重力与重量

重力是力学中最重要、最基本的概念之一。但是,国内外各种课本及参考书对重力概念的定义不尽一致,目前对重力的定义大致有以下三类。

第一类定义:“地球对物体的引力称重力”。“重力就是由于地球吸引而使物体受到的力”。

第二类定义:“地球对其附近物体吸引的力是重力”。“地球对地球表面附近物体的引力称重力”。

第三类定义:“质点以线悬挂并相对于地球静止时,质点所受重力的方向沿悬线且竖直向下,其大小在数值上等于质点对悬线的拉力。”“实际上,重力就是悬线对质点拉力的平衡力”。“物体在地球表面附近自由下落时,有一竖直方向的重力加速度g,产生此重力加速度的力称为重力”。

第一类定义很明确,重力就是指地球对物体的万有引力。重力即是力,就是矢量,其方向就是地球对物体引力的方向,即指向地球中心。按这类定义,重力就成了引力的同义词。其实,这类定义只有在不考虑地球自转所引起的效果时才有意义。

第二类定义的共同特点是有“表面”、“附近”此类限制性词。这些“表面”、“附近”表达着怎样的意思呢?如只是一个区域性概念的话,那就是说只有地球表面附近的引力才称重力,除此以外,就只称引力,不再称重力了;另外,到底距地球表面多远才不算“表面”、“附近”呢?可见,第二类重力定义给读者的概念是模糊的、不确切的。

第三类定义分别从静力学形式和动力学形式给出了重力的“操作性定义”,并暗示了重力不是纯地球引力,而是把地球自转影响考虑在内的地球引力和物体随地球绕地轴转动所受的向心力之差。这类定义美中不足的是未能明确表达出重力的主要本质,即“地球引力”这一本质因素。

综上所述,以上三类关于重力的定义都不够确切。重力的比较确切的定义是 :“随地球一起转动的物体,所表现出的、所受地球的引力,称物体的重力。”根据这种定义,重力概念的内涵有;

(1)重力的本质来源是地球的引力。

(2)重力是一个表观的概念,是物体随地球一起转动时受到地球的视在的引力。

(3)重力等于物体受地球的引力和随地球绕轴转动所需向心力的矢量差。

图1为了能对重力的大小、方向有一个较直观、明确的认识,下面以地球表面的物体为例加以说明。设地球是均匀球体,其自转角速度为ω,,则处于地球上P点的物体受到地球的引力为F,随地球自转所需的向心力为f,f是F的一个分力。根据我们关于重力的定义,F的另一个分力G就是所论物体的重力(见图)。

从图示可见,物体重力G确是引力F与向心力f的矢量差,其方向一般并不指向地球中心,而偏离一个小角度θ,指向平常所说的竖直方向。平常我们所说物体的自由落体加速度,就是在重力的作用下产生的,所以,这加速度又称重力加速度,方向当然也不严格指向地心。至于重力的大小,一方面可用弹簧秤测定,另一方面可根据图示计算得:

G=G0Mm/R2 -mω2Rcos2φ

式中R是地球半径,φ为物体所在处的纬度,M为地球质量,m为物体质量,G0为引力常数。由上式可看出,在赤道处,φ=0,G最小,与G0Mm/R2 相差的百分比约为3.5×10-3;在两极处G=G0Mm/R2 ,G最大;在其他纬度处,G介于两者之间。

至于重量,可以这样说,人们对重量的熟悉程度要强于对质量的熟悉程度。但长期以来,由于重量的定义也具有多种表述,结果在物理学等方面,使重量这个概念变碍含混不清。

综观现行的物理教材和参考书,关于重量的定义亦有多种表述。第一种为:“重量是一种力,它是由地球吸引而产生的,是使物体产生重力加速度的原因。”第二种为:“重量就是重力。”第三种为:“重量是物体对水平支持物的压力或物体对竖直悬挂绳子的拉力。”第四种为:“重量就是重力的大小。”

以上重量的第一、第二、第三种表述都给重量赋予了力的含义。但第一、第二种表述说明重量的力性属万有引力,而第三种表述说明重量的力性属弹性力;重量的第四种表述扬弃了重量的力性,它既保留了重量和重力的数量关系,又克服了重量作为一种力所带来的缺陷和麻烦(指与引力、重力相混淆)。重量既然作为重力的量度,就能用弹簧秤直接来测得物体所受的重力大小。

物体重量的多种定义,哪一种好些?这问题历来是有争论的。但是,由于定义本来是人为的,是为了便于解释问题而指出的,重要的是,若采用某一种表述作定义,那么,有关的现象就应当用这个定义所规定的含义去解释,不能前后矛盾。现行中学物理采用“重量就是重力”的定义,尽管如此,但是习惯上只说“重力的分解”,而不说“重量的分解”;只说“物体有重量”,而不说“物体有重力”;只说“重力加速度”而不说“重量加速度”。

从以上重量定义的多种表述可以看出,重量仅在物理学上就已含有多重意义了,若考虑到重量一词在日常生活中的运用,其含义就更多了。譬如,日常生活中,我们购买粮食、水果等物品时,常说它们的重量是多少克或多少公斤,这里说的重量实际上是质量。因为售货员使用的台秤或杆秤,跟天平一样,都属于杠杆类量具,只能测量物体的质量。另外,公斤和克都是质量的单位。

重量术语的多重意义,给教学、科研、图书出版以及国际交往等带来很多不便。事实上,质量、万有引力、重力及物体作用在支承物上的力,各自都有明确的定义和名称。直接利用这些概念完全可以很好地分析和解决有关问题。在此情形下,保留“重量”概念已无实际意义。国际计量大会早就建议在科学术语中取消重量一词,而把日常生活中的重量看作是质量的别名。世界上已有80多个国家接受国际计量大会的建议。国际计量大会已在近年通过规定,重量这一名称,今后不再具有力的含义,重量是质量的别名。千克是质量单位的名称—公斤的别名。1984年4月27日国务院发布的《中华人民共和国法定计量单位使用方法》也接受国际计量大会通过的上述规定。今后凡在指力的场合,“重量”应改成“重力”。在科学技术领域中最好不采用“重量”一词。当然,在日常生活中仍可采用“重量”一词,但注意,它只是“质量”一词的同义词。

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发布时间:2009-3-20 7:02:33  阅读次数:12764

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