物理教学中的重力在生活中体现

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  初中物理阶段,重力方面的问题是重点也是难点。重力方面的问题很多,如何避免出错?笔者经过多年的教学发现,如果学生系统了解重力的基本问题,错误就很容易避免。
  重力的本质
  物理学中的“力”是一个十分重要的物理概念,力是物体对物体的作用,物体间力的作用是相互的。物理学家牛顿受到苹果的启发,发现了万有引力定律,即任何两个物体之间存在着吸引对方的力,是距离平方反比的关系,万有引力公式是(其中G为常数6.67×10-11N·m2/kg2,M和m分别是两个物体的质量,r为两个物体之间的距离)。
  在地球上,任何物体与地球之间必然存在着万有引力。物体受到地球对他的吸引力的同时,地球是围绕地轴自转的,则地球与其上的物体组成的系统就不是惯性参照系,应当作为非惯性参照系来看待。物体与地球组成的非惯性参照系的相对运动微分方程:m′=-m
  [( × ×()]-2m,并建立坐标(如图一),取动坐标Z轴指向北极,x和y轴在赤道平面内与地球固结。若物体处于纬度为ψ的地面上的P点,并且处于相对静止,固有=0,而地球自转角速度为ω=7.3×10-5弧度·米-1恒定,固有=0,代入方程中有:,而。为物体到转轴的垂直距离,方向背离转轴指向物体。为惯性离心力,则微分方程变为: =0。其中,是物体受到的引力,方向指向地心,是地面对物体的支持力,=-为视重,则有:=0,与的夹角为α。经过计算,可以看出物体受重力不仅与所受到的引力在方向上有差异,而且其大小也是随纬度增加的,即重力在赤道最小,在两极重力最大。
  在中学阶段,给出的重力大小的式子N=mg,其中g为常数,差异小于0.3牛顿/千克。当然这个粗略的公式,在宏观上来说已经能满足平常的需要了。
  重力的意义
  地球上物体的重力的大小是其质量数值大小近10倍关系,对人类来说是刚好合适的,不像在月球上那么小,才是地球上的六分之一左右,美国宇航员在上面行走会极不习惯;也不像在白矮星、中子星上那么大,大到人在上面会把自己压坏。重力能使我们稳稳当当地在地球上活动不会飘到别的星球,而且重力还能产生一种使人类肌肉和骨骼强壮的生物过程。在失重状态下,肌肉无赖以工作的重力,因此肌肉就会萎缩或退化,严重萎缩的肌肉组织就同纸一样易被撕碎。没有重力骨骼便无法更新再生,骨骼需要持续受力(活动)才能正常生长。这种受力活动会破坏老骨骼组织,在其中释放钙物质,从老骨骼中释放出的钙循环再形成组织。
  所谓的失重,有时也叫零重力,是指物体的视重在特殊情况下用仪器测量不出大小的情况。而特殊情况有加速下落、减速上升或者绕地球作匀速圆周运动等。如:“下列四个实验,哪些不能在绕地球飞行的宇宙飞船中完成?”A.用天平测量物体的质量;B.用弹簧秤测量物体的重力;C.用单摆测重力加速度;D.用水银气压计测舱内的大气压强。该问题的正确答案是四项都不能完成。在环绕地球飞行的航天器中,物体处于完全失重的状态,故要求的相应四个实验不能完成。生活在轨道空间站上的宇航员,在处于完全失重的环境下会遇到很多问题,如:向前移动如果不凭借外物是办不到的;较大食物残渣和水分不能乱扔,否则它同样处于漂浮状态,弥漫在宇航员的周围,有被吸入肺中的危险;长时间处于失重情况下宇航员身高会增长几厘米,原因是脊柱间的间隔在长时间处于失重下会变大,但对于矮个子而言并不是好消息,因为他又回到地球上一段时间后会恢复原样。
  重力在生活中的应用
  人类在实践中利用重力的例子是很多的。水在重力作用下是往低处流的,则高出的水就具有重力势能,这是一种非常好的资源,水电站就是人们利用水的势能可转化为电能的原理而建。人造地球卫星或者是空间站,由于重力的作用,因而能围绕地球作匀速圆周运动而在空中为人类服务。
  重力对生物的影响也是很大的。例如:受重力影响,一般植物的根都有向地性(或向心性),而茎则有背地性,对种子也是这种情况。重力对人类不利也是有的。例如:物体的质量大受到的重力大,人们要想搬动是很困难的;由于重力的因素,汽车发动机的转子浇铸得不是理想中的圆,因而会增加发动机的磨损,增加噪声。
  重力是地球吸引物体的一个分离,其大小随纬度的增加而增加。重力的存在对人类而言,利弊共有,要发现利的一面利用之,弊的那一面预防之。因此,重力与摩擦力、弹力等一样,成为与人类密切相关的力。利用重力,研究力学问题,对人类自身的生存和发展意义重大。美国专门成立了“重力和空间生物学学会”,该学会曾对就重力的生物学问题进行专题研究,表明对重力的研究已经迈出了地球,发展到了外太空。
  (作者单位:贵州省安龙县第三中学)
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