万有引力与重力的关系

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  关于万有引力和重力的差别与联系,在高中的教学中是一个难点,在学完万有引力之后,学生很容易混淆万有引力和重力两个概念,再加上中学物理中常有F引=mg的近似处理,学生更是容易把万有引力理解为重力,那么它们到底什么关系呢?
  一、地表上的万有引力和重力
  在早期,人们认为地球是一个惯性系,于是,相对地球静止的物体便处于平衡状态。如果这个物体是用绳子悬挂着,它只可能受两个力,那就是重力G和绳子张力T,如图1所示。基于简单的平衡关系,有G=T。若在绳子中间接一个测力计,重力的大小就通过测T的大小间接测量出来了,而重力的方向就是绳子收缩的反方向。至于重力的性质,人们初步意识到它是“由于地球的吸引而产生的”。
  后来,人们认识到地球存在自转,是一个非惯性系,地表上(除两极外)所有“静止”的物体事实上都处在匀速圆周运动的状态中,因此,都存在向心加速度。但是,当我们仍然考查用绳子悬挂“静止”的物体时,它毕竟还是只会受到两个力的作用。两个力中,绳子张力T的性质是不会变的(大小和方向不会变),而两个力不再平衡,那么,另一个力(重力G)的分析就值得反省了。
  牛顿发现万有引力之后,这个问题迎刃而解。现在,人们已经能够对地表上“静止”的悬挂物进行正确的受力分析——它受到绳子张力T和万有引力F的作用,T和F的合力ΣF即物体做圆周运动的向心力,如图2所示。由图可知,由于F指向地心O而ΣF指向物体做圆周运动的圆心O′,故T并不沿地球半径方向。
  严格地说,有了这个分析后,物体的“重力”就不存在了。但是,由于人们一直是在地球上研究问题的,已经习惯了地球是惯性系的这种错觉。在这种错觉下,物体仍“平衡”,为了维护这种“平衡”,必须找到一个T的平衡力——这就是我们习惯认识中的重力。(由图2)不难看出,它的方向不会沿地球半径指向地心(赤道和两极的物体除外)。
  把T矢量反向成为G矢量后,和F矢量、ΣF矢量构成图3。在(图3)新平行四边形中,F处在“合力”位置。因此,也常常这样说:重力是万有引力的一个分力(另一个分力是物体做圆周运动的向心力)。至此,重力的性质就完全清楚了。
  二、万有引力近似的等于重力的原因分析
  重力概念的保留,纯粹是为了屈从人们的错误习惯吗?不完全是这样。因为,定量的计算表明,在地表,重力G和万有引力F的差别并不会很大。
  根据圆周运动知识,F引=mrω2。
  鉴于传统的重力G是一个假定物体平衡时出现的物理量,而在对待卫星时,已经没有人认为它是平衡的,所以对卫星讲“重力”没有实际意义。不过,因为在地表上存在的G≈F的关系,人们也习惯性地把卫星受到的万有引力说成是重力。所以,在看卫星上物体的失重问题时,视重为零,真重事实上指万有引力F——这和传统意义的重力G是不同的。而在刚才的同步卫星中,传统意义的G为零,人们谈到的真重则是F,不为零。
  (作者单位 泸县二中)
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