稱(chēng)為失重。這種定義筆者認(rèn)為其實(shí)也并不是很科學(xué)。比如假定地球自轉(zhuǎn)加快，角速度足夠大，重力剛好小到零，物體對(duì)支持物的壓力(或?qū)覓煳锏睦?也就為零，而此時(shí)物體處于失重。筆者認(rèn)為失重時(shí)，重力是可以為零的。實(shí)際上，在地面上的物體，討論其失重問(wèn)題是在選定地球作為參考系的基礎(chǔ)上去分析的。雖然地球在自轉(zhuǎn)但物體卻相對(duì)于參考系是靜止的，故相對(duì)于地球處于平衡狀態(tài)，而不是失重狀態(tài)。

3 從重力隨緯度變化角度分析

地球表面上物體所在緯度不同，物體到地球自轉(zhuǎn)軸的距離R也不同，離心慣性力也不相同，由此導(dǎo)致重力因緯度改變而改變。

首先討論重力方向偏離萬(wàn)有引力的角度。如圖1，對(duì)圖中的三角形應(yīng)用正弦定理，

由此式可以看出，在赤道處，β=0，G最小;在兩極β=±π2，G最大，且此時(shí)G=F;在其它緯度上，重力的大小介于最小值與最大值之間。因此，在地球表面上的物體所受的重力G和萬(wàn)有引力F有區(qū)別。

4 從重力隨高度的變化角度分析

物體離地球越遠(yuǎn)，所受的萬(wàn)有引力越小，此時(shí)重力也會(huì)隨之發(fā)生變化。由于地球自轉(zhuǎn)的影響，在地球表面(通常指大氣層以?xún)?nèi))的物體仍然受到自轉(zhuǎn)影響，即物體所受重力與萬(wàn)有引力的關(guān)系:G=F+mω2R。

由上式可以看出:當(dāng)物體遠(yuǎn)離地面時(shí)，萬(wàn)有引力減小，重力也在減小，但是萬(wàn)有引力仍然不等于重力。當(dāng)物體繼續(xù)遠(yuǎn)離地球，到達(dá)大氣層外面時(shí)，物體將不再受地球自轉(zhuǎn)對(duì)它的影響，此時(shí)它所受的重力與萬(wàn)有引力的關(guān)系:G=F。對(duì)于物體在大氣層外面所受重力的情況，筆者查閱了不同版本的大學(xué)物理教材，發(fā)現(xiàn)對(duì)重力的定義僅僅限于地球表面，而遠(yuǎn)離地球表面時(shí)，就不再去討論重力這一物理量了。因此，當(dāng)物體遠(yuǎn)離地球時(shí)，萬(wàn)有引力在減小，重力也在減小，重力并不是處處與萬(wàn)有引力相等。

綜上所述，重力是由萬(wàn)有引力產(chǎn)生的，但不能說(shuō)重力就是萬(wàn)有引力。在地球表面物體的重力為地球萬(wàn)有引力與離心慣性力的合力。

參考文獻(xiàn):

[1]劉春蘭.萬(wàn)有引力是重力嗎.物理教學(xué)探討.2009.10

[2]漆安慎 ，杜嬋英. 力學(xué).北京:高等教育出版社，1999

[3]程守洙 ，江之永.普通物理學(xué).北京:高等教育出版社，2003

(欄目編輯 羅琬華)